Полупроводники, PN-переходы, диоды, транзисторы, полевые трубки
2024-11-05
Полупроводник
Элементы, из которых состоит полупроводник, такие как кремний (si), германий (ge), в наружном слое которых находятся четыре электрона, эти четыре электрона нелегко запустить, но не можно не запустить, можно немного запустить, то есть, например, запустить.
Внутренний полупроводник
Если кремний сформирован в кристалл, каждый атом которого делит крайние электроны, он становится внутренним полупроводником.
Чистый полупроводник с кристаллической структурой называется внутренним полупроводником.
Затем необходимо знать несколько терминов: носитель, дырка, свободный электрон,
Дырка, свободный электрон
Заряд - это не что иное, как положительный и отрицательный заряд, атом кремния теряет электрон, затем становится ионами кремния, а представленные как +1, называются ионами кремния с валентным зарядом +1. Когда крайний электрон атома кремния отрывается от атомного ядра, то есть запускает электрон, электрон заряжается отрицательно.
Когда есть свободный электрон, должна быть и вакансия, эту вакансию называют дырой. Вообще говоря, считается, что дыра положительно заряжена, но на самом деле положительно заряженные ионы кремния. Свободные электроны могут перемещаться, дырки тоже, а перемещение дырок - это перенос дырок. Например, атом моллюска теряет электрон, и появляется дыра, а затем вырвавшийся свободный электрон заполняет другую дыру. Такое действие, в понимании, считается перемещением дырки.
Носитель
Носители:Частицы, которые несут электрический заряд, называются носителями.
В общем случае, проводники являются проводящими, по сути, большое количество свободных электронов совершает направленное движение, в этом случае свободные электроны являются носителями.
В случае с внутренними полупроводниками, вообще говоря, при комнатной температуре внутренние полупроводники набирают мало энергии, то есть появляется лишь небольшое количество свободных электронов и дырок. Но это не имеет значения, пока они появляются, существует электрический ток, и поэтому в собственном полупроводнике есть два вида носителей - дырки и свободные электроны.
Внутреннее возбуждение
Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике при тепловом возбуждении.
Комбинация
Комбинация свободных электронов и дырок называется компаундированием
PN-переход
Полупроводник N-типа
Что происходит с атомом бора в собственном полупроводнике?
Очевидно, что атом бора имеет пять электронов в своем внешнем слое, и только четыре могут образовывать ковалентные связи с электронами окружающих атомов бора, оставляя оставшийся один в качестве свободного электрона. Не задавайтесь вопросом, почему именно такая структура, - целью создания этого вещества было получить вещество с такой структурой.
Носители большинства
Итак, в зависимости от количества добавленных атомов бора (обычно называемого концентрацией), внутри полупроводника появляется соответствующее количество дополнительных свободных электронов. Поскольку свободных электронов больше, свободные электроны называются носителями большинства, а соответствующие дырки - носителями меньшинства. Сокращенно их называют мультиплет и миноритарий.
Ключевые моменты
Начальные условия.
1.собственный полупроводник:кристаллическая структура, образованная четырехвалентными атомами кремния, где внешний слой каждого атома является общим для образования ковалентных связей.
2.атомы-допанты:атомы бора, пятивалентные, в небольших количествах.
Как показано на диаграмме полупроводников N-типа выше, полупроводник N-типа образуется, когда атомы бора добавляются к внутреннему полупроводнику.
В отсутствие бора допирование до внутреннего полупроводника будет происходить за счет внутреннего возбуждения, ковалентная связь в электроне будет выходить из кремниевого ядра связи, свободно перемещаться, оставляя при этом дырку, в это время, если окружающие атомы кремния имеют дырку, свободный электрон будет заполнен, явление, возникающее при этом процессе, заключается в том, что дырка перемещается (на самом деле, положение заряженных ионов кремния, казалось, изменилось), и электроны также перемещаются! В собственных полупроводниках такое явление имеет место. В собственных полупроводниках такие движения происходят непрерывно, одно за другим, и такие «массивные» движения зарядов, т.е. движение носителей, могут привести к возникновению электрического тока. Обратите внимание, что именно наличие тока является критическим. Конечно, движение дырок - это, по сути, движение ионов кремния (положительно заряженных), хотя сами ионы кремния не движутся, но ионы кремния в определенном направлении непрерывно появляются и исчезают, разве это не эквивалент движения?
