ΜΑΘΗΜΑ 1ο : ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ

Transcript

1 ΜΑΘΗΜΑ 1ο : ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΟΜΗΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΙΑΚΡΙΣΗ ΥΟ ΤΥΠΩΝ ΦΟΡΕΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟΝ ΤΥΠΟ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΠΟΥ ΚΑΘΟΡΙΖΕΙ ΤΟ ΦΟΡΕΑ ΠΛΕΙΟΝΟΤΗΤΑΣ MsC in Telecommunications 1

2 ΑΓΩΓΟΙ Στοιβάδα σθένους του χαλκού Το εξωτερικό ηλεκτρόνιο καλείται συχνά ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ MsC in Telecommunications 2

3 ΓΕΡΜΑΝΙΟ MsC in Telecommunications 3

4 ΠΥΡΙΤΙΟ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ MsC in Telecommunications 4

5 Ηθερµική ενέργεια µπορεί να δηµιουργήσει οπή Οταν η θερµοκρασία περιβάλλοντος είναι πάνω από το απόλυτο µηδέν (-273 C), η θερµική ενέργεια του περιβάλλοντος αναγκάζει τα άτοµα σ' ένα κρύσταλλο πυριτίου να ταλαντώνονται µέσα στον κρύσταλλο πυριτίου. Οσο υψηλότερη είναι η θερµοκρασία περιβάλλοντος, τόσο ισχυρότερες είναι οι µηχανικές δονήσεις αυτών των ατόµων. Οι δονήσεις των ατόµων του πυριτίου µπορούν τυχαία να απελευθερώσουν ένα ηλεκτρόνιο από τη στοιβάδα σθένους. Οταν συµβεί αυτό, το αποδεσµευµένο ηλεκτρόνιο κερδίζει αρκετή ενέργεια για να µεταβεί σε µια ανώτερη τροχιά όπως φαίνεται στο Σχ Σ' αυτή την ανώτερη τροχιά, το ηλεκτρόνιο είναι ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Επιπλέον, η αποµάκρυνση του ηλεκτρονίου αφήνει ένα κενό στη στοιβάδα σθένους που καλείται οπή. Αυτή η οπή συµπεριφέρεται σαν ένα θετικό φορτίο επειδή έλκει και συλλαµβάνει οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο άµεσης γειτνίασης. MsC in Telecommunications 5

6 Ανασύζευξη και Χρόνος Ζωής Σ' ένα καθαρό κρύσταλλο πυριτίου, δηµιουργούνται ίσοι αριθµοί ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών από τη θερµική ενέργεια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται τυχαία µέσα σ' όλο τον κρύσταλλο. Σποραδικά, ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο θα φθάνει σε µια οπή, θα έλκεται απ' αυτή και θα πέφτει µέσα της. Αυτή η συγχώνευση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου και µιας οπής καλείται ανασύζευξη. Ο χρόνος που µεσολαβεί µεταξύ της δηµιουργίας και εξαφάνισης ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου καλείται χρόνος ζωής. Κυµαίνεται µεταξύ µερικών ns ως µερικά µs, ανάλογα µε την τελειότητα του κρυστάλλου και άλλους παράγοντες. Κύρια Σηµεία Κάθε στιγµή, µέσα σ' ένα κρύσταλλο πυριτίου λαµβάνουν χώρα τα εξής: 1. Μερικά ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές δηµιουργούνται λόγω θερµικής ενέργειας. 2. Αλλα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές ανα-συζευγνύονται. 3. Μερικά ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές υπάρχουν σε µια ενδιάµεση κατάσταση, δηλαδή, έχουν δηµιουργηθεί προηγουµένως και ακόµη δεν έχουν ανασυζευχθεί MsC in Telecommunications 6

