Elektrisk ledning i halvledere

Elektroner och hål (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Elektrisk ledning i halvledere

Diskrete halvleder enheder og kredsløb


Spørgsmål 1

I ethvert elektrisk ledende stof, hvad er ladetransportører "# 1"> Reveal svar Skjul svar

"Charge carriers" er partikler, der har en elektrisk ladning, hvis koordinerede bevægelse gennem et stof udgør en elektrisk strøm. Forskellige typer af stoffer har forskellige ladestoffer:

Metaller: "fri" (ledningsbånd) elektroner
Halvledere: elektroner og huller
Væsker: ioner

Bemærkninger:

Metaller er langt de enkleste materialer at forstå med henvisning til elektrisk ledning. Påpege dine elever, at det er denne enkelhed, der gør metallisk ledning så let at matematisk model (Ohms lov, E = IR).

Spørgsmål 2

En fælles begrebsmodel af elektroner inden for atomer er den "planetariske" model, med elektroner afbildet som omkredsende satellitter, der hvirvler rundt om "planet" af kernen. Fysikeren Ernest Rutherford er kendt som opfinder af denne atommodel.

En væsentlig forbedring i forhold til denne konceptuelle model af atomet kom fra Niels Bohr, der introducerede ideen om, at elektroner beboede "stationære stater" omkring kernen i et atom og kun kunne antage en ny stat som et kvantespring : en pludselig " hoppe "fra et energiniveau til et andet.

Hvad førte Bohr til sit radikale forslag om "kvantespring" som et alternativ til Rutherfords model? Hvilke eksperimentelle beviser førte forskere til at opgive atomens gamle planetmodel, og hvordan relaterer disse beviser sig til moderne elektronik?

Reveal svar Skjul svar

Den kendsgerning, at atomelle elektroner befinder sig i "kvantiserede" energitilstande, fremgår af de karakteristiske bølgelængder af lys, der udledes af visse atomer, når de "er spændt" af eksterne energikilder. Rutherfords planetmodel kunne ikke redegøre for denne adfærd, og dermed nødvendigheden af ​​en ny model af atomet.

Halvledereelektronik gøres mulig ved "kvanterevolutionen" i fysik. Elektrisk strøm gennem halvledere er umuligt at forklare tilstrækkeligt bortset fra kvantteori.

Udfordringsspørgsmål: Tænk på et eksperiment, der kunne udføres i klasseværelset for at demonstrere de karakteristiske bølgelængder udgivet af "spændte" atomer.

Bemærkninger:

Det er ingen underdrivelse at sige, at adventen af ​​kvantteori ændrede verden, for det gjorde det muligt for moderne solid-state elektronik. Selv om emnet for kvantteori kan være bult, er visse aspekter af det alligevel afgørende for forståelsen af ​​elektrisk ledning i halvledere.

Jeg cringe hver gang jeg læser en indledende elektronik lærebog diskutere elektroner kredsløbende atomkerner som små satellitter "holdt i kredsløb ved elektrostatisk tiltrækning og centrifugalkraft". Derefter begynder disse bøger et par sider senere at tale om valencebånd, ledbånd, forbudte zoner og et væld af andre fænomener, der ikke giver mening i atomets planetariske model, men kun giver mening i et kvantesyn (hvor elektroner er kun "tilladt" til at bebo visse bestemte, diskrete energitilstand omkring kernen).

Hvis ingen af ​​jeres elever er i stand til at svare på udfordringsspørgsmålet, kan du give dem dette tip: gasudladningslamper (neon, hydrogen, kviksølvdamp, natrium osv.)!

Spørgsmål 3

I ensomme atomer er elektroner fri til at beboere kun bestemte, diskrete energitilstand. Imidlertid er der i faste materialer, hvor der er mange atomer i nærheden af ​​hinanden, dannede energistater. Forklar, hvad det betyder for at være et energibånd i et solidt materiale, og hvorfor disse "bands" danner.

Reveal svar Skjul svar

Pauli's Exclusion Principle siger, at "ingen to elektroner i umiddelbar nærhed kan beboe nøjagtig samme kvantetilstand." Derfor, når mange atomer pakkes sammen i umiddelbar nærhed, skifter deres individuelle elektronstater en smule energi til at blive kontinuerlige bånd af energiniveauer.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at tænke på analogier for at illustrere dette princip. Hvor ellers ser vi flere individuelle enheder, der går sammen for at danne en større (kontinuerlig) helhed?