Итак, в собственном полупроводнике есть два вида носителей: один приносится свободными электронами, а другой - дырками. Почему же Вы утверждаете, что в обычном проводе дело обстоит иначе? Мы все знаем, что провод - это просто электроны, проводящие ток, и это происходит из-за направленного движения под действием разности потенциалов. В этом процессе атомы самого проводника не движутся, тем более не происходит образования ионов.
А в собственном полупроводнике, легированном атомами бора, атомы бора нейтральны, легированы, полупроводник в целом также естественно нейтрален. Но внутри полупроводника возникает ток.
В зависимости от концентрации легирующих атомов, их распределение внутри внутреннего полупроводника должно быть разным, но в целом легирование - это небольшое количество легирующих атомов по отношению к количеству атомов полупроводника. И при легировании требуется как можно более равномерное легирование, чтобы внутренний ток был равномерным. Таким образом, чем выше концентрация, тем плотнее должен быть слой, а чем ниже - тем разреженнее, и эта информация не столь критична.
Ключевым моментом является то, что крайние электроны атомов кремния и бора образуют ковалентную связь, но у атома бора будет дополнительный электрон, и этот электрон также отсоединится и образует свободный электрон, когда для этого будут подходящие условия. После отсоединения атом бора также образует дырку, и тогда атом бора становится ионом бора, но поскольку атом бора находится на востоке и западе, вокруг свободного электрона нет дырки, которую можно было бы заполнить, не говоря уже о движении дырки, просто во внутреннем полупроводнике образуется локальный положительный заряд. Обратите внимание, что эта ситуация описывает атомы кремния вокруг атомов бора не производят дырок из-за теплового возбуждения, то есть только один из электронов атома бора становится свободным электроном, и тогда нет дыры вокруг свободных электронов, свободные электроны должны идти везде, свободные электроны должны идти везде.
Обратите внимание, что в этом и заключается разница между внутренним возбуждением, производящим ток, и атомом бора, производящим свободные электроны и дырки. Процесс внутреннего возбуждения непрерывен, происходит от атома к атому, в то время как атом бора выходит за пределы электрона, или позиции, не образующей ковалентных связей, нельзя сказать, что при производстве свободного электрона, вокруг должна быть дыра, так что образуется непрерывный поток электронов и дыр.
Поэтому свободные электроны, принесенные легирующими атомами, в конечном итоге переместятся внутрь внутреннего полупроводника. В самом внутреннем полупроводнике из-за теплового возбуждения также существует определенное количество свободных электронов и дырок, но это количество очень мало, обычно считается, что оно меньше, чем количество свободных электронов, принесенных легирующими электронами.
Таким образом, определение внутреннего возбуждения для приведения числа свободных электронов и дырок таково: ben_a, ben_b. Легированные атомы для приведения числа свободных электронов таковы: can_a. и can_a > ben_a = ben_b, легированные атомы для приведения дырок не заботятся об этом, та же часть положительного электричества не может сформировать ток трубки, что она и делает. Итак, внутри полупроводника N-типа: количество свободных электронов (ben_a + can_a) > количества дырок (ben_b).
Вот почему в полупроводниках N-типа свободные электроны - это мультиплеты, а дырки - олигоны, причем мультиплеты намного опережают дырки, поэтому считается, что в полупроводниках N-типа именно свободные электроны проводят электричество.
Что касается того, почему он называется N-типом, то свободные электроны - это мультиплеты, а инициалы - negative (отрицательный). Таким образом, это можно записать так: легирование бора в кремний, бор 5 валентен, принесет свободные электроны, поэтому он отрицательный, поэтому легированный бор - это полупроводник N-типа.
