Pengaliran Elektrik dalam Semikonduktor

SCLM-Jenis Semikonduktor (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Pengaliran Elektrik dalam Semikonduktor

Peranti dan Litar Semikonduktor Diskret


soalan 1

Dalam mana-mana bahan konduktif elektrik, apakah pembawa caj "# 1"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

"Pengangkut berlesen" adalah mana-mana zarah yang mempunyai cas elektrik, yang pergerakannya yang diselaraskan melalui bahan merupakan arus elektrik. Jenis bahan yang berlainan mempunyai pembawa caj berbeza:

Logam: elektron "bebas" (konduktor-band)
Semikonduktor: elektron dan lubang
Cecair: ion

Nota:

Logam adalah bahan paling mudah untuk memahami dengan merujuk kepada pengalihan elektrik. Tunjukkan kepada pelajar anda bahawa kesederhanaan ini menjadikan konduksi logam begitu mudah untuk model matematik (Ohm's Law, E = IR).

Soalan 2

Model konseptual biasa elektron dalam atom adalah model "planet", dengan elektron digambarkan sebagai satelit yang mengorbit berputar-putar di sekeliling "planet" nukleus. Ahli fizikal Ernest Rutherford dikenali sebagai pencipta model atom ini.

Penambahbaikan yang besar terhadap model konseptual atom ini berasal dari Niels Bohr, yang memperkenalkan idea bahawa elektron menghuni "negeri pegun" di sekeliling nukleus atom, dan hanya dapat menganggap keadaan baru dengan cara lonjakan kuantum : tiba-tiba " melompat "dari satu tahap tenaga ke yang lain.

Apa yang menyebabkan Bohr mengemukakan cadangan radikalnya "lonjakan kuantum" sebagai alternatif kepada model Rutherford? Bukti eksperimen mana yang menyebabkan para saintis meninggalkan model planet atom yang lama, dan bagaimana bukti ini berkaitan dengan elektronik moden?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Hakikat bahawa elektron atom mendiami "tenaga" kuantiti tenaga yang dibuktikan oleh panjang gelombang ciri yang dipancarkan oleh atom-atom tertentu apabila mereka "teruja" oleh sumber tenaga luaran. Model planet Rutherford tidak dapat menjelaskan tingkah laku ini, oleh itu keperluan untuk model baru atom.

Elektronik semikonduktor dimungkinkan oleh "revolusi kuantum" dalam fizik. Perjalanan semasa elektrik melalui semikonduktor adalah mustahil untuk menjelaskan dengan jelas selain teori kuantum.

Soalan cabaran: fikirkan eksperimen yang boleh dilakukan di dalam kelas untuk menunjukkan panjang gelombang ciri yang dipancarkan oleh atom "teruja".

Nota:

Ia tidak meremehkan untuk mengatakan bahawa kedatangan teori kuantum mengubah dunia, kerana ia memungkinkan elektronik pepejal keadaan moden. Walaupun subjek teori kuantum boleh menjadi rumit, aspek-aspek tertentu adalah penting untuk memahami konduksi elektrik dalam semikonduktor.

Saya merasakan setiap kali saya membaca buku teks elektronik pengenalan membincangkan elektron yang mengorbit nukleus atom seperti satelit kecil "yang ditahan di orbit oleh tarikan elektrostatik dan daya sentrifugal". Kemudian, beberapa halaman kemudian, buku-buku ini mula bercakap mengenai band valensi, band-band pengaliran, zon terlarang, dan pelbagai fenomena lain yang sama sekali tidak masuk akal dalam model planet atom, tetapi hanya masuk akal dalam pandangan kuantum (di mana elektron hanya "dibenarkan" untuk menghuni keadaan tenaga diskret tertentu di sekeliling nukleus).

Sekiranya tiada pelajar anda dapat menjawab soalan cabaran, anda boleh memberikan petunjuk ini: lampu pelepasan gas (neon, hidrogen, wap merkuri, natrium, dll)!

