Notions de base de semi-conducteurs

Notions de base de semi-conducteurs

Si résistances sont la composante la plus passive de base dans les circuits électriques ou électroniques, alors nous devons considérer la diode de signal comme étant la composante la plus fondamentale "Active". Cependant, contrairement à une résistance, une diode ne se comporte pas de façon linéaire par rapport à la tension appliquée comme il a une relation d'IV exponentielle et donc ne peut pas être décrit simplement en utilisant la loi d'Ohm comme nous le faisons pour les résistances.

Les diodes sont unidirectionnelles de base dispositifs semi-conducteurs qui ne laissent passer le courant à travers eux dans une seule direction, à agir davantage comme une vanne électrique à sens unique, (polarisée État). Mais, avant que nous ayons un regard sur la façon signal ou de puissance diodes fonctionnent nous avons d'abord besoin de comprendre les semi-conducteurs construction de base et le concept.
Les diodes sont réalisés d'une seule pièce de semi-conducteur matériau qui a un effet positif "P-région" à une extrémité et un signe négatif "N-région" à l'autre, et qui a une valeur de résistivité quelque part entre celle d'un conducteur et un isolant. Mais ce est un matériau "Semiconductor" ?, laissez tout d'abord, regardons ce qui fait quelque chose soit un conducteur ou un isolant .

Résistivité

Le électrique Résistance d'un composant ou d'un dispositif électrique ou électronique est généralement définie comme étant le rapport de la différence de tension aux bornes à l'écoulement à travers elle, de base actuels Droit Ohm's directeurs. Le problème avec l'utilisation en tant que résistance de mesure est qu'elle dépend beaucoup de la taille physique de la matière à mesurer ainsi que de la matière dont elle est faite. Par exemple, si nous étions pour augmenter la longueur de la matière (ce qui en fait plus) sa résistance serait également augmenter proportionnellement.
De même, si nous avons augmenté son diamètre ou la taille (ce qui rend plus gras) sa valeur de résistance diminuerait. Donc, nous voulons être en mesure de définir le matériel de manière à indiquer sa capacité à mener ou soit se opposer à la circulation d'un courant électrique à travers ce quelle que soit sa taille ou la forme se trouve être.
La quantité qui est utilisé pour indiquer cette résistance spécifique est appelé résistivité et est donné le symbole grec de ρ , ( Rho ). Résistivité est mesurée en ohm-mètres, ( Ω-m ). Résistivité est l'inverse de la conductivité.
Si la résistivité de divers matériaux est comparé, ils peuvent être classés en trois groupes principaux, Conducteurs , isolateurs et les semi-conducteurs , comme indiqué ci-dessous.

Résistivité Graphique

Notez qu'il ya une très faible marge entre la résistivité des conducteurs tels que l'argent et l'or, comparativement à une marge beaucoup plus grande pour la résistivité des isolants entre le verre et le quartz. Notez également que la résistivité de tous les matériaux à un moment donné dépend aussi de leur température ambiante parce que les métaux sont également de bons conducteurs de chaleur.

Conducteurs

De là-haut, nous savons maintenant que conducteurs sont des matériaux qui ont de très faibles valeurs de résistivité, habituellement dans les micro-ohms par mètre. Cette faible valeur leur permet de passer facilement d'un courant électrique car il n'y avait beaucoup d'électrons libres qui flottent dans leur structure atomique de base. Quand un potentiel de tension positive est appliquée à la matière de ces «électrons libres» quittent leur atome mère et se déplacent ensemble à travers le matériau formant une dérive des électrons. En d'autres termes un courant.
Exemples de bons conducteurs sont généralement des métaux tels que le cuivre, aluminium, argent ou non métaux tels que le carbone parce que ces matériaux ont très peu d'électrons dans leur externe "Valence Shell" ou anneau, résultant en eux être facilement éliminé de l'orbite de l'atome. Ceci leur permet de circuler librement à travers le matériau jusqu'à ce qu'ils se rejoignent avec d'autres atomes, en produisant un "effet domino" à travers le matériau créant ainsi un courant électrique. Cuivre et aluminium est le conducteur principal utilisé dans les câbles électriques comme illustré.

