Електрична проводљивост у полупроводницима

Poluprovodnici; Zonska teorija metala, (Elementi fizike čvrstog stanja) (Може 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Електрична проводљивост у полупроводницима

Дискретни полупроводнички уређаји и склопови


Питање 1

У било којој електропроводној супстанци, који су носиоци пуњења "# 1"> Открити одговор Сакриј одговор

"Носачи пуњења" су све честице које поседују електрични цхарге, чије координисано кретање кроз супстанцу представља електричну струју. Различите врсте супстанци имају различите носаче пуњења:

Метали: "слободни" (проводни појас) електрони
Полупроводници: електрони и рупе
Текућине: јони

Напомене:

Метали су далеко најједноставнији материјали за разумевање у вези са електричном проводом. Покажите својим ученицима да је управо ова једноставност која олакшава металичку проводљивост математичког модела (Охмов закон, Е = ИР).

Питање 2

Уобичајени концептуални модел електрона унутар атома је "планетарни" модел, са електронима који се приказују као орбити сателити који се вртају око "планете" језгра. Физичар Ернест Рутхерфорд је познат као проналазач овог атомског модела.

Велико побољшање овог концептуалног модела атома потекло је од Ниелс Бохр-а, који је представио идеју да електрона живе у "стационарним стањима" око језгра атома и могу само да преузму нову државу кроз квантни прескок : изненада " скочити "са једног нивоа енергије на други.

Оно што је Бохру довело до свог радикалног предлога "квантних скокова" као алтернатива Ратерфордовом моделу? Који експериментални докази су навели научнике да напусте стари планетарни модел атома, и како се ти докази односе на савремену електронику?

Открити одговор Сакриј одговор

Чињеница да атомске електроне живе у "квантизираним" енергетским стањима доказују карактеристичне таласне дужине светлости које емитују одређени атоми када их "узбуђују" спољашњи извори енергије. Ратерфордов планетарни модел није могао да објасни ово понашање, па тако и неопходност новог модела атома.

Полупроводничка електроника је омогућена "квантном револуцијом" у физици. Није могуће адекватно објаснити електричну струју кроз полупроводнике осим квантне теорије.

Питање изазова: помислите на експеримент који се може изводити у учионици како би се приказале карактеристичне таласне дужине које емитују "узбуђени" атоми.

Напомене:

Није потцењено рећи да је појављивање квантне теорије променило свет, јер је то омогућило модерну електронику солидног стања. Иако предмет квантне теорије може бити скривен, неки аспекти тога су ипак неопходни за разумевање електричне проводљивости у полупроводницима.

Сваки пут када прочитам уводни уџбеник о електроници, разговарају о електронима око ортичког језгра попут ситних сателита "који се држе у орбити електростатичком привлачношћу и центрифугалном силом". Затим, неколико страница касније, ове књиге почињу да говоре о валенцијским опсезима, проводним опсезима, забрањеним зонама и мноштвом других феномена који апсолутно немају смисла у планетарном моделу атома, али имају само смисао у квантном погледу (где електрини су само "допуштени" да насељавају одређена, дискретна стања енергије око језгра).

У случају да ниједан од ваших ученика није у стању да одговори на изазовно питање, можете им дати следеће назнаке: лампе за пражњење на гас (неон, водоник, пенуза живине, натријум, итд.)!

Питање 3

У солитарним атомима, електрони могу слободно да насељавају само одређена, дискретна стања енергије. Међутим, у чврстим материјалима где постоји много атома у непосредној близини једне друге, формирају се стања енергетских стања. Објасните шта то значи да постоји енергетски "бенд" у чврстом материјалу и зашто се појављују ти "бендови".

Открити одговор Сакриј одговор

Паулијев принцип искључења наводи да "ниједна два електрона у непосредној близини не могу да настану у истом квантном стању." Због тога, када се велики број атома запакује у непосредној близини, њихова појединачна стања електрона благо помјерају нивое енергије да би постале континуиране опсеге нивоа енергије.