Spørgsmål 4

Ingeniører og forskere bruger ofte energibånddiagrammer til grafisk at illustrere energiniveauerne af elektroner i forskellige stoffer. Elektroner vises som faste prikker:

Baseret på disse diagrammer, svar på følgende spørgsmål:

Hvilken type materiale er den bedste leder af elektricitet, og hvorfor "# 4"> Reveal svar Skjul svar

Metaller er de bedste ledere af elektricitet, fordi mange af deres elektroner indtager "ledningsbåndet" ved normale temperaturer.
Isolatorer er de dårligste ledere af elektricitet, fordi en enorm mængde energi skal investeres, før en elektron kan "springe" over det store hul ind i ledningsbåndet.

Bemærkninger:

Jeg har givet mere information i svaret på dette spørgsmål end normalt for mig, fordi dette emne er ret komplekst. Et af de temaer, jeg forsøger at kommunikere i dette spørgsmål er, at halvledere ikke kun er ledere med en usædvanlig stor mængde modstand. Mekanismen for ledning i en ren halvleder er fundamentalt forskellig fra den af ​​et metal.

Selv om dette kan blive forvirrende, har elektrisk ledning i metalliske stoffer faktisk to forskellige former: en, hvor to elektronbånd overlapper hinanden (hvilket gør det muligt for elektroner at skyde ind i overbåndet og flytte mellem atomer) og et hvor det højeste "uudnyttede" elektronbånd kun er delvist fyldt (hvilket gør det muligt for elektroner at svinge ind i de øvre områder af det samme bånd og flytte mellem atomer). Hvorvidt denne sondring er værd at diskutere i detaljer, er et spørgsmål for dig at beslutte.

Spørgsmål 5

Desværre overskrider mange indledende lærebøger definitionen af ​​en halvleder ved at erklære dem at være stoffer, hvis atomer indeholder fire valence-shell (ydre niveau) elektroner. Silicon og germanium er traditionelt givet som de to vigtigste halvledermaterialer, der anvendes.

Der er dog mere til en "halvleder" end denne enkle definition. Tag for eksempel elementet carbon, som også har fire valenceelektroner ligesom silicium- og germaniumatomer. Men ikke alle former for kulstof er halvledende: Diamant er (ved høje temperaturer), men grafit er ikke, og mikroskopiske rør kendt som "carbon nanorør" kan fremstilles enten ledende eller halvledende ved blot at variere deres diameter og "twistrate".

Giv en mere præcis definition af, hvad der gør en "halvleder" baseret på elektronbånd. Også nævne nogle andre halvledende stoffer.

Reveal svar Skjul svar

Halvledende stoffer defineres ved størrelsen af ​​kløften mellem valens og ledningsbånd. I elementære stoffer er denne definition almindeligvis opfyldt i krystallinske materialer med fire valenceelektroner. Imidlertid opfylder også andre materialer båndgapskriteriet og er således også halvledere. Nogle få er opført her:

Galliumarsenid (GaAs)
Galliumnitrid
Siliciumkarbid
Nogle plastik (!)

Mens Gallium Arsenid er bredt brugt på tidspunktet for denne skrivning (2004), er de andre for det meste i udviklingsstadier. Men nogle af dem viser stort løfte, især galliumnitrid og siliciumcarbid i applikationer med høj effekt, høj temperatur og / eller høj frekvens.

Bemærkninger:

Jeg finder det frustrerende, hvor mange indledende elektronik tekster slår emnet halvlederfysik i et forsøg på at "dumme det ned" for teknikerforbruget, når disse unøjagtigheder virkelig forvirrer emnet. Desuden har jeg endnu ikke læst (oktober 2004) en indledende tekst, som endog genererer andre stoffer end silicium og germanium som halvledere, på trods af en stor forskning og udvikling inden for halvledermaterialer

Heldigvis tilbyder internettet et væld af up-to-date oplysninger om emnet, meget af det er simpelt nok til at begynde eleverne at forstå. Dette spørgsmål er designet til at få eleverne til at undersøge andre kilder end deres (dårligt skrevet) lærebøger.