Un câble électrique utilise
conducteurs et d'isolants

De façon générale, la plupart des métaux sont de bons conducteurs d'électricité, comme ils ont des valeurs très faibles de résistance, généralement dans la région des micro-ohms par mètre. Bien que les métaux tels que le cuivre et l'aluminium sont très bonnes conduites d'électricité, ils ont encore une certaine résistance à l'écoulement des électrons et par conséquent ne conduisent pas parfaitement.
L'énergie qui est perdue dans le processus de passage d'un courant électrique, apparaît sous la forme de chaleur qui est pourquoi les conducteurs et en particulier les résistances deviennent chaudes. Aussi la résistivité des conducteurs augmente avec la température ambiante parce que les métaux sont aussi généralement de bons conducteurs de chaleur.

Isolateurs

Isolateurs d'autre part sont l'exact opposé de conducteurs. Ils sont faits de matériaux, généralement non-métaux, qui ont très peu ou pas "électrons libres" flottent dans leur structure atomique de base parce que les électrons dans la couche de valence externe sont fortement attirés par le noyau intérieur chargé positivement.
Donc, si un potentiel de tension est appliqué à la matière se écoule aucun courant, car il n'y a pas d'électrons de se déplacer et qui donne ces matériaux leurs propriétés isolantes.
Isolateurs ont aussi des résistances très élevées, des millions d'ohms par mètre, et ne sont généralement pas touchés par les changements de température normales (bien que le bois des températures très élevées devient charbon et les changements d'un isolant à un conducteur). Exemples de bons isolants sont en marbre, quartz fondu, les plastiques PVC, caoutchouc, etc.
Isolants jouent un rôle très important au sein de circuits électriques et électroniques, car sans eux les circuits électriques seraient à court de travailler ensemble et non. Par exemple, les isolateurs en verre ou en porcelaine sont utilisés pour isoler et supporter des câbles aériens de transport tandis que les matériaux de résine époxy de verre sont utilisées pour fabriquer des circuits imprimés, la etc. PCB tandis que le PVC est utilisé pour l'isolation des câbles électriques, comme illustré.

Notions de base de semi-conducteurs

Semiconducteurs matériaux tels que le silicium (Si), le germanium (Ge) et l'arséniure de gallium (GaAs), ont des propriétés électriques quelque part au milieu, entre ceux d'un «chef d'orchestre» et un «isolant». Ils ne sont pas de bons conducteurs, ni de bons isolants (d'où leur nom de «semi -conductors»). Ils ont très peu de frais "électrons" parce que leurs atomes sont étroitement regroupés dans un modèle cristallin appelé un "réseau cristallin".
Cependant, leur capacité à conduire l'électricité peut être grandement améliorée par l'ajout de certains «impuretés» à cette structure cristalline ainsi, produisant des électrons plus libre que trous ou vice versa.
En contrôlant la quantité d'impuretés ajoutées au matériau semi-conducteur, il est possible de contrôler sa conductivité. Ces impuretés sont appelés donneurs ou accepteurs selon qu'ils produisent des électrons ou des trous respectivement.
Ce procédé d'addition d'atomes d'impuretés à des atomes de semi-conducteur (de l'ordre de 1 atome d'impuretés par 10 million (ou plusieurs) atomes du semi-conducteur) est appelée dopage.
Le matériau de base de semi-conducteurs le plus couramment utilisé est de loin le silicium . Silicon possède quatre électrons de valence sur sa couche périphérique qu'il partage avec ses atomes de silicium voisine pour former de orbitaux complets de huit électrons. La structure de la liaison entre les deux atomes de silicium est tel que chaque atome part un électron avec son voisin faisant la liaison très stable.
Comme il ya très peu d'électrons libres disponibles pour se déplacer dans le cristal de silicium, des cristaux de silicium pur (ou le germanium) sont donc de bons isolants, ou sur les résistances de valeur tout le moins très élevés.
des atomes de silicium sont disposés de façon symétrique définie entre eux une structure solide cristallin faire. Un cristal de la silice pure (dioxyde de silicium ou de verre) est généralement dit être un cristal intrinsèque (il n'a pas d'impuretés) et n'a donc pas d'électrons libres.
Mais connectant simplement un cristal de silicium à une alimentation de la batterie ne est pas suffisant pour extraire un courant électrique de celle-ci. Pour cela, nous devons créer un «positif» et un pôle «négatif» dans le silicium permettant électrons et le courant électrique donc se écouler hors du silicium. Ces pôles sont créés par dopage du silicium avec certaines impuretés.