Soalan 3

Dalam atom-atom yang bersendirian, elektron bebas untuk menghuni hanya beberapa keadaan tenaga diskret tertentu. Walau bagaimanapun, dalam bahan pepejal di mana terdapat banyak atom yang berdekatan dengan satu sama lain, kumpulan - kumpulan bentuk tenaga negara. Jelaskan apa yang dimaksudkan untuk menjadi "band" tenaga dalam bahan pepejal, dan mengapa bentuk "band" ini.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Prinsip Pengecualian Pauli menyatakan bahawa "Tidak ada dua elektron yang dekat dengannya boleh menghuni keadaan kuantum yang sama." Oleh itu, apabila banyak atom dibungkus bersama-sama di dekatnya, keadaan elektron individu mereka memindahkan tahap tenaga sedikit untuk menjadi kumpulan tenaga yang berterusan.

Nota:

Mintalah pelajar anda untuk memikirkan analogi untuk menggambarkan prinsip ini. Di manakah kita melihat pelbagai, entiti individu bergabung bersama untuk membentuk keseluruhan yang lebih besar (berterusan)?

Soalan 4

Jurutera dan saintis sering menggunakan gambar rajah jalur tenaga untuk menggambarkan secara grafik tahap tenaga elektron dalam bahan yang berlainan. Elektron ditunjukkan sebagai titik pepejal:

Berdasarkan gambarajah ini, jawab soalan-soalan berikut:

Bahan yang manakah merupakan konduktor terbaik elektrik, dan mengapa "# 4"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Logam adalah konduktor elektrik yang terbaik, kerana banyak elektron mereka menduduki "konduksi band" pada suhu normal.
Penebat adalah konduktor elektrik yang paling teruk, kerana sejumlah besar tenaga mesti dilaburkan sebelum elektron boleh "melompat" merentasi jurang yang besar ke dalam jalur konduksi.

Nota:

Saya telah memberikan lebih banyak maklumat dalam jawapan kepada soalan ini daripada biasa untuk saya, kerana subjek ini agak rumit. Salah satu tema yang saya cuba untuk berkomunikasi dalam soalan ini ialah bahawa semikonduktor bukan sekadar konduktor dengan jumlah rintangan yang sangat tinggi. Mekanisme pengaliran dalam semikonduktor tulen pada asasnya berbeza daripada logam.

Walaupun ini dapat mengelirukan, pengaliran elektrik dalam bahan logam sebenarnya mempunyai dua bentuk yang berlainan: satu di mana dua jalur elektron bertindih (membenarkan elektron melayang ke jalur atas dan bergerak di antara atom), dan satu di mana band elektron "tidak dikehendaki" tertinggi hanya sebahagiannya diisi (membenarkan elektron melayang ke kawasan atas band yang sama dan bergerak di antara atom). Sama ada pembezaan ini berbaloi untuk dibincangkan secara terperinci adalah perkara yang perlu anda buat.

Soalan 5

Malangnya, banyak buku teks pengantar melampaui definisi semikonduktor dengan mengisytiharkan mereka menjadi bahan yang atomnya mengandungi empat elektron valensi (paras paras) elektron. Silikon dan germanium secara tradisi diberikan sebagai dua bahan semikonduktor utama yang digunakan.

Walau bagaimanapun, terdapat lebih banyak "semikonduktor" daripada definisi mudah ini. Ambil contohnya unsur karbon, yang juga mempunyai empat elektron valensi seperti atom silikon dan germanium. Tetapi tidak semua bentuk karbon adalah semikonduktor: berlian adalah (pada suhu tinggi), tetapi grafit tidak, dan tiub mikroskopik yang dikenali sebagai "nanotube karbon" boleh dibuat sama ada melakukan atau semikonduktor hanya dengan mengubah diameter dan "twist rate."

