1.1 Cyflwyniad i Lled -ddargludyddion
Mae dyfeisiau lled -ddargludyddion yn gydrannau sylfaenol cylchedau electronig, ac fe'u gwneir o ddeunyddiau lled -ddargludyddion. Diffinnir deunyddiau lled -ddargludyddion fel sylweddau â dargludedd trydanol rhwng dargludyddion ac ynysyddion. Yn ogystal â bod â dargludedd rhwng dargludyddion ac ynysyddion, mae lled -ddargludyddion hefyd yn meddu ar yr eiddo canlynol:
1, gall cynnydd mewn tymheredd wella dargludedd lled -ddargludyddion yn sylweddol. Er enghraifft, mae gwrthsefyll silicon pur (SI) yn dyblu pan fydd y tymheredd yn cynyddu o 30 gradd i 20 gradd.
2, gall symiau olrhain o amhureddau (eu presenoldeb a'u canolbwyntio) newid dargludedd lled -ddargludyddion yn sylweddol. Er enghraifft, os cyflwynir un atom amhuredd (fel +3 neu +5 elfen falens) fesul miliwn o atomau silicon, y gwrthiant ar dymheredd yr ystafell (27 gradd; pam mae tymheredd yr ystafell 27 gradd? Oherwydd bod tymheredd absoliwt yn barch, t =273+ t} t} t} t} t} t} t} t 27 gradd) yn gostwng o 214,000 Ω · cm i 0.2 Ω · cm.
3, gall amlygiad golau wella dargludedd lled -ddargludyddion yn sylweddol. Er enghraifft, mae gan ffilm cadmiwm sylffid (CDS) a adneuwyd ar swbstrad inswleiddio wrthwynebiad i sawl megohm (MΩ) yn absenoldeb golau, ond o dan olau, mae'r gwrthiant yn gostwng i sawl degau o kilohms (kΩ).
4, yn ogystal, gall caeau magnetig a thrydan hefyd newid dargludedd lled -ddargludyddion yn sylweddol.
Felly, mae lled -ddargludyddion yn ddeunyddiau sydd â dargludedd rhwng dargludyddion ac ynysyddion, ac mae eu priodweddau cynhenid yn agored iawn i newidiadau sylweddol oherwydd ffactorau allanol fel golau, gwres, magnetedd, caeau trydan, ac olrhain crynodiadau amhuredd olrhain.
O ystyried yr eiddo manteisiol hyn, gellir defnyddio lled -ddargludyddion yn effeithiol. Yn benodol, bydd y trafodaethau dilynol ar ddeuodau, transistorau, a maes - transistorau effaith yn dangos sut mae eiddo amhureddau olrhain sy'n newid dargludedd lled -ddargludyddion yn sylweddol yn cael ei harneisio.
1.2 lled -ddargludyddion cynhenid
Sut ydyn ni'n cyflwyno amhureddau olrhain i led -ddargludyddion? A allwn ni ychwanegu amhureddau yn uniongyrchol at gwarts naturiol (y mae ei brif gydran yn SI)? Ni allwn ddefnyddio silicon naturiol yn uniongyrchol oherwydd ei fod yn cynnwys amrywiol amhureddau, sy'n gwneud ei ddargludedd yn afreolus. Er mwyn gwasanaethu fel y deunydd sylfaenol ar gyfer pob lled -ddargludyddion, y prif nod yw sicrhau dargludedd y gellir ei reoli.
Felly, mae angen i ni buro silicon naturiol i mewn i strwythur grisial silicon pur. Cyfeirir at y strwythur grisial lled -ddargludyddion pur hwn fel lled -ddargludydd cynhenid.
Nodweddion lled -ddargludyddion cynhenid: (Mae lled -ddargludyddion cynhenid yn strwythurau grisial pur)
1, purdeb, sy'n golygu dim amhureddau.
2, strwythur grisial, yn cynrychioli sefydlogrwydd. Mae'r atomau yn rhwym i'w gilydd, gan atal symud yn rhydd, sy'n arwain at ddargludedd hyd yn oed yn is o'i gymharu â silicon naturiol.
1.2.1 Strwythur grisial lled -ddargludyddion cynhenid
Mewn cemeg, gwnaethom ddysgu bod electronau mwyaf allanol dau atom silicon (Si) cyfagos mewn grisial yn dod yn electronau a rennir, gan ffurfio bondiau cofalent. Fodd bynnag, nid yw holl electronau mwyaf allanol pob atom Si yn aros yn llym o fewn eu bondiau cofalent eu hunain. Y rheswm am hyn yw bod y deunydd yn bodoli mewn amgylchedd sydd â thymheredd. Yn ogystal â mudiant archebedig, mae'r electronau mwyaf allanol hefyd yn cael cynnig thermol - symud ar hap - oherwydd dylanwad tymheredd. Weithiau, gall electron feddu ar egni uwch nag atomau eraill, gan ganiatáu iddo dorri'n rhydd o'r bond cofalent a dod yn electron rhydd. Hyd yn oed gydag ychydig bach o egni, gall electronau mwyaf allanol dargludydd gynhyrchu cynnig cyfeiriadol.
