Τεχνολογία Ηλεκτρικών και Ηλεκτρονικών Υλικών. Δρ. Ηλίας Σταθάτος

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Τεχνολογία Ηλεκτρικών και Ηλεκτρονικών Υλικών. Δρ. Ηλίας Σταθάτος"

Μνήμη Παπαϊωάννου
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Τεχνολογία Ηλεκτρικών και Ηλεκτρονικών Υλικών Δρ. Ηλίας Σταθάτος

2 Οι ιδιότητες των υλικών μελετώνται από την Επιστήμη των Υλικών Η αξιοποίηση των δεδομένων τηε Επιστήμης των Υλικών για τεχνολογικούς σκοπούς υλοποιείται από το γνωστικό αντικείμενο που ονομάζουμε Τεχνολογία Υλικών Φυσική Στερεάς Κατάστασης Επιστήμη των Υλικών Τεχνολογία Υλικών

3 Το πυρίτιο είναι το σημαντικότερο υλικό στην κατασκευή ηλεκτρονικών εφαρμογών

4 200 mm and 300 mm Si wafers.

5 GaAs ingots and wafers. GaAs is used in high speed electronic devices, and optoelectronics.

6 pn Junction Si solar cells at work. Honda s two seated Dream car is powered by photovoltaics. The Honda Dream was first to finish 3,010 km in four days in the 1996 World Solar Challenge.

7 The Bipolar Junction Transistor: BJT

11 Υλικά! Θεμελιώδη ερωτήματα Ποιο είναι το Υλικό το οποίο έχουμε Γιατί έχει αυτές τις ιδιότητες Σε τι μας χρησιμεύουν Μακροσκοπικές Ιδιότητες 1) Φυσικές Ιδιότητες 2) Μηχανικές Ιδιότητες 3) Θερμικές Ιδιότητες 4) Ηλεκτρικές Ιδιότητες 5) Μαγνητικές Ιδιότητες 6) Οπτικές Ιδιότητες

12 Κατηγορίες Υλικών (ανάλογα με τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά) 1) Αγωγοί (ρ=1, , Ωm) 2) Μονωτές (ρ= Ωm) 3) Ημιαγωγοί (ρ= Ωm) Ηλεκτρονικές Ιδιότητες = οι ιδιότητες των υλικών που καθορίζονται από τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μετά από την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, μαγνητικού πεδίου, ή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας

13 Οι μακροσκοπικές ιδιότητες των υλικών καθορίζονται από τις μικροσκοπικές 1) Αρχή του Heisenberg (αρχή της απροσδιοριστίας) 2) Κβαντικοί αριθμοί ( n κύριος κβαντικός αριθμός, l κβαντικός αριθμός της στροφορμής, m l μαγνητικός κβαντικός αριθμός λόγω εφαρμογής εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, κβαντικός αριθμός του spin m s 3) Μοριακοί δεσμοί (ιοντικός, ομοιοπολικός, Van Der Walls, Υδρογόνου) Υπεύθυνα για τις ηλεκτρικές μαγνητικές και οπτικές ιδιότητες των υλικών είναι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας

14 Διάταξη e - στο άτομο

15 Τα άτομα στο στερεό UNIT CELL GEOMETRY CUBIC SYSTEM a = b = c 90 Θέσεις ισορροπίας ελαχίστης ενέργειας Συγχώνευση ενεργειακών σταθμών Δημιουργία ενεργειακών ζωνών Διεύρυνση ενεργειακών σταθμών Many metals, Al, Cu, Fe, Pb. Many ceramics and semiconductors, NaCl, CsCl, LiF, Si, GaAs TETRAGONAL SYSTEM a = b c = = = 90 In, Sn, Barium Titanate, TiO 2 ORTHORHOMBIC SYSTEM a b c = = = 90 S, U, Pl, Ga (<30 C), Iodine, Cementite (Fe 3 C), Sodium Sulfate HEXAGONAL SYSTEM a = b c = = 90 ; = 120 Cadmium, Magnesium, Zinc, Graphite Simple orthorhombic Hexagonal Simple cubic Body centered orthorhombic Body centered cubic Simple tetragonal Base centered orthorhombic RHOMBOHEDRAL SYSTEM a = b = c = = 90 Arsenic, Boron, Bismuth, Antimony, Mercury (< 39 C) Face centered cubic Body centered tetragonal Face centered orthorhombic Rhombohedral MONOCLINIC SYSTEM a b c = = 90 Selenium, Phosphorus Lithium Sulfate Tin Fluoride Simple monoclinic Base centered monoclinic TRICLINIC SYSTEM a b c 90 Potassium dicromate Triclinic The seven crystal systems (unit cell geometries) and fourteen Bravais lattices.