Une structure atome de silicium

 

Le diagramme ci-dessus montre la structure et réseau d'un cristal pur «normal» de la Silicon.

Notions de base de semi-conducteurs de type N

Pour que notre cristal de silicium pour conduire l'électricité, nous devons introduire un atome d'impureté tels que l'arsenic, antimoine ou de phosphore dans la structure cristalline qui en fait extrinsèques (impuretés sont ajoutés). Ces atomes ont cinq électrons externes dans leur orbitale extérieure à part avec des atomes voisins et sont communément appelés impuretés "de pentavalent".
Ceci permet quatre des cinq électrons orbitaux de se lier avec ses voisins des atomes de silicium en laissant une "électrons libres" pour devenir mobile lorsqu'une tension électrique est appliquée (flux d'électrons). Comme chaque atome d'impureté "fait don" un électron, atomes pentavalents sont généralement connus comme «donateurs».
Antimoine (Sb symbole) ou phosphore (symbole P), sont fréquemment utilisés comme additif pentavalent au silicium car ils ont 51 électrons disposés en cinq coquilles autour de leur noyau avec l'orbitale la plus externe ayant cinq électrons. Le matériau de base de semi-conducteurs en résulte a un excès d'électrons transportant le courant, chacun avec une charge négative, et est donc considéré comme un type N matériau avec les électrons appelés «majorité transporteurs" tandis que les trous qui en résultent sont appelés les «porteurs minoritaires».
Quand ils sont stimulés par une source d'alimentation externe, les électrons libérés des atomes de silicium par cette stimulation sont rapidement remplacés par les électrons libres fournis par les atomes dopé à l'antimoine. Mais cette action laisse encore un électron supplémentaire (l'électron libéré) flottante autour du cristal dopé rendant chargé négativement.
Ensuite, un matériau semi-conducteur est classé comme de type N lorsque la densité de donneur est supérieure à la densité de l'accepteur, en d'autres termes, il a plus d'électrons que des trous, créant ainsi un pôle négatif comme indiqué.

Antimoine Atom et dopage

 

Le diagramme ci-dessus montre la structure et treillis de l'atome donneur d'impureté antimoine.

Notions de base de type P Semiconductor

Si nous allons dans l'autre sens, et d'introduire un "trivalent" (3-électron) impureté dans la structure cristalline, comme le Aluminium, le bore ou l'indium, qui ne ont que trois électrons de valence disponibles dans leur orbitale extérieure, la quatrième liaison fermée ne peut pas être formée. Par conséquent, une connexion complète ne est pas possible, ce qui donne le matériau semi-conducteur une abondance de porteurs chargés positivement dits trous dans la structure du cristal où les électrons sont effectivement absents.
Comme il est maintenant un trou dans le cristal de silicium, un électron voisin est attiré à elle et essayer de passer dans le trou pour le remplir. Cependant, l'électron remplir le trou laisse derrière elle un autre trou comme il se déplace. Cette attire à son tour un autre électron qui à son tour crée un autre trou derrière elle, et de donner ainsi de suite l'impression que les trous se déplacent comme une charge positive à travers la structure cristalline (de flux du courant conventionnel).
Ce mouvement de trous des résultats dans une pénurie d'électrons dans le silicium tournant tout le cristal dopé dans un pôle positif. Comme chaque atome d'impureté génère un trou, impuretés trivalents sont généralement connus comme " accepteurs "car ils sont continuellement" accepter "les électrons supplémentaires ou gratuits.
Le bore (symbole B) est couramment utilisé comme additif trivalent comme il a seulement cinq électrons agencés en trois coquilles autour de son noyau avec l'orbitale la plus externe ayant seulement trois électrons. Le dopage d'atomes de bore provoque la conduction consistent principalement, de porteurs de charge positifs résultant en un de type P du matériel avec les trous positifs étant appelé «majorité Carriers», tandis que les électrons libres sont appelés "porteurs minoritaires".
Ensuite, un matériau de base de semi-conducteur est classé comme de type P lorsque la densité d'accepteur est supérieure à sa densité de donneur. Par conséquent, un semi-conducteur de type P a plus de trous que les électrons.