Полупроводник P-типа
Полупроводники P-типа легированы бором, который имеет три электрона в своем внешнем слое.
Очевидно, что у атома фосфора на один электрон меньше для образования ковалентной связи с кремнием, поэтому здесь много дырок. В полупроводнике P-типа дырок много, а свободных электронов меньше, по той же причине, что и в полупроводнике N-типа.
В самом внешнем слое атома фосфора есть ковалентная связь, в которой на один электрон меньше, поэтому количество дырок там должно быть намного больше, что более понятно, чем в полупроводниках N-типа.
POSITIVE (положительный), отсюда и название полупроводника P-типа.
К этому моменту необходимо знать следующую информацию:Чем больше примесей допировано в примесный полупроводник (то есть полупроводники N-типа и P-типа), тем ниже концентрация олигонов. Поскольку олигоны возникают в результате теплового возбуждения, чем больше примесей легировано при комнатной температуре, тем легче легированным мультиплетам объединяться с олигонами, и количество олигонов становится меньше. Однако, поскольку количество олигонов определяется тепловым возбуждением, более высокая температура также влияет на концентрацию полионов.
PN-переход
PN-переход обладает однонаправленной проводимостью.
Вещества всегда перемещаются из места с высокой концентрацией в место с низкой концентрацией, это перемещение из-за разницы концентраций называется диффузионным движением
Полупроводники N-типа, в которых атом примеси отдает электроны, называются атомами-донорами; полупроводники P-типа, в которых атом примеси поглощает электроны, называются атомами-хозяевами.
Под действием силы электрического поля движение носителей называется дрейфовым движением.
Кремниевая пластина, легированная атомами фосфора с одной стороны и атомами бора с другой, превращается в структуру с полупроводником P-типа на одной стороне и полупроводником N-типа на другой.
Согласно предыдущим знаниям, в полупроводниках как P-типа, так и N-типа существуют мультиплеты, дырки в P-типе и свободные электроны в N-типе. Поэтому в данном случае концентрация полионов --> дырок в P-области выше, чем в N-области, и аналогично концентрация полионов --> свободных электронов в N-области выше, чем в P-области, тогда из-за диффузионного движения часть дырок в P-области переходит в N-область, а часть свободных электронов в N-области переходит в P-область, и каждый из них объединяется с атомом-донором и атомом-акцептором, и тогда образуется область пространственного заряда. Затем образуется электрическое поле, и под действием силы электрического поля олигоны с обеих сторон снова подвергнутся дрейфовому движению, причем их количество будет таким же, как и количество полионов, участвующих в диффузионном движении, и, наконец, область пространственного заряда достигнет динамического равновесия и образует PN-переход.
Объяснение вышеприведенного параграфа приведено в соответствии с содержанием учебника. В понимании, чтобы так понять процесс образования PN, но на самом деле подумайте об этом, неважно как, в таком полупроводнике, может двигаться не только электрон, тогда в области N есть избыток электронов для формирования тока, в области P и недостаток электронов, тогда в области N электроны не должны перебегать в область P, а. И не то чтобы все перебежали, ведь электроны должны двигаться, чтобы иметь энергию для выхода из дырки, источником этой энергии является тепло, поэтому возьмем общее тепло, например, в случае комнатной температуры, только часть электронов перебежит в область P и комбинацию дырок, а затем, образуется область пространственного заряда.
Область пространственного заряда также называется обедненным слоем.
Однонаправленная проводимость
Подключение положительной клеммы источника питания к клемме P, а отрицательной - к клемме N называется приложением положительного напряжения к PN-переходу, также известным как положительное подключение и положительное смещение.
В этом случае внешнее электрическое поле выталкивает соответствующие мультиплеты в обедненный слой, что приводит к сужению обедненного слоя. Когда обедненный слой сужен, дрейфовое движение ослабевает, в то время как диффузионное движение продолжается непрерывно, и PN-переход проходит, а затем проходит и весь полупроводниковый ток.