Berikan takrif yang lebih tepat mengenai apa yang menjadikan "semikonduktor, " berdasarkan kumpulan elektron. Juga, namakan beberapa bahan semikonduktor lain.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Bahan semikonduktif ditakrifkan oleh saiz jurang antara band valensi dan konduksi. Dalam unsur-unsur unsur, definisi ini biasanya dipenuhi dalam bahan-bahan kristal yang mempunyai empat elektron valens. Walau bagaimanapun, bahan lain juga memenuhi kriteria jurang band dan oleh itu juga semikonduktor. Beberapa disenaraikan di sini:

Gallium arsenide (GaAs)
Gallium nitride
Silikon karbida
Beberapa plastik (!)

Walaupun Gallium Arsenide digunakan secara meluas pada masa penulisan ini (2004), yang lain kebanyakannya dalam peringkat pembangunan. Bagaimanapun, sebahagian daripadanya menunjukkan janji besar, terutamanya galium nitrida dan karbida silikon dalam penggunaan kuasa tinggi, suhu tinggi, dan / atau frekuensi tinggi.

Nota:

Saya dapati ia mengecewakan berapa banyak teks elektronik pengantar memusnahkan subjek fizik semikonduktor dalam usaha untuk "membuangnya" untuk kegunaan juruteknik, padahal sesungguhnya ketidaktepatan ini benar-benar menghalang subjek. Selain itu, saya masih belum membaca (Oktober 2004) teks pengantar yang menyinggung bahan lain selain daripada silikon dan germanium sebagai semikonduktor, walaupun banyak penyelidikan dan pembangunan yang berlaku dalam bidang bahan semikonduktor

Syukurlah, internet menyediakan banyak maklumat terkini tentang subjek ini, yang cukup mudah untuk dimulakan oleh para pelajar. Persoalan ini direka untuk mendapatkan pelajar menyelidik sumber selain daripada buku teks mereka yang kurang baik.

Soalan 6

Jika bahan semikonduktor tulen ("intrinsik") dipanaskan, tenaga termal membebaskan beberapa elektron band-valence ke dalam konduksi band. Kekosongan yang ditinggalkan dalam kumpulan valensi dipanggil lubang :

Sekiranya voltan elektrik digunakan merentasi bahan semikonduktif yang dipanaskan, dengan positif di sebelah kiri dan negatif di sebelah kanan, apakah yang akan dilakukan kepada band tenaga, dan bagaimana ini akan menjejaskan kedua-dua elektron dan lubang "// www.beautycrew. com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00903x02.png ">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kehadiran medan elektrik merentasi panjang bahan akan menyebabkan gelung ke cerun, elektron bergerak ke arah sisi positif dan lubang ke arah negatif.

Nota:

Lubang adalah konsep sukar untuk dipahami oleh sesetengah pelajar. Analogi saya dapat membantu menjelaskan bagaimana ketiadaan elektron mungkin sebagai zarah adalah merujuk kepada gelembung udara di dalam air. Apabila melihat gelembung udara dalam tiub yang penuh dengan air, ia kelihatan seolah-olah gelembung adalah zarah diskret, walaupun kita tahu mereka benar-benar menjadi lompang di mana tidak ada air. Dan tidak ada yang menyangka idea memberikan arah dan mempercepatkan gelembung, walaupun mereka benar-benar bukan sesuatu!

Prinsip band tenaga yang meruncing kerana kehadiran medan elektrik amat penting bagi pelajar untuk memahami jika mereka memahami operasi PN simpang. Analogi yang membantu menggambarkan gerakan elektron dan lubang adalah untuk memikirkan dua kumpulan (pengaliran dan valensi) sebagai dua paip yang berbeza yang boleh membawa air. Paip atas (jalur konduksi) kebanyakannya kosong, dengan hanya titisan air yang mengalir menuruni bukit. Paip bawah (jalur valensi) kebanyakannya penuh dengan air, dengan gelembung udara yang mengalir naik.

Satu perkara utama saya ingin berkomunikasi di sini adalah bahawa "aliran lubang" bukan hanya imej cermin pengaliran elektron. "Aliran lubang" adalah mekanisme gerakan elektron yang asasnya berbeza. Elektron adalah satu-satunya pembawa caj sebenar dalam mana-mana bahan pepejal, tetapi "lubang" biasanya dirujuk sebagai "pembawa" kerana ia mewakili satu gerakan mudah untuk mengikuti jejak valensi elektron. Dengan merujuk kepada "lubang" sebagai entiti kepada diri mereka, ia lebih baik membezakan kedua-dua bentuk gerakan elektron (konduksi-band berbanding valence-band).

