9.8: Vifaa vya Semiconductor
- Page ID
- 175254
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza nini kinatokea wakati n- na p-aina vifaa ni alijiunga pamoja kwa kutumia dhana ya utbredningen na drift sasa (zero kutumika voltage)
- Eleza majibu ya makutano ya p-n kwa voltage ya mbele na ya nyuma
- Eleza kazi ya transistor katika mzunguko wa umeme
- Tumia dhana ya makutano ya p-n kuelezea maombi yake katika amplifiers za sauti na kompyuta
Semiconductors wana maombi mengi katika umeme wa kisasa. Tunaelezea vifaa vingine vya msingi vya semiconductor katika sehemu hii. Faida kubwa ya kutumia semiconductors kwa vipengele vya mzunguko ni ukweli kwamba maelfu mengi au mamilioni ya vifaa vya semiconductor vinaweza kuunganishwa kwenye kipande kidogo cha silicon na kushikamana na kufanya njia. Mfumo unaoitwa huitwa mzunguko jumuishi (ic), na chips ic ni msingi wa vifaa vingi vya kisasa, kutoka kwa kompyuta na simu za mkononi kwenye mtandao na mitandao ya mawasiliano ya kimataifa.
Diodes
Labda kifaa rahisi ambacho kinaweza kuundwa na semiconductor ni diode. Diode ni elementi ya mzunguko ambayo inaruhusu sasa umeme kutiririka katika mwelekeo mmoja tu, kama valve ya njia moja (tazama Mfano wa Uendeshaji katika Metali). Diode imeundwa kwa kujiunga na semiconductor ya aina ya p kwa semiconductor n -aina (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Makutano kati ya vifaa hivi huitwa makutano ya p-n. Ulinganisho wa bendi za nishati za diode ya msingi ya silicone inavyoonyeshwa kwenye Mchoro\(\PageIndex{1b}\). Nafasi za bendi za valence na conduction ni sawa, lakini viwango vya uchafu ni tofauti kabisa. Wakati makutano ya p-n yanapoundwa, elektroni kutoka kwa bendi ya uendeshaji wa vifaa vya n -aina huenea kwa upande wa p, ambapo huchanganya na mashimo katika bendi ya valence. Uhamiaji huu wa malipo huacha ions nzuri za wafadhili ionized kwenye ioni ya n na hasi ioni ya kukubali ionized kwenye upande wa p, huzalisha safu nyembamba ya malipo kwenye makutano ya p - n inayoitwa safu ya kupungua. Shamba la umeme linalohusishwa na safu ya kupungua huzuia kutenganishwa zaidi. Nishati ya uwezo wa elektroni kwenye makutano ya p-n hutolewa na Kielelezo\(\PageIndex{2}\).
Tabia ya diode ya semiconductor sasa inaweza kueleweka. Ikiwa upande mzuri wa betri umeunganishwa na nyenzo za aina ya n, safu ya kupungua imeongezeka, na tofauti ya nishati katika makutano ya p-n imeongezeka. Wachache au hakuna elektroni (mashimo) wana nishati ya kutosha kupanda kizuizi cha uwezo, na sasa imepungua sana. Hii inaitwa Configuration ya upendeleo wa reverse. Kwa upande mwingine, ikiwa upande mzuri wa betri umeunganishwa na vifaa vya aina ya p, safu ya kupungua imepungua, tofauti ya nishati katika makutano ya p-n imepunguzwa, na elektroni (mashimo) inapita kwa urahisi. Hii inaitwa usanidi wa upendeleo wa mbele wa diode. Kwa jumla, diode inaruhusu sasa kuzunguka kwa uhuru katika mwelekeo mmoja lakini kuzuia mtiririko wa sasa katika mwelekeo kinyume. Kwa maana hii, diode ya semiconductor ni valve ya njia moja.