Mae lled -ddargludyddion cynhenid yn rhydd o amhureddau. Pan fydd electron yn torri'n rhydd o fond cofalent, mae'n gadael swydd wag o'r enw twll ar ôl. Mewn lled -ddargludyddion cynhenid, mae nifer yr electronau rhydd yn hafal i nifer y tyllau, ac fe'u cynhyrchir mewn parau. Dangosir y strwythur grisial, tyllau ac electronau rhydd yn y ffigur isod:
1.2.1 Strwythur grisial lled -ddargludyddion cynhenid (parhad)
Os cymhwysir maes trydan allanol ar draws lled -ddargludydd cynhenid:
1, mae electronau rhydd yn symud yn gyfeiriadol, gan ffurfiocerrynt electron.
2, oherwydd presenoldeb tyllau, mae electronau falens yn symud i gyfeiriad penodol i lenwi'r tyllau hyn, gan beri i'r tyllau hefyd symud cyfeiriadol (gan fod electronau a thyllau rhydd yn cael eu cynhyrchu mewn parau). Mae'r symudiad hwn o dyllau yn ffurfio aCerrynt Twll. Wrth i electronau a thyllau rhydd gario taliadau gyferbyn a symud i gyfeiriadau gwahanol, cyfanswm y cerrynt mewn lled -ddargludydd cynhenid yw swm y ddau gerrynt hyn.
Mae'r ffenomenau uchod yn dangos bod tyllau ac electronau rhydd yn gweithredu fel gronynnau sy'n cario gwefr drydan (gelwir gronynnau o'r fathCludwyr Tâl). Felly, mae'r ddau yn gludwyr gwefr. Mae hyn yn gwahaniaethu lled -ddargludyddion cynhenid oddi wrth ddargludyddion: mewn dargludyddion, dim ond un math o gludwr gwefr sydd yna, ond mewn lled -ddargludyddion cynhenid, mae dau fath o gludwr gwefr.
1.2.2 Crynodiad Cludwyr mewn Lled -ddargludyddion Cynhenid
Gelwir y ffenomen lle mae lled -ddargludydd yn cynhyrchu electron rhydd - parau twll o dan gyffro thermolcyffro cynhenid.
Yn ystod y cynnig ar hap o electronau rhydd, pan fyddant yn dod ar draws tyllau, mae'r electronau a'r tyllau rhydd yn diflannu ar yr un pryd. Gelwir y ffenomen honailgyflwyniadau. Mae nifer yr electron rhydd - parau twll a gynhyrchir gan gyffro cynhenid yn hafal i nifer y parau twll electron rhad ac am ddim - sy'n ailgyfuno, gan gyflawni ecwilibriwm deinamig. Mae hyn yn golygu, ar dymheredd penodol, bod crynodiadau electronau a thyllau rhydd yr un peth.
Pan fydd y tymheredd amgylchynol yn codi, mae cynnig thermol yn dwysáu, ac mae mwy o electronau rhydd yn torri'n rhydd o gyfyngiadau electronau falens, gan arwain at gynnydd mewn tyllau. O ganlyniad, mae'r crynodiad cludwr yn cynyddu, gan wella dargludedd. I'r gwrthwyneb, pan fydd y tymheredd yn gostwng, mae crynodiad y cludwr yn gostwng, gan leihau dargludedd. Pan fydd y tymheredd yn gostwng i sero absoliwt (0 K), nid oes gan electronau falens yr egni i dorri'n rhydd o fondiau cofalent, gan arwain at ddim dargludedd.
Mewn lled -ddargludyddion cynhenid, mae dargludedd yn cynnwys symud dau fath o gludwyr gwefr. Er bod dargludedd lled -ddargludyddion cynhenid yn dibynnu ar y tymheredd, mae'n parhau i fod yn wael iawn oherwydd eu strwythur crisialog. Er gwaethaf eu dargludedd gwael, mae lled -ddargludyddion cynhenid yn arddangos rheolaeth gref yn eu priodweddau dargludol.
1.3 lled -ddargludyddion dop
Bydd yr adran hon yn esbonio pam mae lled -ddargludyddion cynhenid yn arddangos rheolaeth gref o'r fath mewn dargludedd. Yma, byddwn yn defnyddio'r eiddo lled -ddargludyddion canlynol:Gall olrhain symiau o amhureddau newid eu dargludedd yn sylweddol.
Mae "dopio" yn cyfeirio at y broses o gyflwyno elfennau amhuredd priodol yn lled -ddargludydd cynhenid. Yn dibynnu ar y math o elfennau amhuredd a ychwanegwyd, gellir dosbarthu lled -ddargludyddion dopN - math lled -ddargludyddionaP - math lled -ddargludyddion. Trwy reoli crynodiad yr elfennau amhuredd, gellir rheoleiddio dargludedd y lled -ddargludydd wedi'i dopio yn fanwl gywir.
1.3.1 n - math lled -ddargludyddion
Mae "N" yn sefyll amNegyddol, gan fod electronau'n cario gwefr negyddol ac yn ysgafn. Er mwyn cyflwyno electronau ychwanegol i'r strwythur grisial, mae elfennau pentavalent (ee ffosfforws, p) fel arfer yn cael eu dopio i'r lled -ddargludydd. Gan fod gan atom ffosfforws bum electron falens, ar ôl ffurfio bondiau cofalent ag atomau silicon cyfagos, erys un electron ychwanegol. Gall yr electron hwn ddod yn electron rhydd yn hawdd heb lawer o fewnbwn ynni. Mae'r atom amhuredd, sydd bellach wedi'i osod yn y dellt grisial ac heb electron, yn dod yn ïon positif ansymudol. Dangosir hyn yn y ffigur isod:
1.3.1 n - math lled -ddargludyddion (parhad)
Mewn lled -ddargludydd math n -, mae crynodiad yr electronau rhydd yn fwy na thyllau. Felly, gelwir electronau rhyddCludwyr Mwyafrif(lluosyddion), tra gelwir tyllauCludwyr lleiafrifol(plant dan oed). Felly, mae dargludedd lled -ddargludydd math n - yn dibynnu'n bennaf ar electronau rhydd. Po uchaf yw crynodiad yr amhureddau wedi'u dopio, y mwyaf yw crynodiad y cludwyr mwyafrif, a'r cryfaf yw'r dargludedd.
Gadewch inni archwilio sut mae crynodiad cludwyr lleiafrifol yn newid pan fydd crynodiad y cludwr mwyafrif yn cynyddu. Mae'r crynodiad cludwr lleiafrifol yn gostwng oherwydd bod y nifer cynyddol o electronau rhydd yn codi'r tebygolrwydd o ailgyfuno â thyllau.
Pan fydd y tymheredd yn codi, mae nifer y cludwyr yn cynyddu, ac mae'r cynnydd mewn cludwyr mwyafrif yn hafal i'r cynnydd mewn cludwyr lleiafrifol. Fodd bynnag, mae'r newid canrannol mewn crynodiad cludwyr lleiafrifol yn uwch na newid y mwyafrif o gludwyr (oherwydd y gwahanol grynodiadau sylfaenol o leiafrifoedd a mawreddog, er bod y cynnydd rhifiadol yr un peth). Felly, er bod crynodiad y cludwyr lleiafrifol yn isel, ni ddylid eu tanamcangyfrif. Mae cludwyr lleiafrifol yn ffactor hanfodol sy'n effeithio ar sefydlogrwydd tymheredd dyfeisiau lled -ddargludyddion, ac felly mae'n rhaid ystyried eu crynodiad hefyd.
1.3.2 p - math lled -ddargludyddion
Mae "P" yn sefyll amPositif, wedi'i enwi ar ôl y tyllau â gwefr bositif. Er mwyn cyflwyno tyllau ychwanegol i'r strwythur grisial, mae elfennau trivalent (ee boron, b) fel arfer yn cael eu dopio i'r lled -ddargludydd. Pan fydd atom boron yn ffurfio bondiau cofalent ag atomau silicon cyfagos, mae'n creu swydd wag (sy'n niwtral yn drydanol). Pan fydd electron falens o atom silicon cyfagos yn llenwi'r swydd wag hon, mae'r bond cofalent yn cynhyrchu twll. Yna mae'r atom amhuredd yn dod yn ïon negyddol ansymudol. Dangosir hyn yn y ffigur isod:
1.3.2 p - math lled -ddargludyddion (parhad)
O'i gymharu â n - math lled -ddargludyddion, yn p - math lled -ddargludyddion:
Tyllau yw'r cludwyr mwyafrif, tra mai electronau rhydd yw'r cludwyr lleiafrifol.
Mae dargludedd yn dibynnu'n bennaf ar dyllau. Po uchaf yw crynodiad yr amhureddau wedi'u dopio, y mwyaf yw crynodiad y tyllau, gan arwain at ddargludedd cryfach (wrth i'r swyddi gwag mewn atomau amhuredd amsugno electronau). Mae'r crynodiad cludwr lleiafrifol yn lleihau.
Pan fydd y tymheredd yn codi, mae'r newid canrannol mewn crynodiad electronau rhydd yn uwch na chrynodiad tyllau.