Sesuatu yang anda mungkin ingin menunjukkan kepada pelajar, jika mereka belum menemuinya melalui penyelidikan mereka sendiri, adalah tidak ada apa-apa "aliran lubang" dalam logam. Dalam logam, 100% pengaliran berlaku melalui elektron konduksi-band. Fenomena aliran elektron dua mod hanya berlaku apabila terdapat jurang band yang memisahkan valensi dan band konduksi. Ini adalah menarik untuk diperhatikan, kerana banyak teks (walaupun beberapa buku teks kejuruteraan peringkat tinggi!) Merujuk kepada notasi semasa "aliran konvensional" sebagai "lubang aliran, " walaupun semasa wujud dalam wayar logam.

Soalan 7

Dalam semikonduktor yang sempurna tulen ("intrinsik"), satu-satunya cara pembawa caj boleh wujud ialah untuk elektron valensi untuk "melompat" ke dalam jalur konduksi dengan penggunaan tenaga yang mencukupi, meninggalkan lubang, atau kekosongan, di belakang dalam kumpulan valensi:

Dengan tenaga terma yang mencukupi, pasangan elektron-lubang ini akan membentuk secara spontan. Walau bagaimanapun, pada suhu bilik, aktiviti ini sedikit.

Kami boleh meningkatkan pembentukan pembawa caj dengan menambahkan kekotoran tertentu kepada bahan semikonduktor. Keadaan tenaga atom yang mempunyai konfigurasi elektron berbeza tidak tepat "menggabungkan" dengan jalur elektron kristal semikonduktor induk, menyebabkan tahap tenaga tambahan terbentuk.

Sesetengah jenis kekotoran akan menyebabkan elektron penderma tambahan untuk bersembunyi di bawah aliran konduksi utama kristal. Jenis-jenis kekotoran ini disebut pentavalen, kerana mereka mempunyai 5 elektron valens per atom daripada 4 sebagai substansi induk biasanya memiliki:

Jenis-jenis kekotoran lain akan menyebabkan tahap elektron kosong ("lubang" penerima ) untuk membentuk tepat di atas jalur valensi utama kristal. Jenis kekotoran ini dipanggil trivalen, kerana mereka mempunyai 3 elektron valens per atom dan bukannya 4:

Bandingkan kemudahan membentuk elektron bebas (konduktor-band) dalam bahan semikonduktor yang mempunyai banyak elektron "penderma", terhadap bahan semikonduktor (tulen) intrinsik. Jenis bahan yang akan lebih konduktif elektrik "# 7"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Di bawah pengaruh tenaga terma dari sumber ambien, atom "donor" pentavalen menyumbang kepada elektron bebas dalam jalur konduksi:

Begitu juga, atom "penerima" trivalen menyumbang kepada lubang-lubang di band valence:

Dalam kedua-dua kes, penambahan bahan kekotoran kepada bahan semikonduktor yang sebaliknya tulen meningkatkan bilangan pembawa caj sedia ada.

Nota:

Konsep yang paling penting untuk pelajar memahami di sini ialah penambahan kekotoran meningkatkan bilangan pembawa caj sedia ada dalam bahan semikonduktor. Yang pada hakikatnya penebat dalam keadaan tulennya boleh dibuat konduktif kepada darjah yang berbeza dengan menambahkan kekotoran.

Soalan 8

Huraikan perbezaan antara substrat semikonduktor intrinsik dan extrinsik .

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Bahan semikonduktor "intrinsik" sememangnya tulen. Bahan semikonduktor "ekstrinsik" mempunyai dopan yang ditambah untuk kekonduksian yang dipertingkatkan.

Nota:

Hanya takrifan mudah di sini, tidak ada lagi. Ini mudah dirujuk dalam mana-mana buku teks pengenalan.