Напомене:

Питајте своје ученике да размишљају о аналогијама како би илустрирали овај принцип. Где још видимо више, појединачни ентитети који се спајају заједно да формирају већу (континуирану) целину?

Питање 4

Инжењери и научници често користе дијаграме бунара за графички приказивање нивоа енергије електрона у различитим супстанцама. Електрони су приказани као чврсте тачке:

На основу ових дијаграма, одговорите на следећа питања:

Који тип материјала је најбољи проводник електричне енергије, и зашто "# 4"> Открити одговор Сакриј одговор

Метали су најбољи проводници електричне енергије, јер многе њихове електроне заузимају "проводни појас" на нормалним температурама.
Изолатори су најгори проводници електричне енергије, јер се мора уложити огромна количина енергије пре него што електрон може "прескочити" преко великог размака у проводном појасу.

Напомене:

Дала сам више информација у одговору на ово питање од обично за мене, јер је ова тема прилично сложена. Једна од тема које покушавам да комуницирам у овом питању је да полупроводници нису само проводници са необично високом отпорношћу. Механизам проводљивости у чистом полупроводнику је фундаментално другачији од оног код метала.

Иако ово може постати збуњујуће, електрична проводљивост у металним супстанцама заправо има два различита облика: једна у којој се преклапају два електронска опсега (допуштајући да се електрони прелазе у горњи опсег и крећу између атома), и један у којем је највиши "неексектовани" електронски опсег делимично испуњени (допуштајући електронима да се спусте у горња подручја истог опсега и крећу између атома). Да ли је ова разлика вредна за детаљно разматрање је ствар за вас да одлучите.

Питање 5

Нажалост, многи уводни уџбеници објашњавају дефиницију полупроводника тако што их проглашавају супстанцима чији атоми садрже четири валенце-љуске (спољни ниво) електрона. Силицијум и германијум се традиционално дају као два главна полупроводничка материјала.

Међутим, постоји више "полупроводника" од ове једноставне дефиниције. Узмите, на пример, елемент угљеника, који такође има четири валентне електрона, баш као и атоми силиција и германија. Али нису сви облици угљеника полупроводни: дијамант је (на високим температурама), али графит није, а микроскопске цијеви познате као "угљеничне наноцеви" могу се израдити или проводити или полуводити само промјеном њиховог пречника и "обртне брзине".

Обезбедите прецизније дефинисање онога што чини "полупроводник" на бази електронских опсега. Такође, назовите неке друге полупроводничке супстанце.

Открити одговор Сакриј одговор

Полупроводничке супстанце су дефинисане величином размака између валенце и проводних појасева. У елементарним супстанцама, ова дефиниција се генерално састоји у кристалним материјалима који имају четири валентне електроне. Међутим, други материјали такође испуњавају критериј бенда, а самим тим и полупроводници. Неколико су овде наведене:

Галијум арсенид (ГаАс)
Галијум-нитрид
Силицијум карбид
Неке пластике (!)

Док се Галлиум Арсениде широко користи у време писања (2004), остали су углавном у фази развоја. Међутим, неки од њих показују велико обећање, нарочито галијум-нитрид и силицијум карбид у примени велике снаге, високе температуре и / или високе фреквенције.

Напомене:

Сматрам да је фрустрирајуће колико уводних електронских текстова убаци предмете физике полупроводника у настојању да се "потопи" за потрошач технике, док у ствари ове непрецизности стварно заобиђују субјект. Осим тога, тек треба да прочитам (у октобру 2004) уводни текст који чак и смета помињању других супстанци осим силикона и германија као полупроводника, упркос великом истраживању и развоју који се одвијао у пољу материјала из полупроводника

К срећи, интернет пружа богатство најновијих информација о овој теми, већим делом што је довољно једноставно за почетак ученика да разумеју. Ово питање је дизајнирано тако да ученици истражују изворе изван својих (слабо написаних) уџбеника.

