1.1 Introduction aux semi-conducteurs
Les dispositifs semi-conducteurs sont des composants fondamentaux des circuits électroniques, et ils sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs sont définis comme des substances avec conductivité électrique entre les conducteurs et les isolateurs. En plus d'avoir une conductivité entre celle des conducteurs et des isolateurs, les semi-conducteurs possèdent également les propriétés suivantes:
1, une augmentation de la température peut améliorer considérablement la conductivité des semi-conducteurs. Par exemple, la résistivité du silicium pur (SI) double lorsque la température passe de 30 degrés à 20 degrés.
2, les traces d'impuretés (leur présence et leur concentration) peuvent considérablement modifier la conductivité des semi-conducteurs. Par exemple, si un atome d'impureté (comme un élément +3 ou +5) est introduit par million d'atomes de silicium, la résistivité à température ambiante (27 degrés; pourquoi la température ambiante est-elle 27 degrés? Parce que la température absolue est une entière, t =273+} 214 000 Ω · cm à 0,2 Ω · cm.
3, l'exposition à la lumière peut améliorer considérablement la conductivité des semi-conducteurs. Par exemple, un film de sulfure de cadmium (CDS) déposé sur un substrat isolant a une résistance de plusieurs mégohms (MΩ) en l'absence de lumière, mais sous l'éclairage, la résistance tombe à plusieurs dizaines de kilohms (kΩ).
4, en outre, les champs magnétiques et électriques peuvent également modifier considérablement la conductivité des semi-conducteurs.
Par conséquent, les semi-conducteurs sont des matériaux avec une conductivité entre les conducteurs et les isolateurs, et leurs propriétés intrinsèques sont très sensibles aux changements importants en raison de facteurs externes tels que la lumière, la chaleur, le magnétisme, les champs électriques et les concentrations d'impuretés traces.
Compte tenu de ces propriétés avantageuses, les semi-conducteurs peuvent être utilisés efficacement. En particulier, les discussions ultérieures sur les diodes, les transistors et les transistors à effet Field - démontrent comment la propriété des impuretés de traces modifiant considérablement la conductivité des semi-conducteurs est exploitée.
1.2 Semi-conducteurs intrinsèques
Comment introduire des impuretés traces dans les semi-conducteurs? Pouvons-nous ajouter directement des impuretés au quartz naturel (dont le composant principal est Si)? Nous ne pouvons pas utiliser le silicium naturel directement car il contient diverses impuretés, ce qui rend sa conductivité incontrôlable. Pour servir de matériau fondamental pour tous les semi-conducteurs, l'objectif principal est d'atteindre une conductivité contrôlable.
Par conséquent, nous devons purifier le silicium naturel dans une structure cristalline de silicium pur. Cette structure cristalline semi-conductrice pure est appelée semi-conducteur intrinsèque.
Caractéristiques des semi-conducteurs intrinsèques: (les semi-conducteurs intrinsèques sont des structures cristallines pures)
1, pureté, signifiant aucune impureté.
2, structure cristalline, représentant la stabilité. Les atomes sont liés les uns aux autres, empêchant la libre circulation, ce qui entraîne une conductivité encore plus faible par rapport au silicium naturel.
1.2.1 Structure cristalline des semi-conducteurs intrinsèques
En chimie, nous avons appris que les électrons les plus externes de deux atomes de silicium adjacent (SI) dans un cristal deviennent des électrons partagés, formant des liaisons covalentes. Cependant, tous les électrons les plus externes de chaque atome de Si ne restent pas strictement dans leurs propres liaisons covalentes. La raison en est que le matériau existe dans un environnement avec température. En plus du mouvement ordonné, les électrons les plus externes subissent également un mouvement thermique - mouvement aléatoire - en raison de l'influence de la température. Parfois, un électron peut posséder une énergie plus élevée que les autres atomes, ce qui lui permet de se libérer de la liaison covalente et de devenir un électron libre. Même avec une petite quantité d'énergie, les électrons les plus externes d'un conducteur peuvent générer un mouvement directionnel.
Les semi-conducteurs intrinsèques sont exempts d'impuretés. Lorsqu'un électron se libére d'une liaison covalente, il laisse derrière elle une vacance connue sous le nom de trou. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d'électrons libres est égal au nombre de trous, et ils sont générés par paires. La structure cristalline, les trous et les électrons libres sont illustrés dans la figure ci-dessous:
1.2.1 Structure cristalline des semi-conducteurs intrinsèques (suite)
Si un champ électrique externe est appliqué à travers un semi-conducteur intrinsèque:
1, les électrons libres se déplacent directionnellement, formant uncourant électronique.
2, en raison de la présence de trous, les électrons de valence se déplacent dans une direction spécifique pour remplir ces trous, ce qui fait que les trous subissent également un mouvement directionnel (car les électrons libres et les trous sont générés par paires). Ce mouvement des trous forme uncourant de trou. Alors que les électrons et les trous libres transportent des charges opposées et se déplacent dans des directions opposées, le courant total dans un semi-conducteur intrinsèque est la somme de ces deux courants.
Les phénomènes ci-dessus démontrent que les trous et les électrons libres agissent comme des particules portant une charge électrique (ces particules sont appeléeschargeurs de charge). Ainsi, les deux sont des transporteurs de charge. Cela distingue les semi-conducteurs intrinsèques des conducteurs: dans les conducteurs, il n'y a qu'un seul type de porte-charge, tandis que dans les semi-conducteurs intrinsèques, il existe deux types de porteurs de charge.