Spørgsmål 6

Hvis et rent ("iboende") halvledermateriale opvarmes, frigiver den termiske energi nogle valencebåndelektroner ind i ledningsbåndet. De ledige stillinger i valensbåndet kaldes huller :

Hvis en elektrisk spænding påføres over det opvarmede halvledende stof, med positiv til venstre og negativ til højre, hvad vil dette gøre for energibåndene, og hvordan vil det påvirke både elektronerne og hullerne? // www.beautycrew. com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00903x02.png ">

Reveal svar Skjul svar

Tilstedeværelsen af ​​et elektrisk felt over materialets længde vil få båndene til at hælde, elektroner bevæger sig mod den positive side og hullerne mod det negative.

Bemærkninger:

Hul er vanskelige begreber til at forstå for nogle elever. En analogi finder jeg nyttigt for at forklare, hvordan fraværet af en elektron kan være om som en partikel, er at henvise til bobler af luft i vand. Når du ser luftbobler i et klart vandfyldt rør, ser det ud til at det er som om boblerne er diskrete partikler, selv om vi ved, at de rent faktisk er hulrum, hvor der ikke er vand. Og ingen bøjer sig ved tanken om at tildele retning og hastighed til bobler, selvom de ikke er noget mere end noget!

Princippet om energibånd, der skråner på grund af tilstedeværelsen af ​​et elektrisk felt, er meget vigtigt for eleverne at forstå, om de skal forstå operationen af ​​et PN-kryds. En analogi, der hjælper med at visualisere elektronen og hulbevægelsen, er at tænke på de to bånd (ledning og valens) som to forskellige rør, der kan bære vand. Det øverste rør (ledningsbåndet) er for det meste tomt, med kun dråber vand løber ned ad bakke. Bundrøret (valensbåndet) er for det meste fuld af vand, med luftbobler, der løber op ad bakke.

Et vigtigt punkt, jeg ønsker at kommunikere her er, at "hulstrøm" er ikke kun et spejlbillede af elektronledning. "Hulstrøm" er en fundamentalt forskellig mekanisme for elektron bevægelse. Elektroner er de eneste sande ladningsbærere i et hvilket som helst fast materiale, men "huller" betegnes almindeligvis "bærere", fordi de repræsenterer en let at følge markøren for valence-elektron bevægelse. Ved at henvise til "huller" som enheder til sig selv, skelner den bedre mellem de to former for elektron bevægelse (ledningsbånd mod valensbånd).

Noget du måske vil påpege for eleverne, hvis de ikke allerede har opdaget det gennem deres egen forskning, er at der ikke er noget som "hulstrøm" i metaller. I metaller forekommer 100% af ledningen gennem ledningsbånd-elektroner. Dette fænomen med dual-mode elektronstrøm forekommer kun, når der er et båndgab, der adskiller valens- og ledningsbåndene. Dette er interessant at bemærke, fordi mange tekster (selv nogle tekniske tekniske lærebøger på højt niveau!) Henviser til "konventionel strømning" nuværende notering som "hulstrøm", selv når strømmen findes i metaltråde.

Spørgsmål 7

I helt rene ("iboende") halvledere kan de eneste vejledningsbærere eksistere for valenselektroner at "springe" ind i ledningsbåndet med anvendelse af tilstrækkelig energi, der efterlader et hul eller en ledig plads bag i valensbåndet:

Med tilstrækkelig termisk energi vil disse elektronhullepar blive spontant. Ved stuetemperatur er denne aktivitet imidlertid lille.

Vi kan i høj grad forbedre ladningsbærerdannelsen ved at tilføje specifikke urenheder til halvledematerialet. Energistaterne af atomer, som har forskellige elektronkonfigurationer, "blærer ikke" præcist med elektronbåndene i moderhalvlederkrystallen, hvilket forårsager yderligere energiniveauer at danne.

Nogle typer urenheder vil få ekstra donorelektroner til at lure lige under kristallens hovedledningsbånd. Disse typer urenheder kaldes pentavalent, fordi de har 5 valenceelektroner pr. Atom i stedet for 4, da moderstoffet typisk besidder:

Andre former for urenheder vil forårsage ledige elektronniveauer ( acceptor "huller") til at danne lige over kristallens hovedvalensbånd. Disse typer urenheder kaldes trivalente, fordi de har 3 valenceelektroner pr. Atom i stedet for 4:

Sammenlign lethedigheden ved at danne ledninger af fri (ledbånd) elektroner i et halvledermateriale med masser af "donor"-elektroner, mod det af et iboende (rent) halvledermateriale. Hvilken type materiale vil være mere elektrisk ledende "# 7"> Reveal svar Skjul svar

Under påvirkning af termisk energi fra omgivende kilder bidrager pentavalente "donor" atomer til fri elektroner i ledningsbåndet:

På samme måde bidrager trivalente "acceptor" atomer til huller i valensbåndet:

I begge tilfælde øges tilsætningen af ​​urenheder til et ellers rent halvledermateriale antallet af tilgængelige ladningsbærere.