Питање 6

Ако се чисти ("унутрашњи") полупроводнички материјал загрева, топлотна енергија ослобађа неке валенце електронске банде у проводни појас. Слободна места која се остављају у валенцијском појасу називају се рупе :

Ако се примени електрични напон преко загрејане полупроводничке супстанце са позитивним на левом и негативном десном делу, шта ће то радити на енергетским опсезима и како ће то утицати на електроне и рупе "// ввв.беаутицрев. цом.ау//суб.аллабоутцирцуитс.цом/имагес/куиз/00903к02.пнг ">

Открити одговор Сакриј одговор

Присуство електричног поља преко дуљине материјала ће узроковати падање опсега, електрони се крећу ка позитивној страни и рупе према негативном.

Напомене:

Рупе су тешки концепти за разумевање за неке ученике. Аналогија која ми је корисна за објашњење како одсуство електрона може иако као честица је да се односи на мехуриће ваздуха у води. Када гледате ваздушне зрачне мјехуриће у чистој цеви пуњеној водом, сигурно се чини да су мехурићи дискретне честице, иако их знамо да су заправо празнине у којима нема воде. И нико се не бави идејом додељивања смера и брзине ка мехурићима, иако су стварно ништа него нешто!

Принцип енергетских опруга нагнутих због присуства електричног поља је од виталног значаја за ученике да разумеју да ли треба да схвате рад ПН спојнице. Аналогија која помаже визуализацији покрета електрона и рупа јесте да размислите о две групе (проводљивост и валенце) као двије различите цијеви који могу носити воду. Горња цев (проводна трака) је углавном празна, са само једним капљицама воде која се спушта низбрдо. Доња цев (валентни појас) углавном је пуна воде, а ваздушни мехурићи трче узбрдо.

Једна главна ствар коју желим да комуницирам овде јесте да "пролаз рупе" није само огледало електронске проводљивости. "Пролаз рупе" је фундаментално другачији механизам покрета електрона. Електрони су једини истински носиоци пуњења у било којем чврстом материјалу, али "рупе" се обично називају "носиоцима" јер представљају лако следити маркер валентног електронског покрета. Позивајући се на "рупе" као ентитете за себе, боље се разликује два облика покрета електрона (проводни појас у односу на валенцу).

Нешто што бисте желели да нагласите ученицима, ако га већ нису открили кроз своје истраживање, јесте да не постоји таква ствар као што је "пролаз рупе" у металима. У металима, 100% проводљивости се одвија кроз електроне проводне траке. Овај феномен двоструког протока електрона се јавља само у случају да постоји појасни појас који одваја валентну и проводну траку. Ово је интересантно запазити, јер многи текстови (чак и неки уџбеници високог нивоа за инжењерство) односе се на текућу нотацију "конвенционалног тока" као "проток рупа" чак и када струја постоји у металним жицама.

Питање 7

У савршено чистим ("унутрашњим") полупроводницима једини начин на који могу да постоје носачи пуњења су валентни електрони да "скоче" у проводни појас уз примјену довољне енергије, остављајући рупу или празно мјесто у валентном опсегу:

Уз довољну топлотну енергију, ови парови електронске рупе се формирају спонтано. Међутим, на собној температури ова активност је мала.

Можемо у великој мери побољшати формирање носача пуњења додавањем специфичних нечистоћа у полуводички материјал. Енергетска стања атома различитих електронских конфигурација не прецизно се "мешају" са електронским опсезима матичног полупроводничког кристала, што узрокује додатни ниво енергије у облику.

Неке врсте нечистоћа ће узроковати додатне донорске електроне да се вребају само испод главног проводника кристала. Ове врсте нечистоћа се називају пентавалентним, јер имају 5 валентних електрона по атому, а не 4, јер матична супстанца обично поседује:

Друге врсте нечистоћа ће узроковати празне нивое електрона ( акцепторске "рупе") да се формирају одмах изнад главне валенце траке кристала. Ове врсте нечистоћа називају се тривалентном, јер имају 3 валентне електроне по атому уместо 4:

Упоредите једноставност формирања слободних (проводних-трака) електрона у полупроводничком материјалу који има пуно "донорских" електрона, против оног од унутрашњег (чистог) полупроводничког материјала. Који тип материјала ће бити електричније проводљив "# 7"> Открити одговор Сакрити одговор

Под утицајем топлотне енергије из амбијенталних извора, пентавалентни "донорски" атоми доприносе слободним електронима у проводном појасу:

Исто тако, тривалентни "акцептори" атоми доприносе рупама у валенцијском опсегу:

У сваком случају, додавање нечистоћа у иначе чисти полупроводнички материјал повећава број расположивих носача пуњења.