Soalan 9

Apa jenis bahan (s) mesti ditambah kepada semikonduktor intrinsik untuk menghasilkan elektron "penderma" # 9 "> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Untuk membuat elektron pendonor, anda mesti menambah bahan dengan jumlah elektron valensi yang lebih besar daripada bahan semikonduktor asas. Apabila ini dilakukan, ia dipanggil semikonduktor N-jenis .

Untuk membuat lubang penerima, anda mesti menambah bahan dengan bilangan elektron valensi yang lebih rendah daripada bahan semikonduktor asas. Apabila ini dilakukan, ia dipanggil semikonduktor P-jenis .

Soalan susulan: mengenal pasti beberapa dopan "penderma" (N-jenis) biasa dan "penerima" (P-jenis) dopan.

Nota:

Apabila doping silikon dan substrat germanium, bahan yang digunakan diklasifikasikan sebagai bahan pentavalen atau trivalen . Tanyakan kepada pelajar anda yang salah satu istilah ini merujuk kepada nombor valence yang lebih besar, dan merujuk kepada nombor valensi yang lebih rendah.

Soalan 10

Apakah kesannya terhadap kepekatan elektrik dalam konduktiviti semikonduktor ekstrinsik?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Lebih tertumpu pada "doping, " semakin besar kekonduksian bahan tersebut.

Nota:

Beberapa istilah teknikal digunakan dalam soalan ini (doping, ekstrinsik). Pastikan anda meminta pelajar anda apa yang mereka maksudkan, jika hanya untuk semakan semula. Juga, minta pelajar anda untuk mengaitkan jawapan mereka dari segi pembawa caj.

Soalan 11

Apakah yang perlu dilakukan untuk semikonduktor intrinsik untuk menjadikannya semikonduktor "N-jenis"?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Dopan pentavalen mesti ditambah kepadanya, untuk menghasilkan elektron penderma.

Nota:

Tidak ada banyak komen di sini, kerana soalan semacam ini dapat dijawab dengan mudah melalui penyelidikan mengenai sebarang buku teks pengantar.

Soalan 12

Apakah yang perlu dilakukan untuk semikonduktor intrinsik untuk menjadikannya semikonduktor "P-jenis"?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Dopan trivalen mesti ditambah kepadanya, untuk menghasilkan lubang penerima.

Nota:

Tidak ada banyak komen di sini, kerana soalan semacam ini dapat dijawab dengan mudah melalui penyelidikan mengenai sebarang buku teks pengantar.

Soalan 13

Dalam semikonduktor ekstrinsik, apakah pembawa majoriti dan bagaimana mereka berbeza daripada pembawa minoriti ?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

"Pengangkut majoriti" adalah syarikat pembawa caj yang sedia ada dengan penambahan unsur-unsur doping yang bertujuan untuk bahan tersebut. "Pengangkut minoriti" adalah jenis pembawa caj yang bertentangan, mendiami semikonduktor hanya kerana tidak mungkin sepenuhnya menghilangkan kekotoran yang menjana mereka.

Nota:

Kami bercakap tentang bahan semikonduktor tulen, dan bahan-bahan semikonduktor "doping" hanya dengan kuantiti yang tepat dan jenis dopan, tetapi realiti adalah mustahil untuk memastikan kawalan mutu yang sempurna, dan dengan itu akan ada kekotoran lain dalam mana-mana sampel semikonduktor.

Tanyakan kepada pelajar anda untuk mengenal pasti pembawa caj majoriti dan minoriti untuk jenis semikonduktor ekstrinsik "P" dan "N". Dalam setiap kes, apakah mereka elektron, atau lubang?

Soalan 14

Apakah kesan suhu pada kekonduksian elektrik bahan semikonduktor? Bagaimanakah ini berbanding dengan kesan suhu pada kekonduksian elektrik logam tipikal?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Bahan semikonduktor mempunyai pekali suhu negatif rintangan (α), bermakna bahawa rintangannya berkurangan dengan peningkatan suhu.