Bemærkninger:

Det vigtigste koncept for eleverne at forstå her er, at tilsætningen af ​​urenheder øger antallet af ledige ladestoffer i et halvledende stof. Hvad der i det væsentlige var en isolator i sin rene tilstand, kan gøres ledende i varierende grad ved at tilføje urenheder.

Spørgsmål 8

Beskriv forskellen mellem et indre og et extrinsisk halvledende stof.

Reveal svar Skjul svar

Et "iboende" halvledende materiale er helt rent. Et "ekstrinsisk" halvledermateriale har dopemiddel (er) tilsat til forbedret ledningsevne.

Bemærkninger:

Bare en simpel definition her, intet mere. Dette henvises let til i en introduktionskatalog.

Spørgsmål 9

Hvilken type stof (er) skal tilsættes til en indre halvleder for at producere "donor" elektroner "# 9"> Reveal svar Skjul svar

For at skabe donorelektroner skal du tilføje et stof med et større antal valenselektroner end basishalvledermaterialet. Når dette er gjort, kaldes det en halvleder af typen N-type .

For at skabe acceptorhuller skal du tilføje et stof med et mindre antal valenselektroner end basishalvledermaterialet. Når dette er gjort, kaldes det en halvleder P-type .

Opfølgningsspørgsmål: identificer nogle almindelige "donor" (N-type) og "acceptor" (P-type) doteringsmidler.

Bemærkninger:

Ved doping silicium- og germaniumsubstrater klassificeres de anvendte materialer som enten pentavalente eller trivalente stoffer. Spørg dine elever, hvilke af disse udtryk refererer til det større valensnummer, og som refererer til det mindste valensnummer.

Spørgsmål 10

Hvilken effekt har dopingkoncentrationen på elektrisk ledningsevne af en ekstrinsisk halvleder?

Reveal svar Skjul svar

Jo mere koncentreret "doping", desto større er konduktiviteten af ​​materialet.

Bemærkninger:

Et par tekniske termer anvendes i dette spørgsmål (doping, extrinsic). Sørg for at spørge dine elever om, hvad de betyder, hvis det kun er af hensyn til gennemgang. Spørg også dine elever om at svare deres svar med hensyn til ladetransportører.

Spørgsmål 11

Hvad skal der gøres med en indre halvleder for at omdanne den til en "N-type" halvleder?

Reveal svar Skjul svar

Der skal tilsættes et pentavalent doteringsmiddel til dannelse af donorelektroner.

Bemærkninger:

Der er ikke meget at kommentere her, da denne slags spørgsmål let kan besvares gennem forskning i en introduktionskatalog.

Spørgsmål 12

Hvad skal der gøres med en indre halvleder for at omdanne den til en "P-type" halvleder?

Reveal svar Skjul svar

Et trivalent doteringsmiddel skal tilsættes til det for at skabe acceptorhuller.

Bemærkninger:

Der er ikke meget at kommentere her, da denne slags spørgsmål let kan besvares gennem forskning i en introduktionskatalog.

Spørgsmål 13

Hvad er flertalsbærere i extrinsiske halvledere, og hvordan adskiller de sig fra minoritetsbærere ?

Reveal svar Skjul svar

"Majoritetsbærere" er de ladestyrere, der eksisterer ved den målbevidste tilføjelse af dopingelementer til materialet. "Minoritetsbærere" er den modsatte type ladetransportør, der kun befinder sig i en halvleder, fordi det er umuligt at fuldstændigt fjerne de urenheder, der genererer dem.

Bemærkninger:

Vi taler om rene halvledermaterialer og af "doping" -stykker af halvledermateriale med den rigtige mængde og type (er) af dopanter, men virkeligheden er, at det er umuligt at sikre perfekt kvalitetskontrol, og således vil der være andre urenheder i enhver halvlederprøve.