Положительное смещение, P положительное, N отрицательное, с более широкой точки зрения, можно рассматривать как притяжение с обоих концов, то есть положительное напряжение на P конце P области толкает P область мультиплета (положительные ионы) двигаться к обедненному слою, N область обратного напряжения толкает N область мультиплета (свободные электроны) к обедненному слою. В целом, обедненный слой становится меньше. Обедненный слой меньше, а это значит, что внутреннее электрическое поле является меньшим препятствием для концов, и тогда ток проходит естественным образом.
И с более детальной точки зрения, или с точки зрения движения свободных электронов, чтобы проанализировать, потому что в любом случае, в проводнике действительно могут двигаться или свободные электроны. Итак, когда подается прямое смещение, в полупроводник на N-конце, который является N-областью, постоянно поступает поток электронов, и затем электроны продолжают заполнять область положительных ионов обедненного слоя, и N-область медленно расширяется. В то же время, отрицательная ионная область обедненного слоя, конечно же, также будет иметь некоторое количество электронов, вытекающих из P-конца, и P-область будет медленно расширяться. В целом, получается, что область PN расширяется, а обедненный слой сжимается. Причина, по которой обедненный слой не исчезает полностью, заключается в том, что установка такова, что напряжение не считается очень высоким, иначе он бы просто сгорел. Итак, когда обедненный слой сжимается до определенной степени, та же разность потенциалов внутреннего электрического поля не может препятствовать потоку электронов, приносимых внешним электрическим полем, а это значит, что ток в полупроводнике протекает.
Затем, когда напряжение прикладывается в обратном направлении, что является обратным процессом, обедненный слой увеличивается, так что способность внутреннего электрического поля остановить поток тока становится еще больше. Тогда легко представить себе чудо огромной силы. Хотя внутреннее электрическое поле может остановить течение тока, при условии, что внешнее напряжение достаточно велико, оно может прорваться через препятствие и непосредственно проникнуть в обедненный слой, и ток будет проходить тем же путем, что называется обратным пробоем.
Пробой Зенера
При изготовлении полупроводников с примесями есть выбор между высоко- и низколегированными, но, конечно, концентрация относительна. При высоком легировании концентрация большинства носителей (например, полупроводника N-типа в электроне или полупроводника P-типа в дырке) очень высока, они будут быстро и другой тип примесных атомов для композита, чтобы сформировать более узкую зону обеднения, тогда в этом случае, как видно из формулы: E (напряженность электрического поля) = VN (ширина), не так много обратного напряжения может быть в слое обеднения при формировании очень сильного электрического поля. Как появилась эта формула, не имеет значения. Сильное электрическое поле напрямую разрушит ковалентные связи и создаст свободные электроны, после чего ток резко возрастет и PN-переход будет пробит, что также называется пробоем Зенера.
Лавинный пробой
Лавинный пробой - это случай, когда при низкой степени легирования, когда обедненный слой шире, когда обратное напряжение велико до определенного значения, на обедненный слой действует электрическое поле, чтобы меньшие ускорить скорость дрейфа, так что ковалентная связь со столкновением электронов в ковалентной связи, будет выбита из ковалентной связи, новые свободные электроны попадут в другие валентные электроны, носители будут лавинообразно умножаться, то есть ток увеличится, затем PN-переход будет пробит, также известный как лавинный пробой.
Диод
PN-переход заключают в капсулу и добавляют выводы, чтобы получился диод.
Кристаллический триод
Триоды имеют два PN-перехода и классифицируются как триоды типа NPN и триоды типа PNP в зависимости от назначения, схемы которых приведены ниже:
Область базы, область коллектора, область эмиссии разделена на три области: область базы очень тонкая и с низкой концентрацией примесей, область эмиссии сильно легирована, область коллектора обычно легирована с высокой концентрацией и большой площадью. Его выводы с трех концов также известны как база, эмиттер, коллектор.