16 Δομή Στερεών Τα Στερεά μπορούν να χαρακτηριστούν σαν γιγαντιαία μόρια. Τα άτομα οργανώνονται σε δομές με περιοδική επανάληψη μιας βασικής μονάδας ή συγκροτήματος ατόμων. Πλέγμα είναι η γεωμετρική διάταξη σημείων που έχει προκύψει από σύνολο μετατοπίσεων. Τα σημεία που αποτελούν το πλέγμα ονομάζονται δεσμοί. Η κρυσταλλική δομή ενός στερεού προκύπτει από το σχήμα Δομή=πλέγμα+βάση όπου βάση είναι ένα άτομο ή ομάδα ατόμων που αντικαθιστά τους δεσμούς Ανάλογα με το είδος των μοριακών δεσμών οι κρύσταλλοι διακρίνονται: Α) Ιοντικούς (ισχυροί δεσμοί, υψηλό σημείο τήξης και βρασμού, αγωγιμότητα πολύ μικρή ενός μετάλλου, διαφανείς) Β) Ομοιοπολικούς (μεγάλη σκληρότητα, Ψηλά σημεία τήξης και βρασμού, Μονωτές ή ημιαγωγοί, διαφανείς σε ακτινοβολίες χαμηλής συχνότητας) Γ) Κρύσταλλοι με μεταλλικούς δεσμούς (μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα, μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, συνήθως αδιαφανείς) PbS NaCl

17 Αλλαγή ενεργειακής στάθμης

18 Ενεργειακές Στάθμες και Ζώνες

19 Τα ηλεκτρόνια στο άτομο Τροχιακά Ενεργειακές στάθμες

20 Εξίσωση Schrodinger

21 Electron Energy in the System of N Li Atoms E T FULL EMPTY System of N Li Atoms a Solid solid (N) E B solid (1) 2p 2s E 2p E 2s E 1s SYSTEM N Li Atoms N Electrons N Orbitals 2N States 1s Interatomic Separation (R) Isolated Atoms The formation of a 2s-energy band from the 2s-orbitals when N Li atoms come together to form the Li solid. The are N 2s-electrons but 2N states in the band. The 2s-band therefore is only half full. The atomic 1s orbital is close to the Li nucleus and remains undisturbed in the solid. Thus each Li atom has a closed K-shell (full 1s orbital).

22 Electron energy FULL EMPTY Free electron E = 0 (Vacuum Level) E 3s E 2p E 2s E 1s R = a The Solid Interatomic Separation (R) R = Isolated Atoms As solid atoms are brought together from infinity, the atomic orbitals overlap and give rise to bands. Outer orbitals overlap first. The 3s orbitals give rise to the 3s band, 2p orbitals to the 2p band and so on. The various bands overlap to produce a single band in which the energy is nearly continuous.

23 Electron outside the metal Vacuum Level Electron inside the metal E F0 Electron Energy ev 7.2 ev 4.7 ev Ενεργειακό κατώφλι Ε ονομάζουμε την ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στην κορυφή της ζώνης σθένους για να βρεθεί έξω από τον κρύσταλλο E F0 E B -7.2 ev 0 Typical electron energy band diagram for a metal All the valence electrons are in an energy band which they only partially fill. The top of the band is the vacuum level where the electron is free from the solid (PE = 0).

24 Electron energy κενό E c E v Thermal excitation Ε t E g CB Ενεργειακό κατώφλι Ε t =E oo E v ονομάζουμε την ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στην κορυφή της ταινίας σθένους για να βρεθεί έξω από τον κρύσταλλο Hλεκτρονική συγγένεια χ =Ε t -Ε g VB

25 H κατανομή των ηλεκτρονίων σε κάθε ζώνη ενέργειας δεν είναι ομοιόμορφη άρα έχουμε να σκεφτούμε την πυκνότητα των ενεργειακών επιπέδων Ν(Ε)dE η οποία εκφράζει τον αριθμό των ενεργειακών επιπέδων ανά μονάδα όγκου στον κρύσταλλο με ενέργεια Ε έως Ε+dE

Πόσα ηλεκτρόνια κατανέμονται στις ενεργειακές καταστάσεις; Η κατανομή της ενέργειας των ατόμων υλικού συναρτήσει της θερμοκρασίας περιγράφεται από τη στατιστική Boltzmann: P(E) = exp (- E/kT) P(E) η

26 Πόσα ηλεκτρόνια κατανέμονται στις ενεργειακές καταστάσεις; Η κατανομή της ενέργειας των ατόμων υλικού συναρτήσει της θερμοκρασίας περιγράφεται από τη στατιστική Boltzmann: P(E) = exp (- E/kT) P(E) η πιθανότητα ορισμένα άτομα να έχουν θερμική ενέργεια Ε ή μεγαλύτερη k σταθερά Boltzmann Στατιστική Fermi-Dirac, Η πιθανότητα f(e) μία κατάσταση να είναι συμπληρωμένη σε μία θερμοκρασία Τ είναι: f(e)= 1/ {1+ exp [(E-E F )/kt]}

27 Τα ηλεκτρόνια στο άτομο Ενέργεια Fermi Από τα παραπάνω φαίνεται ότι ενεργειακά επίπεδα ψηλότερα από τη στάθμη Fermi μπορεί να είναι κατειλημμένα

28 Η κατανομή των ηλεκτρονίων σε ενεργειακές ζώνες είναι συνάρτηση της πυκνότητας των ενεργειακών επιπέδων Ν(Ε) και της πιθανότητας συμπλήρωσής τους Όπου n(e) είναι ο αριθμός των ελευθέρων ηλεκτρονίων ανα μονάδα κρυσταλλικού όγκου μετάλλου που έχουν ενέργεια E E+dE

Σχετικά έγγραφα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ 1 Ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ. Δρ. M.Χανιάς Αν.Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ 1 Ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Δρ. M.Χανιάς Αν.Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης ΚΑΒΑΛΑ 018 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ. ΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ 3. ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