Tunaweza kukadiria uhusiano wa hisabati kati ya sasa na voltage kwa diode kutumia dhana ya uwezo wa umeme. Fikiria N vibaya kushtakiwa flygbolag wengi (elektroni walichangia na atomi uchafu) katika n -aina nyenzo na uwezo kizuizi V katika p-n makutano. Kwa mujibu wa usambazaji wa Maxwell-Boltzmann, sehemu ya elektroni ambayo ina nishati ya kutosha kueneza katika kizuizi cha uwezo ni\(Ne^{-eV/k_BT}\). Hata hivyo, ikiwa betri ya voltage\(V_b\) inatumiwa katika usanidi wa mbele, sehemu hii inaboresha\(Ne^{-e(V-V_b)/k_BT}\). Sasa umeme kutokana na flygbolag wengi kutoka upande wa n hadi upande wa p ni kwa hiyo
\[I = Ne^{-eV/k_BT}e^{eV_b/k_BT} = I_0e^{eV_b/k_BT}, \nonumber \]
\(I_0\)wapi sasa na voltage hakuna kutumika na T ni joto. Sasa kutokana na flygbolag wachache (uchochezi wa joto wa elektroni kutoka bendi ya valence hadi bendi ya uendeshaji kwenye upande wa p- na kivutio kinachofuata kwa upande wa n) ni\(-I_0\), huru ya voltage ya upendeleo. Sasa wavu ni kwa hiyo
\[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]
Grafu ya sampuli ya voltage ya sasa dhidi ya upendeleo hutolewa katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Katika usanidi wa upendeleo wa mbele, mabadiliko madogo katika voltage ya upendeleo husababisha mabadiliko makubwa kwa sasa. Katika usanidi wa upendeleo wa reverse, sasa ni\(I_{net} \approx -I_0\). Kwa maadili uliokithiri ya upendeleo reverse, atomi katika nyenzo ni ionized ambayo kuchochea Banguko la sasa. Kesi hii hutokea kwenye voltage ya kuvunjika.
Kuunganisha mwisho mzuri wa betri kwa upande wa p na mwisho hasi kwa upande wa n wa diode ya semiconductor hutoa sasa ya\(4.5 \times 10^{-1} A\). Kueneza kwa sasa ni\(2.2 \times 10^{-8} A\). (Sasa kueneza nyuma ni sasa ya diode katika Configuration reverse upendeleo kama hii.) Voltage betri ni 0.12 V. joto la diode ni nini?
Mkakati
Mpangilio wa kwanza ni usanidi wa upendeleo wa mbele, na pili ni usanidi wa upendeleo wa reverse.
Suluhisho
Ya sasa katika maandalizi ya upendeleo wa mbele na ya nyuma hutolewa na
\[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]
Ya sasa isiyo na upendeleo ni kuhusiana na sasa ya kueneza kwa nyuma
\[I_0 \approx -I_{sat} = 2.2 \times 10^{-8}. \nonumber \]
Kwa hiyo
\[\dfrac{I_{net}}{I_0} = \dfrac{4.5 \times 10^{-1} A}{2.2 \times 10^{-8}A} = 2.0 \times 10^8. \nonumber \]
hii inaweza kuandikwa kama
\[\dfrac{I_{net}}{I_0} + 1 = e^{eV_b/k_BT}. \nonumber \]
Uwiano huu ni mkubwa zaidi kuliko moja, hivyo muda wa pili upande wa kushoto wa equation hutoweka. Kuchukua logi ya asili ya pande zote mbili inatoa
\[\dfrac{eV_b}{k_BT} = 19. \nonumber \]
Kwa hiyo joto ni
\[T = \dfrac{eV_b}{k_B} \left(\dfrac{1}{19}\right) = \dfrac{e(0.12 \, V)}{8.617 \times 10^{-5} eV/K} \left(\dfrac{1}{19}\right) = 73 \, K. \nonumber \]
Umuhimu
Sasa kusonga kwa njia ya diode katika usanidi wa mbele na wa nyuma ni nyeti kwa joto la diode. Ikiwa nishati inayoweza kutolewa na betri ni kubwa ikilinganishwa na nishati ya joto ya mazingira ya diode\(k_BT\), basi upendeleo wa mbele wa sasa ni mkubwa sana ikilinganishwa na sasa ya kueneza kwa nyuma.
