Фізичні основи роботи комп’ютера (стр. 19 из 21)
Всі хімічні елементи, що зустрічаються в природі, можна розташувати в послідовний ряд по числу позитивних зарядів, починаючи з водню, що має один позитивний заряд в ядрі атома (заряд одного протона), і закінчуючи ураном з 92 протонами. Позитивний заряд ядра компенсується оболонками оточуючих його електронів. Електрони внутрішніх оболонок досить міцно зв'язані з ядром. Електрони ж зовнішньої оболонки зв'язані слабкіше; як валентні електрони вони можуть брати участь в хімічних процесах, а як електрони провідності – переносити електричний заряд (електричний струм в металах є потік електронів). У таких металах, як мідь, електрони зовнішніх оболонок практично вільні і під впливом дуже слабкого електричного поля здатні переносити колосальні струми. Зовнішні електрони в діелектриках зв'язані міцно, тому діелектрики практично не проводять електрики. Напівпровідники – це проміжний випадок. Згідно фундаментальному постулату фізики, званому рівнянням Больцмана, число N частинок з енергією Е дається формулою
, (А.1)де A – константа, що характеризує матеріал, k – стала Больцмана (
еВ/К), а T – абсолютна температура в кельвінах (К). Звідси видно, що чим міцніше зв'язок і нижче температура, тим менше звільняється електронів. Якщо в кремній, який є чотирьохвалентним, домішати фосфор, сурму або миш'як, кожен атом яких має п'ять валентних електронів, то один електрон легувальної домішки буде зайвим. Цей надлишковий електрон зв'язаний слабко і легко може діяти як електрон провідності. Якщо ж в кремній ввести бор, галій або алюміній, кожен атом яких має три валентні електрони, то для утворення всіх зв'язків бракуватиме одного електрона. В цьому випадку перенесення струму визначається електронними вакансіями, або «дірками». Насправді електрони під впливом електричного поля перескакують від одного вакантного зв'язку до іншого, що можна розглядати як переміщення дірок в протилежному напрямі. Електричний струм при цьому напрямлений так само, як і у разі електронів. Відповідно до закону n= p= N/2 можна довільно змінювати число електронів n або дірок p в одиниці об'єму напівпровідника, задаючи потрібне число надмірних донорів або акцепторів електронів. Напівпровідники, в яких електронів більше, ніж дірок, називаються напівпровідниками n-типу (рис. А.2), а напівпровідники, в яких більше дірок, –напівпровідниками p-типу (рис. А.3). Ті носії, яких більше, називаються основними носіями, а яких менше – неосновними. Межа, що відокремлює в кристалі ділянку p-типу від ділянки n-типу, називається p-n-переходом.Типовий представник напівпровідників наведено на рисунку А.1
Рисунок А.1 – Електронні оболонки атома кремнію, типового напівпровідникового матеріалу
В утворенні хімічних зв'язків і в процесі провідності можуть брати участь тільки чотири електрони зовнішньої оболонки (темні кружки), звані валентними електронами. Десять внутрішніх електронів (світлі кружки) в таких процесах не беруть участі.
Рисунок А.2 – Напівпровідник n - типу
Рисунок А.3 – Напівпровідник р -типу
А.2 p-n перехід
У з’єднаних разом шматочках напівпровідників n і p-типу найближчі до межі електрони переходитимуть з n-ділянки до p-ділянки, а найближчі дірки – назустріч їм, з p-ділянки в n-ділянки. Сам перехід буде утворений з позитивно заряджених донорів, що втратили свої електрони, на n-стороні, і з негативно заряджених акцепторів, що втратили свої дірки, на p-стороні.
Рисунок А.4 – p-n-перехід
При цьому перехід уподібнюється зарядженому конденсатору, на обкладинках якого є деяка напруга. Перетікання електронів і дірок через перехід припиняється, як тільки заряджені іони створять на ньому напругу, рівну і протилежну контактному потенціалу (напрузі), обумовленому відмінністю знаку надмірного заряду в напівпровіднику. Якщо на перехід подати відповідну зовнішню напругу, то іонізуються (втрачають свої електрони і дірки) додаткові донори і акцептори, причому в такій кількості, що перехід тільки-тільки підтримує прикладену напругу.
Цінність переходу в тому, що він дозволяє керувати потоком електронів або дірок, тобто струмом. Візьмемо типовий випадок, коли p-сторона сильно легована, а n-сторона легована значно слабкіше. Якщо на перехід подати таку напругу, при якій p-сторона позитивна, а n-сторона негативна, то зовнішня напруга компенсуватиме внутрішню, тобто знизить внутрішній бар'єр переходу і тим самим зробить можливим перетікання великих кількостей основних носіїв (дірок) через бар'єр. Так, подаючи невелику напругу в «прямому» напрямі, можна керувати великими струмами. Якщо змінити знак зовнішньої напруги на зворотний (так, щоб p-сторона була негативна, а n-сторона – позитивна), то вона ще більше підвищить внутрішній бар'єр і повністю перекриє потік основних носіїв. (Правда, невеликій кількості неосновних носіїв легше перетікати через бар'єр.) Якщо поступово підвищувати «зворотну» напругу, то врешті-решт відбудеться електричний пробій, і перехід може виявитися пошкодженим через перегрів. Фактична пробивна напруга залежить від вигляду і ступеня легування слабо легованої сторони переходу. У пристроях різної конструкції пробивна напруга може змінюватися від 1 до 15 000 В.
Таким чином, одиночний p-n-перехід може слугувати випрямлячем, який проникний для струму в одному напрямі і не проникний в протилежному. У прямому напрямі можливі дуже великі струми при напрузі менше 1 В; у зворотному ж напрямі при напругах нижче за пробивну можливі лише струми порядку пікоампера (
А). Потужні випрямлячі можуть працювати при струмах близько 5000 А, тоді як в пристроях для керування сигнальними струмами струми звичайно не перевищують декількох міліампер.Приклад використання p-n-переходу – транзистор.
Рисунок А.5 – Транзистор з p-n-переходом типу n-p-n
На рис. А.5 показані емітер, колектор і база. Товщина p-шару сильно збільшена. Транзистори такого типу застосовуються як підсилювачі.
А.3 Напівпровідникові пристрої
Спершу розглянемо принцип дії напівпровідникових приладів. Оскільки для комп'ютера найбільш важливими є транзистори, саме ними ми розгляд напівпровідникових пристроїв і обмежимо.
Напівпровідниками називають групу елементів і їх з'єднань, у яких питомий опір займає проміжне місце між провідниками і діелектриками. Вихідним матеріалом для виготовлення напівпровідникових приладів є елементи четвертої групи періодичної системи Менделєєва (кремній, германій тощо), а також їх з'єднання. Всі вони є кристалічними речовинами за нормальних умов.
При підвищенні температури або при опромінюванні напівпровідника променистою енергією, частина валентних електронів, одержавши необхідну енергію, залишають ковалентні зв'язки, при цьому вони стають носіями електричних зарядів. Одночасно, при розриві ковалентних зв'язків, утворюються і «дірки» – незаповнені ковалентні зв'язки. У хімічно чистих напівпровідниках, як легко здогадатися, кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок. Таким чином, напівпровідник не втрачає електричної нейтральності, оскільки кількість дірок і кількість вільних електронів у ньому однакові. У електричному і магнітних полях дірка поводиться як частинка з позитивним зарядом, рівним заряду електрона.
Дірка (незаповнений ковалентний зв'язок) може бути заповнена електроном, що покинув сусідній ковалентний зв'язок. Один ковалентний зв'язок розривається, інший – відновлюється. Таким чином з’являється враження, що дірка переміщається по кристалу. Розрив ковалентних зв'язків, в результаті якого утворюються вільний електрон і дірка, називається генерацією, а відновлення ковалентного зв'язку – рекомбінацією.
За відсутності електричного поля вільні електрони і дірки здійснюють хаотичні теплові переміщення по кристалу, що, відповідно, не супроводжується появою струму. При наявності ж зовнішнього електричного поля переміщення вільних електронів і дірок упорядковується, і в результаті через напівпровідник починає текти струм. Провідність, обумовлена рухом вільних електронів, називається електронною (n-тип від “negative” – негативний), а дірок – відповідно дірковою (p-тип від “positive” – позитивний).
Основним для чистих напівпровідників є n-тип, оскільки електрони мають велику рухливість. Якщо ж внести в напівпровідник атоми з нижчою валентністю (т.з. акцептори), чим сам напівпровідник, то він набуде p-тип, оскільки низьковалентні атоми охоче поглинатимуть вільні електрони.
Ділянка, де напівпровідник з електронним типом провідності стикується з напівпровідником з дірковим типом провідності називається p-n переходом.
Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в монокристалі з різними типами провідності.
У n-ділянки концентрація електронів більше, ніж в p-ділянки і навпаки – для дірок.
Під дією градієнта концентрації виникає дифузія основних носіїв заряду. Електрони дифундують в p-ділянку, а дірки – в n-ділянку. Виникають ділянки з надмірними концентраціями нерухомих зарядів неосновного носія для даного типу напівпровідника. Таким чином виникає внутрішнє дифузійне поле Езап p-n переходу, і встановлюється контактна різниця потенціалів між двома типами напівпровідника, яка залежить від матеріалу, домішки і ступеня її концентрації.