7 ΕΝ ΟΓΕΝΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Ένας ενδογενής ηµιαγωγός είναι ένας καθαρός ηµιαγωγός. Ένας κρύσταλλος πυριτίου είναι ένας ενδογενής ηµιαγωγός αν κάθε άτοµο στον κρύσταλλο είναι ένα άτοµο πυριτίου. Σε θερµοκρασία δωµατίου, ένας κρύσταλλος πυριτίου ενεργεί περίπου σαν µονωτής επειδή έχει µόνο λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές που παράγονται λόγω θερµικής ενέργειας. Ροή Ελεύθερων Ηλεκτρονίων Το Σχήµα 2-6 δείχνει τµήµα ενός κρυστάλλου πυριτίου µεταξύ φορτισµένων µεταλλικών πλα-κών. Εστω ότι έχουν παραχθεί ένα ελεύθερο ηλε-κτρόνιο και µια οπή λόγω θερµικής ενέργειας. Το ελεύθερο ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε µια µεγάλη τροχιά στο δεξιό άκρο του κρυστάλλου. Λόγω της αρνητικά φορτισµένης πλάκας,το ελεύθερο ηλεκτρόνιο απωθείται προς τα αριστερά. Αυτό το ελεύθερο ηλεκτρόνιο µπορεί να κινείται από µια µεγάλη τροχιά στην επόµενη έως ότου φθάσει στη θετική πλάκα. Ροή Οπών Προσέξτε την οπή στα αριστερά του Σχ Αυτή η οπή έλκει το ηλεκτρόνιο σθένους στο σηµείο Α. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα το ηλεκτρόνιο σθένους να κινηθεί εντός της οπής. Αυτή η δράση δεν εί-ναι ίδια µε την ανασύζευξη όπου ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο πέφτει µέσα σε µια οπή. Αντί ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου, έχουµε ένα ηλεκτρόνιο σθένους που κινείται προς µια οπή. Οταν το ηλεκτρόνιο σθένους στο σηµείο Α κινείται προς τα αριστερά, δηµιουργεί µια νέα οπή στο σηµείο Α. Το φαινόµενο είναι το ίδιο µε την υποθετική κίνηση της αρχικής οπής προς τα δεξιά. Η νέα οπή στο σηµείο Α µπορεί κατόπιν να έλξει και να συλλάβει ένα άλλο ηλεκτρόνιο σθέ-νους. Κατ' αυτό τον τρόπο, τα ηλεκτρόνια σθένους µπορούν να κινούνται κατά µήκος της δια-δροµής που δείχνουν τα βέλη. Αυτό σηµαίνει ότι η οπή µπορεί να κινείται κατά την αντίθετη φορά κατά µήκος της διαδροµής A-B-C-D-E-F. MsC in Telecommunications 7

8 MsC in Telecommunications 8

9 ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ ΕΝΟΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥ Ένας τρόπος αύξησης της αγωγιµότητας ενός ηµιαγωγού είναι ο εµπλουτισµός (doping). Αυτό σηµαίνει πρόσθεση προσµείξεων σ' έναν ενδογενή κρύσταλλο για µεταβολή της ηλεκτρικής του αγωγιµότητας. Ένας ηµιαγωγός µε προσµείξεις καλείται εξωγενής ηµιαγωγός. Αύξηση των Ελευθερών Ηλεκτρονίων Πώς ένας κατασκευαστής εµπλουτίζει ένα κρύσταλλο πυριτίου; Το πρώτο βήµα είναι η τήξη ενός καθαρού κρυστάλλου πυριτίου, µε αποτέλεσµα τη ρήξη των οµοιοπολικών δεσµών και τη µεταβολή του πυριτίου από στερεό σε υγρό. Για αύξηση του αριθµού των ελεύθερων ηλεκτρονίων, προστίθενται πεντασθενή άτοµα στο λυωµένο πυρίτιο. Τα πεντασθενή άτοµα έχουν πέντε ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους. Παραδείγµατα πεντασθενών ατόµων είναι το αρσενικό, το αντιµόνιο και ο φωσφόρος. Επειδή αυτά τα υλικά προσφέρουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο στον κρύσταλλο πυριτίου, συχνά αναφέρονται σαν δότες. MsC in Telecommunications 9

10 Το Σχήµα 2-8a δείχνει πώς ένας εµπλουτισµένος κρύσταλλος πυριτίου φαίνεται µετά την ψύξη του και την επαναφορά του στη στερεή κρυσταλλική του δοµή. Στο κέντρο βρίσκεται ένα πεντασθενές άτοµο που περιβάλλεται από τέσσερα άτοµα πυριτίου. Οπως προηγουµένως, τα γειτονικά άτοµα µοιράζονται ένα ηλεκτρόνιο µε το κεντρικό άτοµο. Αλλά αυτή τη φορά, υπάρχει περίσσεια ενός ηλεκτρονίου. Υπενθυµίζεται ότι κάθε πεντασθενές άτοµο έχει πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Εφόσον µόνο οκτώ ηλεκτρόνια µπορούν να υπάρχουν στη στοιβάδα σθένους, το επιπλέον ηλεκτρόνιο παραµένει σε µια µεγαλύτερη τροχιά. Με άλλα λόγια, είναι ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Αύξηση του Αριθµού των Οπών Πώς µπορούµε να εµπλουτίσουµε ένα καθαρό κρύσταλλο πυριτίου ώστε να έχει περίσσεια οπών; Χρησιµοποιώντας µια τρισθενή πρόσµειξη, της οποίας τα άτοµα έχουν µόνο τρία ηλεκτρόνια σθένους. Παραδείγµατα είναι το αργίλιο, το βόριο, και το γάλλιο. Το Σχήµα 2-8b δείχνει ένα τρισθενές άτοµο στο κέντρο. Περιβάλλεται από τέσσερα άτοµα πυριτίου, το καθένα συνεισφέροντας ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους του. Εφόσον το τρισθενές άτοµο αρχικά είχε µόνο τρία ηλεκτρόνια σθένους και κάθε γειτονικό άτοµο συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο, µόνο επτά ηλεκτρόνια βρίσκονται στη στοιβάδα σθένους. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχει µια οπή στη στοιβάδα σθένους κάθε τρισθενούς ατόµου. Ένα τρισθενές άτοµο καλείται επίσης δεκτής επειδή κάθε οπή που συνεισφέρει µπορεί να δεχθεί ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο κατά τη διάρκεια της ανα-σύζευξης. MsC in Telecommunications 10

11 MsC in Telecommunications 11

12 ΥΟ ΤΥΠΟΙ ΕΞΩΓΕΝΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Ενας ηµιαγωγός µπορεί να εµπλουτισθεί ώστε να έχει περίσσεια ελευθέρων ηλεκτρονίων ή περίσσεια οπών. Λόγω αυτού, υπάρχουν δυο τύποι εµπλουτισµένων ηµιαγωγών. Ηµιαγωγός τύπου -n Το πυρίτιο που έχει εµπλουτισθεί µε µια πεντασθενή πρόσµειξη καλείται ηµιαγωγός τύπου - n, όπου το n σηµαίνει αρνητικό (negative). To Σχήµα 2-9 δείχνει έναν ηµιαγωγό τύπου -n. Εφόσον τα ελευθέρα ηλεκτρόνια είναι περισσότερα από τις οπές σ' έναν ηµιαγωγό τύπου n, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια καλούνται φορείς πλειονότητας και οι οπές καλούνται φορείς µειονότητας. MsC in Telecommunications 12

13 Λόγω της εφαρµοζόµενης τάσης, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εντός του ηµιαγωγού κινούνται προς τα αριστερά και οι οπές προς τα δεξιά. Όταν µια οπή φθάσει στο δεξιό άκρο του κρυστάλλου, ένα από τα ελευθέρα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωµα εισέρχεται στον ηµιαγωγό και ανασυζευγνυεται µε οπή. Τα ελευθέρα ηλεκτρόνια που φαίνονται στο Σχ. 2-9 ρέουν προς το αριστερό άκρο του κρυστάλλου όπου εισέρχονται στον αγωγό και ρέουν προς το θετικό άκρο της µπαταρίας. Εκτός από τα ελευθέρα ηλεκτρόνια, ένα ηλεκτρόνιο σθένους σποραδικά αφήνει το αριστερό άκρο του κρυστάλλου. Η αποκόλληση αυτού του ηλεκτρονίου σθένους δηµιουργεί µια οπή στο αριστερό άκρο του κρυστάλλου. MsC in Telecommunications 13

14 Ηµιαγωγός τύπου -p Το πυρίτιο που έχει εµπλουτισθεί µε µια τρισθενή πρόσµειξη καλείται ηµιαγωγός τύπου - p, όπου p σηµαίνει θετικό (positive). To Σχήµα 2-10 δείχνει έναν ηµιαγωγό τύπου - p. Εφόσον οι οπές είναι περισσότερες από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, οι οπές αναφέρονται σαν φορείς πλειονότητας και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι γνωστά σαν φορείς µειονότητας. Λόγω της εφαρµοζόµενης τάσης, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται προς τα αριστερά και οι οπές κινούνται προς τα δεξιά. Στο Σχ. 2-10, οι οπές που φθάνουν στο δεξιό άκρο του κρυστάλλου ανασυζευγνύονται µε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωµα. Υπάρχει επίσης µια ροή φορέων µειονότητας στο Σχ Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια µέσα στον ηµιαγωγό ρέουν από δεξιά προς τα αριστερά. Επειδή υπάρχουν πολύ λίγοι φορείς µειονότητας, δεν επιδρούν σχεδόν καθόλου σ' αυτό το κύκλωµα. MsC in Telecommunications 14

15 MsC in Telecommunications 15

16 Ηµιαγωγά στοιχεία ίοδος, Transistor, chip MsC in Telecommunications 16