Je! Ukubwa wa upendeleo wa mbele unalinganishaje na upendeleo wa sasa?
Suluhisho
Upendeleo wa mbele wa sasa ni mkubwa zaidi. Kwa makadirio mazuri, diodes inaruhusu mtiririko wa sasa katika mwelekeo mmoja tu.
Unda makutano ya p - n na uangalie tabia ya mzunguko rahisi kwa voltages mbele na reverse upendeleo. Tembelea tovuti hii kujifunza zaidi kuhusu diode za semiconductor.
Junction Transistor
Ikiwa diodes ni valves moja kwa moja, transistors ni valves njia moja ambayo inaweza kufunguliwa kwa makini na kufungwa ili kudhibiti sasa. Aina maalum ya transistor ni transistor ya makutano. Transistor ya makutano ina sehemu tatu, ikiwa ni pamoja na semiconductor ya aina ya n, pia huitwa emitter; semiconductor nyembamba ya aina ya p, ambayo ni msingi; na semiconductor nyingine ya n, inayoitwa mtoza (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Wakati terminal nzuri imeshikamana na safu ya aina ya p (msingi), sasa ndogo ya elektroni, inayoitwa sasa ya msingi\(I_B\), inapita kwenye terminal. Hii inasababisha sasa\(I_C\) mtoza mkubwa wa mtiririko kupitia mtoza. Sasa msingi unaweza kubadilishwa ili kudhibiti mtoza mkubwa wa sasa. Faida ya sasa ni kwa hiyo
\[I_c = \beta I_B. \nonumber \]
Transistor ya makutano inaweza kutumika kuimarisha voltage kutoka kipaza sauti ili kuendesha kipaza sauti. Katika programu hii, mawimbi ya sauti husababisha diaphragm ndani ya kipaza sauti ili kuingia na nje haraka (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Wakati diaphragm iko katika nafasi ya “ndani”, voltage ndogo ndogo hutumiwa kwa msingi wa transistor. Hii inafungua “valve” ya transistor na inaruhusu mtiririko mkubwa wa umeme kwa kipaza sauti. Wakati diaphragm iko katika nafasi ya “nje”, voltage ndogo hasi hutumiwa kwa msingi wa transistor, ambayo inafunga valve ya transistor ili hakuna sasa inapita kwa kipaza sauti. Hii inafunga “valve” ya transistor mbali hivyo hakuna sasa inapita kwa kipaza sauti. Kwa njia hii, sasa kwa msemaji hudhibitiwa na mawimbi ya sauti, na sauti imeongezeka. Kifaa chochote cha umeme kinachoongeza ishara kinachoitwa amplifier.
Katika vifaa vya kisasa vya umeme, ishara za digital hutumiwa na diodes na transistors kufanya kazi kama vile kudanganywa kwa data. Mzunguko wa umeme hubeba aina mbili za ishara za umeme: analog na digital (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Ishara ya analog inatofautiana kwa kuendelea, wakati ishara ya digital inachukua kati ya maadili mawili ya voltage, kama vile plus 1 volt na sifuri volts. Katika nyaya za digital kama zile zinazopatikana kwenye kompyuta, transistor hufanya kama kubadili kwa mbali. Transistor inaendelea, maana valve imefunguliwa kabisa, au imezimwa, maana valve imefungwa kabisa. Mzunguko uliounganishwa una makusanyo makubwa ya transistors kwenye kipande kimoja cha silicon. Wao ni iliyoundwa kushughulikia ishara digital kwamba kuwakilisha wale na zero, ambayo pia inajulikana kama binary code. Uvumbuzi wa ic ulisaidia kuzindua mapinduzi ya kisasa ya kompyuta.