Напомене:

Најважнији концепт за студенте који се овде схватају је да додавање нечистоћа повећава број доступних пуњача у полупроводничкој супстанци. Оно што је у суштини био изолатор у свом чистом стању, може бити изведено у различитим степенима додавањем нечистоћа.

Питање 8

Опишите разлику између унутрашње и екстринзичне полупроводничке супстанце.

Открити одговор Сакриј одговор

"Унутрашњи" полупроводнички материјал је апсолутно чист. "Екстринзични" полупроводнички материјал има додатак (а) за побољшану проводљивост.

Напомене:

Само једноставна дефиниција овде, ништа више. Ово се лако може навести у било ком уводном уџбенику.

Питање 9

Који тип супстанци мора бити додан у унутрашњи полупроводник како би се произвели "донорски" електрони "# 9"> Открити одговор Сакри одговор

Да бисте креирали донаторске електроне, морате додати супстанцу са већим бројем валентних електрона него основни полупроводнички материјал. Када се ово уради, назива се полупроводник типа Н-типа .

Да бисте креирали рупе за прихват, морате додати супстанцу са мање броја валентних електрона него основни полупроводнички материјал. Када се ово уради, назива се полупроводник типа П.

Питање о следећем питању: идентификујте неке заједничке допиране супстанце "донатор" (Н-типа) и "акцептор" (П-тип).

Напомене:

При допирању силицијумских и германијумских супстрата, употребљени материјали се класификују као пентавалентне или тривалентне супстанце. Питајте ученике који један од ових појмова односи на већи број валенце, а који се односи на мањи број валенце.

Питање 10

Какав утицај има концентрација допинга на електричну проводљивост спољашњег полупроводника?

Открити одговор Сакриј одговор

Што је концентрисано "допинг", већа је преводност материјала.

Напомене:

На овом питању се користе неколико техничких појмова (допинг, екстерни). Обавезно питајте своје ученике шта они подразумевају, само у сврху прегледа. Такође, замолите ученике да пренесе свој одговор у смислу носиоца наплата.

Питање 11

Шта се мора учинити на унутрашњем полупроводнику да би га претворио у полупречник типа "Н"?

Открити одговор Сакриј одговор

На њега се дода пентавалентни допант, како би се створили донори електрони.

Напомене:

Овде нема коментара о томе, јер се оваквом питању лако може одговорити истраживањем било којег уводног уџбеника.

Питање 12

Шта мора бити учињено на унутрашњи полупроводник да би га претворио у полупроводник типа "П"?

Открити одговор Сакриј одговор

Морају се додати тривалентни допанти да би се направиле рупе за акцепторе.

Напомене:

Овде нема коментара о томе, јер се оваквом питању лако може одговорити истраживањем било којег уводног уџбеника.

Питање 13

У екстринзичким полупроводницима, шта су већински носиоци и како се разликују од мањинских носиоца ?

Открити одговор Сакриј одговор

"Већински носачи" су они носачи наплаћивања који постоје постепеним додавањем допинг елемената материјалу. "Носачи мањина" су супротни тип носиоца пуњења, који насељавају полупроводник само зато што је немогуће потпуно елиминисати нечистоће које их генеришу.

Напомене:

Говоримо о чистим полупроводничким материјалима и "допинговим" комадима полупроводничких материјала с правом количином и врстама допанта, али стварност је немогуће осигурати савршену контролу квалитета, а тиме ће и друге нечистоће било који полупроводнички узорак.