Nota:

Jawapan kepada soalan ini adalah kajian ringkas mengenai koefisien suhu rintangan (α), bagi pelajar yang tidak dapat menarik balik subjek dari kajian litar DC mereka. Seperti biasa, perkara yang paling penting dalam soalan ini ialah kenapa peningkatan kekonduksian untuk semikonduktor. Tanyakan kepada pelajar anda untuk menghubungkan jawapan mereka kepada konsep pembawa caj dalam bahan semikonduktor.

Satu perkara yang menarik yang boleh anda sebutkan kepada pelajar anda ialah kaca - biasanya penebat elektrik yang sangat baik - boleh dibuat secara konduktif elektrik dengan pemanasan. Kaca mesti dipanaskan sehingga ia menjadi panas sebelum ia menjadi sangat konduktif, jadi ia bukan fenomena yang mudah untuk ditunjukkan. Saya dapati permata ini percubaan dalam buku lama:

, edisi pertama (kesan keempat), hak cipta 1938, oleh Richard Manliffe Sutton, Ph.D.

Soalan 15

Terangkan apa tahap Fermi untuk bahan.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

"Tahap Fermi" adalah tahap tenaga tertinggi yang elektron akan mencapai dalam suatu bahan pada suhu sifar mutlak.

Nota:

Kadangkala membantu untuk menggunakan analogi untuk tujuan ilustrasi. Analogi untuk tahap Fermi adalah untuk membayangkan periuk air mendidih, di mana molekul air mewakili elektron dan ketinggian mewakili tahap tenaga. Di bawah keadaan suhu ambien, terdapat banyak molekul air (elektron) yang meninggalkan permukaan cecair, dan ada yang kembali ke situ. Biarkan periuk di bawah titik mendidih, bagaimanapun, dan semua molekul air kembali ke cecair di mana tahap paling tinggi mewakili tahap Fermi dalam bahan.

Soalan 16

Lukiskan lokasi anggaran tahap Fermi dalam tiga rajah paras tenaga:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nota:

Perhatikan betapa paras Fermi dipengaruhi oleh penambahan dopan ke bahan semikonduktor sebaliknya tulen. Memahami kesan ini amat penting untuk memahami persimpangan semikonduktor PN.

Soalan 17

Percubaan menarik yang dilakukan oleh JR Hayes dan W. Shockley pada awal tahun 1950 melibatkan bar germanium N-doped dengan dua kenalan titik logam berlabel Ë "dan" C "untuk" Pemancar "dan" Pengumpul "masing-masing:

Apabila merangsang suis, dua denyutan yang berbeza dicatatkan pada paparan oscilloscope:

Dengan voltan yang kurang drift (V drift ) digunakan sepanjang panjang bar, denyutan kedua dilihat lebih lambat dan lebih tersebar:

Kesan segera denyut pertama (tepat pada waktunya dengan penutupan suis) bukanlah aspek yang paling menarik dalam eksperimen ini. Sebaliknya, nadi kedua (lambat) adalah. Terangkan apa yang menyebabkan nadi kedua ini, dan mengapa bentuknya bergantung pada dr hanyut .

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nadi kedua timbul dari "awan" lubang yang disuntik ke dalam bar germanium N-jenis dari pemancar kenalan titik. V drift menyediakan medan elektrik untuk membuat lubang-lubang ini "hanyut" dari kiri ke kanan melalui bar, di mana mereka akhirnya dikesan oleh kenalan titik pengumpul.

Nota:

Tidbit sejarah sejarah semikonduktor terdapat di dalam

, oleh R. Ralph Benedict, di muka surat 113 dan 114. Seperti banyak buku teks kejuruteraan yang lain pada tahun 1950-an dan 1960-an, penerbitan ini sekaligus merupakan maklumat harta karun dan model kejelasan. Saya hanya berharap buku teks peringkat juruteknik hari ini dapat menjadi jelas sebagai buku teks peringkat kejuruteraan yang telah lama berlalu. Seperti yang anda mungkin telah menebak, saya menikmati kedai buku yang digunakan untuk mencari teks kejuruteraan vintaj!

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →