Θέµατα που θα καλυφθούν

Transcript

1 Ηµιαγωγοί Semiconductors 1

2 Θέµατα που θα καλυφθούν Αγωγοί Conductors Ηµιαγωγοί Semiconductors Κρύσταλλοι πυριτίου Silicon crystals Ενδογενείς Ηµιαγωγοί Intrinsic semiconductors ύο τύποι φορέων για το ρεύµασεηµιαγωγούς Νόθευση Ηµιαγωγών Doping a semiconductor ύο τύποι εξωγενών Ηµιαγωγών p,n Ηδίοδοςχωρίςπόλωση 2

3 Θέµατα που θα καλυφθούν (συνέχεια) Ορθή πόλωση Forward bias Ανάστροφη πόλωση Reverse bias Κατάρρευση Breakdown Ενεργειακά επίπεδα Energy levels Το δυναµικό φραγµού σε συνάρτηση µε την θερµοκραδία Barrier potential and temperature Ανάστροφα πολωµένη δίοδος Reverse-biased diode Φωτοεκπέµπυσες ίοδοι Light Emitting Diodes (LEDs) Φωτοδίοδοι Photodiodes PDs 3

4 [2] 4

5 [3] 5

6 Electron charge = coulombs [3] 6

7 [3] 7

8 8

9 [3] 9

10 [3] 10

11 [3] 11

12 12

13 Αγωγός Conductor Υλικό που επιτρέπει την ροή ρεύµατος Παραδείγµατα: χαλκός copper, άργυρος silver, χρυσός gold Οικαλύτεροιαγωγοίέχουνένα ηλεκτρόνιο σθένους valence electron 13

14 Ατοµική δοµήχαλκούcopper 14

15 Πυρήνας Ηστιβάδασθένους-Valence ήεξωτερική τροχιά ελέγχει τις ηλεκτρικές ιδιότητες Ο πυρήνας του ατόµου χαλκού έχει καθαρό φορτίο + 1 Το ηλεκτρόνιο της στιβάδας σθένους είναι χαλαρά συνδεδεµένο 15

16 Απλοποιηµένο διάγραµµαπυρήνα Χαλκού 16

17 Ελεύθερο Ηλεκτρόνιο Η έλξη µεταξύ του πυρήνα και του ηλεκτρονίου σθένους είναι ασθενής Με εξωτερική διέγερση (θερµοκρασία,φώς..) το ηλεκτρόνικο σθένους γίνεται ελεύθερο και δεν είναι δεσµευµένο στο άτοµο 17

18 Ηµιαγωγός Semiconductor Ένα στοιχείο µε ηλεκτρικές ιδιότητες ανάµεσα σε αυτές του αγωγού και του µονωτή. 18

19 Παραδείγµατα Ηµιαγωγών Οι ηµιαγωγοί τυπικά έχουν 4 ηλεκτρόνια σθένους valence electrons Germanium Γερµάνιο Silicon Πυρίτιο 19

20 [3] 20

21 Το πυρίτιο (Si) ανήκει στην στήλη 4 (IV) του περιοδικού πίνακα 21

22 Ηµιαγώγιµαστοιχεία 22

23 23

24 Απλοποιηµένα διαγράµµατα πυρήνα χαλκού και πυριτίου Ένα ηλεκτρόνιο σθένους 4 ηλεκτρόνια σθένους Copper Silicon Ο πυρήνας µαζί µε τις εσωτερικές στιβάδες (τροχιές) ηλεκτρονίων 24

25 Άτοµα Πυριτίου σε κρύσταλλο µε διαµοιρασµένα ηλεκτρόνια Κορεσµός ζώνης σθένους Valence saturation: n = 8 Λόγω του ότι τα ηλεκτρόνια σθένους είναι δεσµευµένα, ο κρύσταλλος του πυριτίου σε θερµοκρασία δωµατίου συµπεριφέρεται σαν µονωτής 25

26 Οµοιοπολικοί δεσµοί Eτεροπολικοί δεσµοί µε ηλεκτροστατικέςδυνάµεις Coulomb-ιόντα που συγκρατούνται µεταξύ τους. Όταν πλησιάσουν τα νέφη ασκούνται απωστικές δυνάµεις και τελικά έχουµε ισορροπία Οι οµοιοπολικοί δεσµοί σχηµατίζονται λόγω των κοινών ηλεκτρονίων που µοιράζονται µεταξύ τους άτοµα 26

27 υναµική ενέργεια αλληλεπίδρασης ατόµων σε µόριο Ενέργεια Απόσταση µεταξύ ατόµων Ηδυναµική ενέργεια δύο ατόµων που πλησιάζουν µεταξύ τους παρουσιάζει ελάχιστο στην απόσταση που δηµιουργείται ο οµοιοπολικός δεσµός (διείσδυση ηλεκτρονικών φλοιών..) 27

28 Ενεργειακά Επίπεδα Η ενέργεια που αντιστοιχεί σε κάθε ένα ηλεκτρόνιο µετριέται σε electron volts (ev) 28

29 29

30 Ενεργειακά επίπεδα (στάθµες) στα άτοµα Θεωρούµε την ενέργεια σε άπειρη απόσταση 0 (αναφορά) Όσο µακρύτερα είναι τα ηλεκτρόνια από τον πυρήνα τόσο µεγαλύτερη η ενεργειακή κατάσταση, και κάθε ηλεκτρόνιο που έχε αποµακρυνθεί (ελεύθερο απότοάτοµο στο οποίο ήτα δεσµευµένο βρίσκεται σ υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση από οποιοδήποτ άλλο στην ατοµική δοµή 30

31 Ενεργειακά επίπεδα Για να µετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο σε ανώτερη στοιβάδα χρειάζεται επιπλέον ενέργεια. Όταν ένα ηλεκτρόνιο µεταπηδά σε χαµηλότερη τροχιά, χάνει ενέργεια µε την µορφή θερµότητας, φωτός και άλλης ακτινοβολίας. Τα LED s είναι ένα παράδειγµαόπου µέρος αυτής της δυναµικής ενέργειας µετατρέπεται σε φώς. 31

32 Οι ενεργειακές στάθµες εξηγούν τα φαινόµενα των φασµατικών γραµµών που παρατηρούνται Μετάβαση από µία στάθµη υψηλότερης ενέργειας σε µία χαµηλότερη έχει σαν αποτέλεσµα τηνεκποµπή φωτός-φωτονίου µε µήκος κύµατος τέτοιο ώστε αν Ε=Ε2-Ε1 η διαφορά ενέργειας των ενεργειακών σταθµών να ισχύει Ε=hν όπου ν η συχνότητα του φωτός και h ησταθεράplank (h= Js) Ισχύει ότι c=λν όπου λ το µήκος κύµατος του φωτονίου που εκπέµπεται και c η ταχύτητα του φωτός 32

33 Ε=hν Επίσης αν δεχθεί ενέργεια το ηλεκτρόνιο (φώς, θερµότητα..) µπορεί να µετακινηθεί σε τροχιά µε µεγαλύτερη ενέργεια 33

34 34

35 Si Οι στάθµες ενέργειας των ηλεκτρονίων σθένους για το Si εκφυλίζονται σε δύο ενεργειακές ζώνες. Την ζώνη αγωγιµότητας και την ζώνη σθένους. Η ζώνη αγωγιµότητας αποτελείται από 4Ν στάθµες ενέργειας κενές ηλεκτρονίων στο απόλυτο µηδέν. Επειδή όµως η ενεργειακή τους απόσταση είναι µικρή (ενεργειακό χάσµα E G =1,1 ev) µε προσφορά ενέργειας (θερµότητα, φώς) µεταπηδούν ηλεκτρόνια στην ζώνη αγωγιµότητας. ηµιουργούνται 35 οπές στην ζώνη σθένους

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 Κρύσταλλοι Η δοµή των κρυσταλλικών στερεών χαρακτηρίζεται από την επανάληψη στον χώρο µιας βασικής δοµής (σύνολο ατόµων, µορίων ή ιόντων). Στα άµορφα στερεά δεν υπάρχει αυτή η κανονικότητα στην δοµή. Οι δοµές αυτές µπορεί να αποτελούνται από ένα άτοµο που µε συγκεκριµένη δοµή τοποθετείται στον χώρο. Στις πρωτεϊνες έχουµε κρυστάλλους µε χιλιάδες ατόµων σε µια επαναλαµβανόµενη διάταξη στον χώρο. 43

44 οµή του κρυστάλλου πυριτίου Silicon crystal structure 44

45 Στο εσωτερικό ενός κρυστάλλου πυριτίου Μερικά ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές δηµιουργούνται από θερµική ενέργεια. Κάποιααπόταελεύθεραηλεκτρόνιακαι οπές επανασυνδέονται. Η επανασύνδεση (Recombination) χρονικά εκτείνεται από µερικά nanoseconds έως microseconds. Κάποια ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές µένουν σ αυτή την κατάσταση έως ότου επανασυνδεθούν. 45

46 Στο εσωτερικό ενός κρυστάλλου πυριτίου 46

47 Ενδογενής Ηµιαγωγός Intrinsic Semiconductor O καθαρός ηµιαγωγός Ένας κρύσταλλος πυριτίου είναι ενδογενής intrinsic αν το κάθε άτοµο στον κρύσταλλο είναι άτοµο πυριτίου ύο τύποι φορέων φορτίου για την ροή του ρεύµατος: ηλεκτρόνια -electrons και οπές-holes 47

48 Αγωγή στα µέταλλα 48

49 Αγωγή στα µέταλλα 49

50 Αγωγή στα µέταλλα 50

51 Αγωγή σε ηµιαγωγούς 51

52 Αγωγή σε ηµιαγωγούς 52

53 Αγωγή σε ηµιαγωγούς 53

54 Αγωγή σε ηµιαγωγούς 54

55 Αγωγή σε ηµιαγωγούς Σε ενδογενή κρύσταλλο γερµανίου η συγκέντρωση ενδογενών φορέων στην θερµοκρασία του δωµατίου είναι n i =2, cm -3. Στην ίδια θερµοκρασία οι ευκινησίες οπών και ηλεκτρονίων είναι µ h =1900 cm 2 /V sec και µ e =3900cm 2 /V sec. Να προσδιοριστεί η αντίσταση δείγµατος κύβου πλευράς L=1cm. ίνεται το φορτίο του ηλεκτρονίου q=1, Cb. 55

56 Η ειδική αγωγιµότητα ενδογενούς ηµιαγωγού δίνεται από τη σχέση, αντικαθιστώντας τις τιµές προκύπτει, σ=0,0224 (Ω cm) -1 Oπότε, η ειδική αντίσταση είναι, Η αντίσταση του υλικού δίνεται από τη σχέση R=ρ (L/S) ρ=1/σ όπου, L=1cm και S=1cm 2 άρα, R 45 Ω Η ειδική αντίσταση υλικού εκφράζει την αντίσταση κύβου πλευράς 1 cm. 56

57 Βιβλιογραφία [1] Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino, Εκδόσεις Τζιόλα [2] Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις Αράκυνθος 2006 [3] Forrest Mims, Getting Started in Electronics,

58 58