Питајте своје ученике да конкретно идентификују већину и мањинске носиоце пуњења за екстерне полупроводнике типа "П" и "Н". У сваком случају, да ли су они електрони или рупе?

Питање 14

Какав утицај има температура на електричну проводљивост полупроводничког материјала? Како се то упоређује са ефектом температуре на електричну проводљивост типичног метала?

Открити одговор Сакриј одговор

Полупроводни материјали имају негативни температурни коефицијент отпорности (α), што значи да се њихова отпорност смањује са повећањем температуре.

Напомене:

Одговор на ово питање је кратак преглед коефицијента температуре отпорности (α), за студенте који се не могу опозвати субјекту из својих студија ДЦ кола. Међутим, као и увек, најважнија ствар овог питања је зашто се повећава проводљивост полупроводника. Замолите ученике да пренесе свој одговор на концепт носача пуњења у полупроводничким супстанцама.

Једна интересантна тривијалност коју можете упознати својим ученицима је да стакло - обично одличан изолатор електричне енергије - може бити електрично проводљиво грејањем. Стакло се мора загрејати све док се не загреје пре него што постане стварно проводљиво, тако да није једноставан феномен да се демонстрира. Нашао сам овај драгуљ експеримента у старој књизи:

, прво издање (четврти утисак), ауторско право 1938, Рицхард Манлиффе Суттон, Пх.Д.

Питање 15

Објасните шта је ниво Ферми за супстанцу.

Открити одговор Сакриј одговор

"Ферми ниво" је највиши ниво енергије који ће електрони постићи у супстанци на температури апсолутне нуле.

Напомене:

Понекад је корисно користити аналогије у илустративне сврхе. Аналогија за ниво Ферми је да замисли лонац са кључањем воде, где молекули воде представљају електроне и висина представља ниво енергије. У условима амбијенталне температуре, постоји много молекула воде (електрона) који напуштају површину течности, а неки који се враћају на њега. Међутим, охлади лонац испод тачке кључања и сви молекули воде се враћају у течност, гдје највиши ниво представља ниво Ферми у супстанци.

Питање 16

Цртајте приближне локације нивоа Ферми у ова три дијаграма нивоа енергије:

Открити одговор Сакриј одговор

Напомене:

Имајте на уму колико Фермијев ниво утјече додавање допанти до иначе чисте полупроводничке материје. Разумевање овог ефекта је критично за разумевање ПН полупроводничких спојева.

Питање 17

Фасцинантни експеримент који су ЈР Хаиес и В. Схоцклеи провели почетком 1950-их укључивали су бар германија Н-допираног са два метална тачка са ознакама Е "и" ​​Ц "за" Емиттер "и" Цоллецтор ", односно:

Након активирања прекидача, на екрану осцилоскопа су примећена два различита импулса:

Са мањим напоном напрезања (В дрифт ) који се примјењује преко дузине траке, видио се да други пулсе касни и дифузија:

Тренутачни ефекат првог пулсирања (који је прецизно закачен затварањем прекидача) није најинтересантнији аспект овог експеримента. Уместо тога, други (одложени) импулс је. Објасните шта је узроковало овај други импулс, и зашто је његов облик зависио од В дрифта .

Открити одговор Сакриј одговор

Други пулс настао је из "облака" рупа убризганих у германијумску шипку Н-типа од контактног емитера. В дрифт је обезбедио електрично поље како би се ове рупе "помериле" са леве на десно кроз шипку, где су на крају откривени контактом колектора.

Напомене:

Овај тањур историје полупроводника је пронађен

, Р. Ралпх Бенедицт, на страницама 113 и 114. Као и многи други инжењерски уџбеници педесетих и педесетих година прошлог века, ова публикација је истовремено благо техничке информације и модел јасноће. Ја само желим да би уџбеници на нивоу техничара могли бити тако луцидни као и уџбеници на инжињеријском нивоу прије неколико деценија. Као што сте можда претпоставили, уживам у прогнању употребљених продавница књига у потрази за винтажним инжењерским текстовима!

  • ← Претходни радни лист

  • Индек листова

  • Следећи радни лист →