Boron Atom et dopage

 

Le diagramme ci-dessus montre la structure et treillis de l'atome accepteur d'impuretés de bore.

Semiconductor Basics Résumé

De type N (par exemple dopé à l'antimoine)

Ce sont des matériaux qui ont pentavalent atomes d'impuretés (donateurs) ajoutée et conduite par les "électrons" le mouvement et sont donc appelés, Semi-conducteurs de type N .

Dans les semi-conducteurs de type N, il ya:

• 1. Les bailleurs de fonds sont chargés positivement.
• 2. Il existe un grand nombre d'électrons libres.
• 3. Un petit nombre de trous par rapport au nombre d'électrons libres.
• 4. dopage donne:
  •   donateurs chargé positivement.
  •   chargé négativement électrons libres.
• 5. Fourniture d'énergie donne:
  •   chargé négativement électrons libres.
  •   trous chargé positivement.

De type P (par exemple dopée avec du bore)

Ce sont des matériaux qui ont trivalents atomes d'impuretés (accepteurs) ajoutée et conduite par les «trou» le mouvement et sont donc appelés, Semi-conducteurs de type P .

Dans ces types de matériaux sont:

• 1. Les accepteurs sont chargés négativement.
• 2. Il existe un grand nombre de trous.
• 3. Un petit nombre d'électrons libres par rapport au nombre de trous.
• 4. dopage donne:
  •   accepteurs chargé négativement.
  •   trous chargé positivement.
• 5. Fourniture d'énergie donne:
  •   trous chargé positivement.
  •   chargé négativement électrons libres.

et P et N-types dans leur ensemble, sont électriquement neutres seuls.

Antimoine (Sb) et le bore (B) sont deux agents de dopage les plus couramment utilisés car ils sont plus feely disponible par rapport aux autres types de matériaux. Ils sont également classés comme «métalloïdes". Toutefois, les groupes de la table périodique ainsi que plusieurs autres éléments chimiques différents, tous avec soit trois ou cinq électrons dans leur coquille orbitale la plus externe qui les rend appropriés en tant que matériau de dopage.
Ces autres éléments chimiques peuvent également être utilisés comme agents de dopage à un matériau de base de l'un de silicium (S) ou le germanium (Ge) pour produire différents types de matériaux semi-conducteurs de base pour une utilisation dans les composants électroniques semi-conducteurs, le microprocesseur et les applications de piles solaires. Ces matériaux semi-conducteurs supplémentaires sont donnés ci-dessous.

Tableau périodique des semi-conducteurs

Éléments du groupe 13	Éléments du groupe 14	Éléments du groupe 15
3-Les électrons à Outer Shell (chargés positivement)	4-Les électrons à Outer Shell (charge neutre)	5-électrons à Outer Shell (chargé négativement)
(5) Le bore (B)	(6) Carbone (C)
(13) Aluminium (Al)	(14) Le silicium (Si)	(15) Le phosphore (P)
(31) Gallium (Ga)	(32) Germanium (Ge)	(33) Arsenic (As)
		(51) Antimoine (Sb)

Dans le prochain tutoriel sur les semi-conducteurs et de diodes, nous nous pencherons sur joignant les deux matériaux de bases de semi-conducteurs, le type P et les N-Type matériaux pour former une jonction PN qui peut être utilisé pour produire des diodes.