Bed dine elever om specifikt at identificere majoritets- og minoritetsladere for "extrinsiske halvledere" P og N. I hvert tilfælde er de elektroner eller huller?

Spørgsmål 14

Hvilken effekt har temperaturen på elektrisk ledningsevne af et halvledende materiale? Hvordan sammenligner dette med temperaturens virkning på elektrisk ledningsevne af et typisk metal?

Reveal svar Skjul svar

Halvledende materialer har en negativ temperaturkoefficient for resistens (α) -værdier, hvilket betyder, at deres resistens falder med stigende temperatur.

Bemærkninger:

Svaret på dette spørgsmål er en kort gennemgang af temperaturkoefficienter for modstand (α), for de studerende, der måske ikke husker emnet fra deres DC-kredsløbsstudier. Som altid er det vigtigste punkt i dette spørgsmål, hvorfor ledningsevnen stiger for halvledere. Bed dine elever om at forholde deres svar til begrebet ladestyrere i halvledende stoffer.

En interessant smule trivia du kan nævne for dine elever er, at glasset - normalt en fremragende isolator af elektricitet - kan laves elektrisk ledende ved opvarmning. Glas skal opvarmes, indtil det er rødt, før det bliver rigtig ledende, så det er ikke et let fænomen at demonstrere. Jeg fandt denne perle af et eksperiment i en gammel bog:

, første udgave (fjerde indtryk), copyright 1938, af Richard Manliffe Sutton, Ph.D.

Spørgsmål 15

Forklar, hvad Fermi-niveauet er for et stof.

Reveal svar Skjul svar

"Fermi-niveauet" er det højeste energiniveau, som elektroner vil opnå i et stof ved en temperatur på absolut nul.

Bemærkninger:

Det er nogle gange nyttigt at bruge analogier til illustrative formål. En analogi for Fermi-niveau er at forestille sig en gryde kogende vand, hvor vandmolekyler repræsenterer elektroner og højde repræsenterer energiniveau. Under omgivelsestemperaturforhold er der mange vandmolekyler (elektroner), der forlader væskens overflade, og nogle der vender tilbage til det. Køle potten under kogepunktet, og alle vandmolekylerne vender tilbage til væsken, hvor det øverste niveau repræsenterer Fermi-niveauet i et stof.

Spørgsmål 16

Tegn de omtrentlige placeringer af Fermi niveauerne i disse tre energiniveau diagrammer:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Bemærk, hvor meget Fermi-niveauet påvirkes af tilsætning af doteringsmidler til et ellers rent halvledende materiale. Forståelse af denne effekt er afgørende for forståelsen af ​​PN-halvlederkrydsninger.

Spørgsmål 17

Et fascinerende eksperiment udført af JR Hayes og W. Shockley i begyndelsen af ​​1950'erne involverede en bar af N-doteret germanium med to metalpunktkontakter mærket Ë "og" C "for henholdsvis" Emitter "og" Collector ":

Ved aktivering af kontakten blev der noteret to forskellige impulser på oscilloskopdisplayet:

Med mindre drift spænding (V drift ) påført over barens længde, blev den anden puls betragtet som yderligere forsinket og mere diffunderet:

Den øjeblikkelige virkning af den første puls (præcist timet med lukningen af ​​kontakten) er ikke den mest interessante facet af dette eksperiment. Snarere er den anden (forsinkede) puls. Forklar, hvad der forårsagede denne anden puls, og hvorfor dens form afhang af V drift .

Reveal svar Skjul svar

Den anden puls opstod fra en "sky" af huller injiceret i N-type germaniumstangen fra punktkontaktemitteren. V drift leverede et elektrisk felt for at gøre disse huller "drift" fra venstre mod højre gennem stangen, hvor de til sidst blev detekteret af kollektorens punktkontakt.

Bemærkninger:

Denne tidbit af halvlederhistorik blev fundet i

af R. Ralph Benedict på side 113 og 114. Som mange andre tekniske lærebøger fra 1950'erne og 1960'erne er denne publikation straks en skattekiste af teknisk information og en klarhedsmodel. Jeg ønsker kun, at håndbøgerne i teknikkerne i dag kunne være så klare som tekniske lærebøger for årtier siden. Som du måske har gættet, glæder jeg mig over at have brugt brugte boghandlere på jagt efter vintage engineering tekster!

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →