Overview
מקור: דרק וילסון, אסנטה קוריי, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, בית הספר למדעי הפיזיקה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה
מוליכים למחצה הם חומרים שהיכולת שלהם לנהל זרם חשמלי תלויה מאוד בטמפרטורה שלהם וברמת הטומאה שלהם. הסוג הנפוץ ביותר של חומר מוליכים למחצה הוא סיליקון גבישי. רוב המוליכים למחצה הטהורים אינם מוליכים מצטיינים; כדי לשפר את המוליכות, מוליך למחצה טהור משולב לעתים קרובות או "מסומם" עם טומה. זיהומים אלה הם או תורמים, כמו זרחן וארסן, שתורמים אלקטרונים לסיליקון, או מקבלים, כמו בורון ואלומיניום, שגונבים אלקטרונים מהסיליקון. כאשר מקבלים לוקחים אלקטרונים מהסיליקון, הם משאירים אזורים של מטען חיובי הנקראים "חורים" שמתנהגים ביעילות כאלקטרונים טעונים באופן חיובי.
מוליך למחצה מסוג p נוצר כאשר סימום יוצר חורים שהם מוביל המטען הדומיננטי בחומר. מוליך למחצה מסוג n נוצר כאשר מוליך למחצה מסומם כך שמעביר המטען הדומיננטי הוא האלקטרון. כפי שניתן לצפות, נוצר צומת p-n בגבול שבין המוליך למחצה מסוג p למוליך למחצה מסוג n. האינטראקציה של אלקטרונים וחורים בצומת מעוררת את ההתנהגות המדהימה הנראית ברכיבי מעגלים כגון דיודות וטרנסיסטורים. מעבדה זו תבדוק את המאפיינים של צומת p-n יחיד בצורה של דיודת מוליכים למחצה.
Principles
בצומת שבין החומרים מסוג p ו- n, האלקטרונים מ זיהומים התורם במוליכים למחצה מסוג n משתלבים עם החורים מהמוליך למחצה מסוג p. ההטמעה של התורם במוליך למחצה מסוג n מאבדת אלקטרון והופכת ליון חיובי. ההסמכה בסוג ה-p מקבלת את האלקטרון הזה ויוצרת יונים שליליים. "אזור הדלדול" המקיף את הצומת הופך לחסר באלקטרונים ובחורים. באזור הדלדול, אזור החומר מסוג n מלא כעת ביונים חיוביים, והחומר מסוג p נשלט על-ידי יונים שליליים. היונים החיוביים דוחים אלקטרונים מהצד n-type של הצומת, בעוד היונים השליליים להדוף חורים מהצד p-type של הצומת. השדה החשמלי מהצטברות היונים בצומת p-n מונע למעשה מאלקטרונים או חורים לזרום לאורך הצומת.
עם זאת, אם מתח חזק מספיק מוחל על פני צומת p-n, זרם יכול להתבצע לזרום שוב. אם ירידת מתח חיובית ממוקמת על פני הצומת (כלומר, ירידה במתח מחומר מסוג p לחומר מסוג n), ייתכן שהשדה החשמלי המיושם יוכל להתגבר על הכוח מהיונים ויכול לדחוף אלקטרונים מעבר לצומת. הצומת הוא אמר להיות "מוטה קדימה" במקרה זה. לעומת זאת, אם ירידת מתח שלילי מוחלת על פני הצומת (כלומר, ירידה במתח מחומר מסוג n לחומר מסוג p), אז המתח המוחל מוסיף דחייה נוספת לדחייה הקיימת מהיונים, והזרם אינו יכול לזרום. בתצורה זו, הצומת הוא "מוטה לאחור". הזרם יכול לזרום רק בכיוון אחד דרך צומת p-n.
משוואת דיודת Shockley מתארת את הזרם, זורם דרך צומת p-n כפונקציה של הטמפרטורה שלו ואת ירידת המתח על פני זה:
(משוואה 1)
כאשר ישבתי הוא זרם הרוויה בדרך כלל אמפרס (A), e הוא מטען אלקטרונים שווה 1.602 10-19 קולומב (C), V הוא ירידת המתח על פני הדיודה ב Volts (V), n הוא פרמטר ללא ממד המשתנה בין 1 ל 2 ומהווה פגמים בדיודה (n = 1 עבור דיודה אידיאלית), הוא קבוע של בולטזמן 1.38 10-23 מ'2 ק"גs -2 K-1,ו T היא טמפרטורת הדיודה בקלווינס (K). זרם הרוויה הוא הזרם הזעיר שעדיין מצליח לזרום גם כאשר הדיודה מוטה לאחור. ניתן לראות כי הזרם גדל באופן אקספוננציאלי עבור מתחים חיוביים והוא מעומך באופן אקספוננציאלי על ידי מתחים שליליים. יש גם תלות בטמפרטורה חזקה. טמפרטורות גבוהות מקטין את הזרימה הנוכחית, וטמפרטורות נמוכות לגרום לזרם לעלות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. התבונן בהתנהגות של צומת p-n בצורה של דיודת מוליכים למחצה ומדוד את עקומת אופייני המתח הנוכחי שלה.
- השג דיודה מוליכים למחצה, נורית LED (דיודת פולטת אור), מקור כוח, שני מולטי-מונים דיגיטליים, נגד 1 kΩ, כמה כבלי בננה ומחברים, ומדחום.
- תראה את דיודת המוליכים למחצה. צריכה להיות להקה על אחד הקצוות שלה. הצד עם הלהקה הוא "הקתודה". הצד ללא הלהקה הוא "אנודה".
- ודא שאספקת החשמל כבויה לפני חיבור רכיבי מעגל. באמצעות כבלי הבננה, חברו את המסוף החיובי של מקור הכוח לצד אחד של הנגד, ואת הצד השני של הנגד לאנודה של הדיודה. לאחר מכן, חברו מולטימטר במצב אמטר לקתודה של הדיודה, וחברו את המסוף השני של האמד למסוף השלילי של מקור הכוח כדי להשלים את המעגל.
- תקליט את הטמפרטורה בחדר.
- הגדר את ספק הכוח כדי ליצור זרם ישיר של 5 V ולאחר מכן הפעל אותו.
- מקם את ההובלה החיובית של המולטימטר על האנודה של הדיודה ואת העופרת השלילית על הקתודה.
- בתצורה זו, הדיודה נחשבת מוטה קדימה, ולכן צריך להיות זרם זורם דרך המעגל, ואת multimeter צריך להציג מתח. הקלט את המתח ואת הזרם שהמוני מטרים מציגים.
- התאם את ספק הכוח כדי ליצור מתח שונה. הקלט את קריאות המתח והזרם משני המולטימטרים, שעדיין צריכים להיות מחוברים לרוחב ובסדרה עם הדיודה.
- חזור על השלב הקודם מספר פעמים עבור טווח מתחים. הקלט את טמפרטורת הסביבה במהלך כל חזרה גם כן.
- הסר את המולטימטר וכבה את ספק הכוח. בעוד מתחים אלה אינם ברמה מסוכנת, זה תמיד הבטוח ביותר לכבות את ספק הכוח בעת טיפול ברכיבי מעגל.
- שמור על כל החיבורים והגדר אותו הדבר, למעט להפוך את הדיודה. הקתודה מחוברת כעת למקום שבו האנודה הייתה מחוברת בעבר, ולהיפך לאנודה.
- הפעל מחדש את ספק הכוח וחבר מחדש את המולטימטר על פני הדיודה, עם העופרת החיובית של המולטימטר על האנודה של הדיודה והעופרת השלילית על הקתודה.
- הקלט את המתח והזרם החדשים המוצגים. ייתכן שיהיה צורך להתאים את הרגישות של המולטימטר. הדיודה מוטה כעת לאחור, כך שרק זרם זעיר יורשה לזרום דרך המעגל.
- השתמש במשוואת דיודת Shockley כדי לחשב את הזרם העובר דרך הדיודה כפונקציה של המתח על פני הדיודה וטמפרטורת הדיודה. נניח שישבתי = 4 10-10 A.
- כבה את ספק הכוח והחלף את הדיודה ב-LED.
- LED יהיה שתי סיכות. הסיכה הארוכה יותר היא האנודה, והסיכה הקצרה יותר היא הקתודה. שים לב ל- LED בתצורות מוטות קדימה ומוטה לאחור.
- שים לב שמכיוון שהזרם זורם רק כאשר ה- LED מוטה קדימה, ה- LED יואר רק כאשר בתצורה מוטה קדימה ויהיה כהה בתצורה המוטה לאחור.
מוליכים למחצה נמצאים בשימוש נרחב לבניית אלקטרוניקה והם הבסיס לתעשיית המוליכים למחצה העולמית.
מוליך למחצה הוא חומר מוצק כי בדרך כלל יש מוליכות בין זה של מבודד לבין זה של רוב המתכות כמו נחושת או זהב. הסוג הנפוץ ביותר של חומר מוליכים למחצה הוא סיליקון גבישי, אשר זמין בצורה של ופלים דקים, מלוטשים.
ישנם שני סוגים עיקריים של מוליכים למחצה, p-type ו- n-type. אלה מפוברקים זה לצד זה ובתצורות שונות לבניית התקני מוליכים למחצה כגון צמתים p-n או טרנזיסטורים p-n-p. לכל תצורה תכונות חשמליות ייחודיות שימושיות במכשירים אלקטרוניים שונים.
וידאו זה יציג את העקרונות הבסיסיים של חומרים מוליכים למחצה ומאפיינים של צמתים p-n בצורה של דיודה. לאחר מכן, הוא ימחיש פרוטוקול שלב אחר שלב כדי לאפיין דיודה, ואחריו כמה יישומים בעולם האמיתי של מוליכים למחצה.
רוב המוליכים למחצה הטהורים או המהותיים, כמו סיליקון, אינם מוליכים חשמליים מצטיינים. הסיבה לכך היא שלכל אטום סיליקון יש ארבעה אלקטרונים בהערכתו או במעטפת החיצונית ביותר שלו. הוא חולק אלקטרונים אלה עם אטומי סיליקון שכנים כדי ליצור קשרים קוולנטיים, ויוצר מבנה סריג נטול אלקטרונים חופשיים. לכן מוליך למחצה נעשה מוליך יותר על ידי תוספת של זיהומים, תהליך הידוע גם בשם סימום, כדי ליצור מוליכים למחצה מסוממים או קיצוניים.
זיהומים אלה הם משני סוגים: תורמים ומקבלים. "לתורמים", כמו זרחן וארסן, יש חמישה אלקטרונים במעטפת הערכיות שלהם. ארבעה מהם משמשים ליצירת קשרים קוולנטיים עם אטומי סיליקון סמוכים. לאחר מכן, האלקטרון הנותר חופשי לנוע דרך הסריג. סוג זה של מוליכים למחצה מסוממים, שבו אלקטרונים הם נושאי המטען הדומיננטיים, נקרא מוליך למחצה מסוג n.
עכשיו, אם ההטיה היא מולקולת קבלה, כמו בורון או אלומיניום, התוצאה שונה. לקבלים האלה יש רק שלושה אלקטרונים במעטפת הערכיות שלהם. לכן, כאשר אטום מקבל יוצר קשרים עם אטומי הסיליקון שמסביב, הוא משאיר מאחוריו אזור של מטען חיובי הנקרא "חור" שמתנהג ביעילות כאלקטרון טעון חיובית. החור חופשי כעת לנוע דרך הסריג. סוג זה של מוליכים למחצה מסוממים, שבו חורים הם ספקי הטעינה של הרוב, נקרא מוליך למחצה מסוג p.
עכשיו, כאשר אזור על גבי גביש מוליך למחצה יחיד או רקיק מסומם עם אטומים תורם, ואזור סמוך מסומם עם אטומים מקבלים, נוצר צומת p-n. הממשק בין אזור ה- p לאזורי n נקרא גבול הצומת.
בגבול הצומת, האלקטרונים העודפים באזור n מפוזרים לכיוון אזור p, ובו זמנית החורים העודפים באזור p מפוזרים לכיוון n-region.
כתוצאה מההתפזרות הזו, האטומים התורמים באזור n הופכים ליונים חיוביים חסרי תנועה, בעוד האטומים המקובלים באזור p הופכים ליונים טעונים שליליים. לכן, בגבול שבין אזורים p ו- n, נוצר "אזור דלדול" כי הוא לקוי אלקטרונים ניידים וחורים נוצר.
היונים השליליים באזור הדלדול מסוג p דוחים את האלקטרונים המתפזרים מאזור ה-n לאזור ה-p, בעוד היונים החיוביים באזור הדלדול מסוג n דוחים את החורים המתפזרים מאזור ה-p לאזור n.
במילים אחרות, השדה החשמלי מהצטברות היונים באזור המדולדלות חוסם למעשה את הזרם מלזרום על פני הצומת. עם זאת, ניתן לגרום לזרם לזרום שוב על ידי החלת מתח על פני הצומת.
אם מוחלת ירידת מתח חיובית, הידועה גם בשם "הטיה קדמית", רוחב אזור הדלדול פוחת, מקטין את השדה החשמלי של האזור, שבגללו אלקטרונים וחורים קופצים על פני הצומת, וכך הזרם זורם דרך התצורה.
לעומת זאת, אם טיפת מתח שלילי מוחלת על פני הצומת, המכונה "הטיה הפוכה", אז רוחב אזור דלדול גדל. זה בתורו מגביר את כוח השדה החשמלי של האזור והתנגדות לזרימה של אלקטרונים וחורים על פני הצומת.
הזרם זורם רק בכיוון אחד דרך צומת p-n. משוואת דיודת Shockley יכולה לשמש לחישוב זרם זה כפונקציה של ירידת המתח והטמפרטורה של הדיודה. כאן, 'e' הוא המטען האלקטרוני, 'n' הוא גורם אידיאלי המאפיין כיצד דיודה אמיתית מבצעת יחסית לדיודה אידיאלית, 'Kb' הוא הקבוע של בולצמן, ו- 'Isat' הוא זרם הדליפה הקטן הזורם דרך המכשיר גם כאשר הוא מוטה לאחור.
לאחר השלמת היסודות, הבה נסקור כעת פרוטוקול שלב אחר שלב כדי לאפיין צומת p-n. ראשית להשיג את החומרים הדרושים ומכשירים, כלומר דיודת מוליכים למחצה, דיודת פולטת אור או LED, מקור כוח, שני מולטים דיגיטליים, נגד 1 ק"מ, כמה כבלי בננה ומחברים, ומדחום.
תסתכל על דיודת המוליכים למחצה ותוודא שיש מסוף אדום ומסוף שחור. הטרמינל השחור נקרא הקתודה והמסוף האדום הוא האנודה.
לאחר מכן, חבר את הנגד בסדרה עם האנודה של הדיודה. לאחר מכן, באמצעות כבלי הבננה, חבר את המסוף החיובי של מקור הכוח לקצה הלא מחובר של הנגד. לאחר מכן חברו את הקתודה של הדיודה למסוף החיובי של מד-מטר ואת המסוף השלילי של האמטר למסוף השלילי של מקור הכוח כדי להשלים את המעגל כדי להשלים את המעגל.
הדיודה מוטה כעת קדימה. תיעד את טמפרטורת החדר. לאחר מכן, הגדר את ספק הכוח כדי להאכיל +5 וולט זרם ישיר דרך המעגל.
כמו הדיודה מוטה קדימה, צריך להיות זרם זורם דרך המעגל, ומתח טיפה על פני הדיודה.
לאחר מכן, חבר את ההובלה החיובית של מולטימטר שני על האנודה של הדיודה, ואת ההובלה השלילית על הקתודה. ודא שהמולטימטר נמצא במצב מד-ים ומדוד את ירידת המתח. כמו כן, שים לב לזרם כפי שנרשם על-ידי האמטר.
עכשיו, להתאים את ספק הכוח כדי ליצור מתח שונה ולתעד את הירידה המתאימה על פני הדיודה באמצעות מד הוולט, ואת הזרם דרכו באמצעות ammeter.
כמו כן, שים לב לטמפרטורת הסביבה עבור כל קריאה, וחזור על הפרוטוקול עבור מגוון של מתחי דיודה.
לאחר שכל המדידות נרשמות, נתק את מד הוולטמטר וכבה את ספק הכוח. שמירה על כל השאר זהה, הפוך את הדיודה כך חיבורי אנודה וקתודה הפוכים כעת ואת הדיודה מחובר במצב הטיה הפוכה.
הפעל את ספק הכוח וחבר מחדש את מד הוולטמטר לאורך הדיודה, כאשר העופרת החיובית של המולטימטר מחוברת לאנודה של הדיודה והמוביל השלילי לקתודה.
תעד את ירידת המתח על פני הדיודה, הטמפרטורה והזרם הזורם דרך הדיודה למגוון מתחי דיודה. כבה את ספק הכוח ותנתק את הדיודה.
לבסוף, חבר נורית LED במקום הדיודה, ובחן את נורית ה- LED בתצורות הטיה קדמית ואחורה הן עבור טווח של ירידות מתח.
עם השלמת הפרוטוקול כעת, בואו נסקור את התוצאות של הניסוי קדימה והטיה הפוכה הן באמצעות הדיודה והן באמצעות ה- LED. ראשית, לחשב את הזרם עובר דרך הדיודה עבור טיפות מתח שונות באמצעות משוואת דיודת Shockley והיצרן סיפק ערך Isat. לדוגמה, עבור טמפרטורה של 293 קלווין ומתח דיודה נמדד של 555 מילי-וולט, הזרם דרך הדיודה יכול להיות 0.913 מילי-אמפרים.
תוצאות אופייניות למדידות המעגל כאשר הדיודה מחוברת בהטיה קדימה ואחורה מפורטות בטבלה. הזרם המחושב והמדוד מתוות כפונקציה של מתח הדיודה הנמדד. זה נקרא "העקומה האופיינית" של הדיודה.
העלילה מציגה את התלות המעריכית הן של הזרמים המדודים והן של הזרמים המחושב במתח הדיודה. באופן ספציפי, הוא ציין כי כאשר הדיודה מוטה קדימה, זה מאפשר לזרם לזרום דרך.
אבל כאשר הדיודה מוטה לאחור, אין זרם זורם דרכו, מה שהופך אותו למעשה שסתום המאפשר רק את זרימת הזרם בכיוון אחד. הזרם הזעיר שעדיין מצליח לזרום, גם כאשר הדיודה מוטה לאחור, הוא זרם הרוויה.
מוליכים למחצה מהווים את הבסיס של תעשיית האלקטרוניקה כולה, החל נורות LED פשוטות המשמשות בתצוגות הטלוויזיה שלנו ועד למחשבי העל המורכבים המשמשים למטרות טיפול בנתונים מדעיים.
מוליכים למחצה משמשים לא רק לבניית צמתים p-n או דיודות, אלא גם טרנזיסטורים, שהם צמתים n-p-n או p-n-p. טרנזיסטורים אלה הם הבסיס של כל האלקטרוניקה המודרנית, שכן ניתן להשתמש בהם לבניית שערים לוגיים, שהם מעגלים שיכולים לבצע פעולות לוגיות בוליאנית בסיסיות כגון AND, OR, NOT ו- NAND. ניתן לשלב פעולות לוגיות אלה לפי הצורך כדי לבצע פעולות מורכבות יותר, כגון חיבור דיגיטלי וכפל. זה יכול אפילו לשמש לבניית מעבדי מחשב וזיכרון.
חומרים מוליכים למחצה יכולים לשמש גם כדי ליצור אור ליישום באלקטרוניקה אופטית. לדוגמה, דיודת פולטת אור או נורית LED היא צומת p-n הפולט אור בעת הפעלה. כאשר מתח מתאים מוחל עליו, אלקטרונים recombine עם חורים בתוך המכשיר, שחרור אנרגיה בצורה של אור.
נורות LED העשויות ממוליכים למחצה הן מקורות אור חסכוניים יותר באנרגיה מאשר נורת ה ליבון המסורתית. לכן, נוריות LED מצאו יישומים בתאורת סביבה ומשימות, צגים אלקטרוניים וטכנולוגיית תקשורת מתקדמת.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למוליכים למחצה. עכשיו אתה צריך להבין את היסודות של מוליכים למחצה ואת העקרונות, פועל ומאפיינים של צומת p-n. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
תוצאות אופייניות עבור מדידות המעגל מוצגות בטבלה 1. משוואת דיודת Shockley מתארת את הזרם באמצעות דיודה כפונקציה של טמפרטורת הדיודה והמתח יורד על פניה. לטמפרטורה של 293.0 K, מתח של 555 mV על פני הדיודה, ומקדם אידיאליות שרירותי (אך מייצג) של n = 1.5,
הזרם דרך הדיודה מחושב עבור כל המתחים הנמדדים. העקומה האופיינית לדיודה (זרם כפונקציה של מתח) מתוותת באיור 1. התלות המעריכית של הזרם במתח ניכרת בבירור. כאשר היא מוטה קדימה, הדיודה מאפשרת לזרם לזרום. כאשר מוטה לאחור, רק זרם הרוויה מיקרוסקופי יכול לזרום, ביעילות מה שהופך את הדיודה שסתום המאפשר רק את זרימת הזרם בכיוון אחד.
טבלה 1: תוצאות.
| מתח נמדד (V) | טמפרטורה נמדדת (K) | זרם נמדד
(מ.א) |
זרם מחושב (mA) |
| 0.555 | 293.0 | 0.372 | 0.913 |
| 0.617 | 293.1 | 1.813 | 4.66 |
| 0.701 | 293.1 | 114.67 | 42.7 |
| -0.523 | 293.2 | 0.0014 | -4 * 10-7 |
| -0.620 | 293.0 | 0.0011 | -4 * 10-7 |
| -0.695 | 292.9 | 0.0008 | -4 * 10-7 |
איור 1: נקודות תיאורטיות משוואת דיודת שוקלי הן בכחול. נקודות נתונים שנמדדו באדום. גורם אידיאליות שרירותי של n = 1.5 שימש במשוואת דיודת Shockley. הפער בין ערכים מדודים לבין ערכים תיאורטיים עלול להיעלם אם גורם האידיאליות האמיתי של הדיודה היה ידוע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
מעבדה זו חקרה את המאפיינים של מוליכים למחצה וצומת p-n בצורה של דיודת מוליכים למחצה. דיודה היא רכיב מעגל המורכב מצומת p-n אחד. העקומה האופיינית של הדיודה נמדדה, והדיודה נצפתה לנהל זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד. נורית LED מכילה סוג מיוחד של צומת p-n הפולט אור בנוסף להתנהלות חד-כיוונית.
מוליכים למחצה נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית האלקטרוניקה. דיודות מוליכים למחצה מכילות רק צומת P-n יחיד, ואילו טרנזיסטורים עשויים מצמתים n-p-n ו- p-n-p; כלומר, שני צמתים פי-אן ממש אחד ליד השני. טרנזיסטורים מוליכים למחצה הם הבסיס כמעט לכל האלקטרוניקה המודרנית. ניתן להשתמש בהם לבניית שערים לוגיים, שהם מעגלים שיכולים לבצע פעולות לוגיות בוליאנית בסיסיות כגון AND, OR, NOT ו- NAND. ניתן לשלב פעולות לוגיות אלה כדי לבצע פעולות מורכבות יותר כגון חיבור וכפל, ואף ניתן להשתמש בהן לבניית מעבדי מחשב וזיכרון. נורות LED העשויות ממוליכים למחצה הן מקורות אור חסכוניים יותר באנרגיה מאשר נורות ליבון מסורתיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