1.2.2 Concentration de porteuse dans les semi-conducteurs intrinsèques
Le phénomène où un semi-conducteur génère des paires de trous électron libres - sous excitation thermique est appeléeexcitation intrinsèque.
Pendant le mouvement aléatoire des électrons libres, lorsqu'ils rencontrent des trous, les électrons et les trous libres disparaissent simultanément. Ce phénomène est appelérecombinaison. Le nombre d'électrons libres - paires de trous générés par excitation intrinsèque est égal au nombre d'électrons libres - paires de trous qui recombinent, atteignant un équilibre dynamique. Cela signifie qu'à une certaine température, les concentrations d'électrons libres et de trous sont les mêmes.
Lorsque la température ambiante augmente, le mouvement thermique s'intensifie et plus d'électrons libres se libérent des contraintes des électrons de valence, entraînant une augmentation des trous. Par conséquent, la concentration de porteuse augmente, améliorant la conductivité. Inversement, lorsque la température diminue, la concentration de porteuse diminue, réduisant la conductivité. Lorsque la température tombe en zéro absolu (0 K), les électrons de valence n'ont pas d'énergie pour se libérer des liaisons covalentes, ce qui n'a donné aucune conductivité.
Dans les semi-conducteurs intrinsèques, la conductivité implique le mouvement de deux types de porteurs de charge. Bien que la conductivité des semi-conducteurs intrinsèques dépend de la température, elle reste extrêmement médiocre en raison de leur structure cristalline. Malgré leur mauvaise conductivité, les semi-conducteurs intrinsèques présentent une forte contrôlabilité dans leurs propriétés conductrices.
1.3 Semi-conducteurs dopés
Cette section expliquera pourquoi les semi-conducteurs intrinsèques présentent une contrôlabilité aussi forte dans la conductivité. Ici, nous utiliserons la propriété suivante des semi-conducteurs:Les traces d'impuretés peuvent modifier considérablement leur conductivité.
Le «dopage» fait référence au processus d'introduction des éléments d'impureté appropriés dans un semi-conducteur intrinsèque. Selon le type d'éléments d'impureté ajoutés, les semi-conducteurs dopés peuvent être classés enN - Type semi-conducteursetP - Semi-conducteurs de type. En contrôlant la concentration des éléments d'impureté, la conductivité du semi-conducteur dopé peut être régulée avec précision.
1.3.1 n - Type semi-conducteur
"N" représenteNégatif, car les électrons portent une charge négative et sont légers. Pour introduire des électrons supplémentaires dans la structure cristalline, les éléments pentavalents (par exemple, le phosphore, P) sont généralement dopés dans le semi-conducteur. Étant donné qu'un atome de phosphore a cinq électrons de valence, après avoir formé des liaisons covalentes avec des atomes de silicium environnants, un électron supplémentaire reste. Cet électron peut facilement devenir un électron libre avec un minimum d'énergie. L'atome d'impureté, maintenant fixé dans le réseau cristallin et dépourvu d'un électron, devient un ion positif immobile. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous:
1.3.1 n - Type Semiconductor (suite)
Dans un semi-conducteur de type N -, la concentration d'électrons libres est supérieure à celle des trous. Par conséquent, les électrons libres sont appeléstransporteurs majoritaires(multiplicateurs), tandis que les trous sont appeléstransporteurs minoritaires(mineurs). Ainsi, la conductivité d'un semi-conducteur de type N - repose principalement sur des électrons libres. Plus la concentration d'impuretés dopés est élevée, plus la concentration des porteurs majoritaires est grande et plus la conductivité est forte.
Examinons comment la concentration des porteurs minoritaires change lorsque la concentration majoritaire des porteurs augmente. La concentration de porteuse minoritaire diminue car l'augmentation du nombre d'électrons libres augmente la probabilité de recombinaison avec des trous.
Lorsque la température augmente, le nombre de porteurs augmente et l'augmentation des porteurs majoritaires est égale à l'augmentation des porteurs minoritaires. Cependant, le pourcentage de variation de la concentration des porteurs minoritaires est plus élevé que celui des porteurs majoritaires (en raison des différentes concentrations de base de minorités et de majors, même si l'augmentation numérique est la même). Par conséquent, bien que la concentration de porteurs minoritaires soit faible, ils ne doivent pas être sous-estimés. Les porteurs minoritaires sont un facteur critique affectant la stabilité de la température des dispositifs semi-conducteurs, et donc leur concentration doit également être prise en compte.
1.3.2 P - Type semi-conducteur
"P" représentePositif, nommé d'après les trous chargés positivement. Pour introduire des trous supplémentaires dans la structure cristalline, les éléments trivalents (par exemple, bore, b) sont généralement dopés dans le semi-conducteur. Lorsqu'un atome de bore forme des liaisons covalentes avec des atomes de silicium environnants, il crée une vacance (qui est électriquement neutre). Lorsqu'un électron de valence d'un atome de silicium voisin remplit cette vacance, la liaison covalente génère un trou. L'atome d'impureté devient alors un ion négatif immobile. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous:
1.3.2 P - Type Semiconductor (suite)
Par rapport aux semi-conducteurs n -
Les trous sont les transporteurs majoritaires, tandis que les électrons libres sont les transporteurs minoritaires.
La conductivité repose principalement sur des trous. Plus la concentration d'impuretés dopés est élevée, plus la concentration de trous, conduisant à une conductivité plus forte (car les lacunes dans les atomes d'impureté absorbent les électrons). La concentration de porteuse minoritaire diminue.
Lorsque la température augmente, le pourcentage de variation de la concentration d'électrons libre est supérieur à celui de la concentration de trou.