Усиление транзистора
Усиление транзисторов проявляется в том, что небольшой базовый ток может управлять большим коллекторным током.
Возьмем в качестве примера триод типа NPN. Когда прямое напряжение прикладывается к эмиттерному переходу триода (обратите внимание, что это эмиттерный переход, который находится внутри триода), а обратное напряжение прикладывается к коллекторному переходу, триод обладает эффектом усиления тока.
Сначала эмиттерный переход, поскольку к нему приложено прямое напряжение, мультиплеты в эмиттерной области являются свободными электронами, а концентрация примесей в эмиттерной области все еще высока, поэтому большое количество электронов будет направляться в базовую область. В то же время в базовой области полионы, то есть дырки, также будут бежать к эмиссионной области, но базовая область очень тонкая, а концентрация примесей низкая, поэтому дырок там не так много, поэтому образование тока невелико, и его игнорируют, поэтому в эмиттере будет ток, образованный в основном свободными электронами эмиссионной области, осуществляющими диффузионное движение, то есть IE.
Во-вторых, эмиссионный переход смещен вперед, то есть база соединена с положительным полюсом, тогда в области базы обязательно будут оттекать электроны из базы; в то же время количество дырок в области базы очень мало, ведь ее площадь мала (при этом площадь описывается как малая (хотя и неточно, но злоупотребление большой элегантностью) и концентрация примесей низкая, поэтому из области эмиссии свободные электроны только часть свободных электронов или немного могут объединиться с дырками, но скорость объединения высока, ведь пространство тоже не велико. . Таким образом, с одной стороны дырки склеиваются, с другой стороны электроны постоянно уходят из базы, образуется ток IB. Обратите внимание, что VCC больше, чем VBB, что является условием работы усилительной цепи.
Наконец, поскольку коллекторный переход имеет обратное смещение, свободные электроны, поступающие из области эмиттера в область базы, возвращаются обратно в область коллектора. Коллектор соединен с положительным полюсом, и самоцентрирующиеся электроны естественным образом притягиваются к нему. Конечно, диффузионным током ICBO, который образуется из-за коллекторного перехода, можно пренебречь, поскольку область коллектора легирована в общей концентрации, но пространство велико, и этот ток невелик. Ток в области коллектора по-прежнему в основном IC, образующийся за счет диффузии свободных электронов.
Так как же он расширяется? Например, если в базовой области есть электрон, выходящий из базового электрода, то будет очень много свободных электронов, идущих из излучающей области в базовую область, чтобы захватить пустое пространство, оставленное этим одним электроном, а затем остальные свободные электроны снова пойдут в коллекторную область. Таким образом, становится ясно, что между IB и IC существует мультипликативная зависимость.
Таким образом, в целом, можно получить больший ток IC, не имея большого тока IB.
Трубка с эффектом поля
Полевая лампа - это полупроводниковый прибор, использующий эффект электрического поля входной цепи для управления током выходной цепи. Она проводит электричество по мажоритарным носителям и также известна как униполярный транзистор, который подразделяется на две различные структуры: с переходом и с изолированным затвором.
Полевые транзисторы с переходом
Полевые транзисторы с переходом делятся на два типа: N-канальные и P-канальные.
Это трубка с N-канальным полевым эффектом с одним полупроводником N-типа в корпусе и двумя высоколегированными полупроводниками P-типа по обе стороны. Исходя из этой информации, должно быть ясно, что оба PN-перехода относительно тонкие. Также должно быть понятно, что область P смещена вперед и является проводящей, когда подключена к положительному напряжению; и смещена назад и отсекается, когда подключена к отрицательному напряжению.
Когда напряжение на переходах gs и ds равно 0, средний канал все еще остается широким.
Затем продолжайте держать напряжение на ds равным 0, постепенно увеличивайте gs, и gs будет обратно смещен, тогда PN-переход станет больше, как показано здесь:
В этом случае сопротивление паза постепенно увеличивается, и в конце концов он закрывается.
Таким образом, сопротивление велико, что, по-видимому, полезно для предотвращения повреждения цепи большими токами. И поскольку он управляется только напряжением as, напряжение в момент закрытия называется напряжением отсечки, а напряжение в момент закрытия - напряжением отсечки.
Тогда, когда gs придается значение где-то в диапазоне от 0 до напряжения запирания, так что средний канал открыт, и на этот раз напряжение на ds делается немного больше, будет ток от d к s (внешне от s к d, внутренне от d к s), и это будет выглядеть так:
Что касается того, почему конец вблизи s-полюса должен быть больше, то это связано с тем, что вблизи стока обедненный слой шире из-за высокой напряженности электрического поля, и соответствующий проводящий канал более узкий. В то время как вблизи электрода источника напряженность электрического поля меньше, обедненный слой более узкий, а проводящий канал относительно шире.
Ugd=Ugs-Uds, тогда увеличение Uds уменьшает Ugd, а уменьшение Ugd приводит к увеличению обедненного слоя вблизи d-полюса, что может привести к образованию области пинч-офф на d-полюсе. Но пока этого не происходит, сопротивление траншеи по-прежнему зависит от Ugs, и тогда увеличение Uds увеличивает ток iD. Когда Uds увеличивается до значения, равного Ugs, на d-полюсе появляется зона защемления, и, продолжая увеличивать Uds, она распространяется на s-полюс:.
При Ugd=Ugs-Uds< напряжения отсечки, Uds - постоянная величина, для определенного Ugs существует определенный iD, поэтому можно контролировать размер iD, управляя Ugs, что и является ролью этой N-канальной полевой трубки с переходом.
Полевая трубка с изолированным затвором (mos tube)
Полное название: Полевой транзистор с изолированным затвором, Полевой транзистор с изолированным затвором, Полевой транзистор с изолированным затвором, Полевой транзистор с изолированным затвором, Полевой транзистор с изолированным затвором.
Трубка с изолированным затвором названа так потому, что затвор и исток, затвор и сток изолированы изолирующим слоем S02. А поскольку в качестве затвора используется металлический алюминий, она также известна как MOS-трубка. Ее сопротивление затвор-исток намного больше, чем у полевой трубки с переходом, и составляет 10 и более процентов, но также потому, что она лучше, чем полевая трубка с переходом, стабильна по температуре, процесс интеграции прост, и широко используется в крупномасштабных и сверхкрупномасштабных интегральных схемах.
Трубка Mos также имеет N-канал и P-канал двух категорий, каждая категория делится на улучшающий и обедняющий тип, поэтому их четыре: N-канальный улучшающий тип, N-канальный обедняющий тип, P-канальный улучшающий тип, P-канальный обедняющий тип.
Напряжение затвор-исток Ugs равно нулю, когда ток стока также равен нулю, - это трубки улучшающего типа, напряжение затвор-исток Ugs равно нулю, когда ток стока не равен нулю, - это трубки обедняющего типа. Принципы их работы и характеристики рассмотрены ниже.
При изменении напряжения затвор-источник изменяется величина индуцированного заряда на подложке вблизи изолирующего слоя, таким образом, контролируя величину тока стока, что и является ролью этой мошной трубки.
gs прямое смещение, проводимость, полюс g соединен с положительным полюсом, будет притягивать электроны, большое количество электронов образует канал, поэтому в двух полупроводниках N-типа между каналом N, полюс d будет иметь энергию!
Проще говоря, когда не подключен внешний источник питания, внутренняя трубка mos, от d к s, конечно, не проходит, там находится PN-переход. А в d-полюс и s-полюс после добавления положительного тока, два PN-перехода проводят отсечку, d к s не проходит, в это время и затем в q-полюс и s-полюс добавляют положительное напряжение, то есть g-полюс подключают к положительному полюсу, тогда g-полюс с той стороны будет притягивать свободные электроны, образуя дорожку. Тогда величина напряжения gs, безусловно, может контролировать величину тока в пути, то есть величину тока в d-полюсе.
