ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ EΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ, ΔΙΟΔΟΣ Χ. Λαμππόποςλορ, Χειμεπινό εξάμηνο

Transcript

1 1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 ηνηρεία Φπζηθήο Ηκηαγσγώλ Η δίνδνο p-n. Ηκηαγσγνί Μπνξνύλ λα άγνπλ ξεύκα πην εύθνια απ όηη νη κνλσηέο, αιιά όρη ηόζν όζν νη αγσγνί. Σν πην δηαδεδνκέλν πιηθό πνπ είλαη εκηαγσγόο είλαη ην ππξίηην (Si). Δίλαη θαζαξόο θξύζηαιινο ππξηηίνπ (νλνκάδεηαη θαη ελδνγελήο) απνηειείηαη από έλα ηξηζδηάζηαην πιέγκα αηόκσλ 50 δηο ζε έλα θπβηθό εθαηνκκπξηνζηό ηνπ κέηξνπ. Σα άηνκα ζπγθξνηνύληαη δεκέλα κεηαμύ ηνπο από ειεθηξόληα πνπ ζρεκαηίδνπλ δεζκνύο αλάκεζά ηνπο. ε κεδεληθή ζεξκνθξαζία όια ηα ειεθηξόληα είλαη ζηε ζέζε ηνπο θαη ην αξλεηηθό θνξηίν ηνπο είλαη ίζν κε ην ζεηηθό θνξηίν ππξήλα. ε πςειόηεξεο ζεξκνθξαζίεο ηα άηνκα ηαιαληώλνληαη γύξσ από ηελ ζέζε ηνπο θ έηζη απηή ε ζεξκηθή θίλεζε θαηαθέξλεη ζε νξηζκέλα ειεθηξόληα λα δώζεη αξθεηή ελέξγεηα ώζηε λα ζπάζνπλ ηνλ δεζκό θαη λα αξρίζνπλ λα θπθινθνξνύλ ειεύζεξα αλάκεζα ζην ηξηζδηάζηαην κέγα. Όηαλ έλα ειεθηξόλην αθήλεη ηελ <<ζηαζεξή>> ζέζε ηνπ Α εθεί δεκηνπξγείηαη έλα θαζαξό ζεηηθό θνξηίν. Έλα ειεθηξόλην πνπ θεύγεη από ηε ζέζε Β θαη πάεη ζηε ζέζε Α ζα εμαθαλίζεη ην ζεηηθό θνξηίν ζηε ζέζε Α θαη ζα εκθαληζηεί ζεηηθό θνξηίν ζηε ζέζε Β. Παξαηεξνύκε όηη ην ειεθηξόλην απηό έθπγε από ην δεζκό πνπ ήηαλ ζηε ζέζε Β θαη μαλαέθηηαμε ην δεζκό ζηε ζέζε Α. Γελ είλαη δειαδή ειεύζεξν ειεθηξόλην. Σν απνηέιεζκα απηήο ηεο κεηαθνξάο ειεθηξνλίσλ από δεζκό ζε δεζκό(από ηε ζέζε C ζηε ζέζε Β ζηε ζέζε Α) δεκηνπξγεί κηα κεηαθνξά ζεηηθώλ θνξηίσλ από ηε ζέζε Α ζηε ζέζε Β ζηε ζέζε C θ.ν.θ. Γειαδή ζηνπο εκηαγσγνύο έρνπκε δύν κεραληζκνύο κεηαθνξάο θνξηίνπ : 1)Σα ειεύζεξα ειεθηξόληα πνπ θπθινθνξνύλ αλάκεζα ζην πιέγκα θαη 2)Σα ειεθηξόληα πνπ πεδνύλ από δεζκό ζε δεζκό δεκηνπξγώληαο κία ξνή ζεηηθώλ θνξηίσλ (ηα ζεηηθά θνξηία ησλ δεζκώλ από ηνπο νπνίνπο ιείπεη έλα ειεθηξόλην). Απηά ηα ζεηηθά θνξηία νλνκάδνληαη νπέο. ε έλαλ θαζαξά (ελδνγελή εκηαγσγό) επεηδή ν αξηζκόο ησλ δεζκώλ από ηνπο νπνίνπο ιείπεη έλα ειεθηξόλην είλαη ίζνο κε ηνλ αξηζκό ησλ ειεθηξνλίσλ πνπ ηα εγθαηέιεηςαλ θαη έγηλαλ ειεύζεξα ν αξηζκόο ησλ νπώλ θαη ησλ ειεύζεξσλ ειεθηξνλίσλ είλαη ίδηνο. P i = n i (P i = ζπγθέληξσζε νπώλ, n i = ζπγθέληξσζε ειεθηξνλίσλ) ζε 300 o Κ (27 o C) ππάξρνπλ πεξίπνπ 15 νπέο θαη 15 ειεύζεξα ειεθηξόληα ζε 1000 κm 3 ηνπ ππξηηίνπ. Δίλαη δπλαηό λα θάλνπκε ηνλ αξηζκό ησλ ειεπζέξσλ ειεθηξνλίσλ δηαθνξεηηθό από ηνλ αξηζκό ησλ νπώλ, εηζάγνληαο άηνκα άιισλ πιηθώλ ζην ππξίηην. Η δηαδηθαζία εηζαγσγήο δηαθνξεηηθνύ είδνπο αηόκσλ ιέγεηαη «λόζεπζε» θαη ηόηε ην ππξίηην από ελδνγελέο, γίλεηαη εμσγελέο. π.ρ. Σν ππξίηην είλαη ηεηξαζζελέο, δει. ηα άηνκά ηνπ θηηάρλνπλ 4 δεζκνύο κε ηα ειεθηξόληα ζζέλνπο ηνπο. Αλ βάινπκε αλάκεζά ηνπο 5 ζζελή άηνκα, δει. άηνκα πνπ δεκηνπξγνύλ 5 δεζκνύο κε ηα ειεθηξόληα ζζέλνπο ηνπο.οη ηέζζεξηο δεζκνί γίλνληαη κε γεηηνληθά άηνκα ππξηηίνπ θαη ν πέκπηνο δελ έρεη κε ηη λα ηαηξηάμεη. Έηζη ην ειεθηξόληό ηνπ κπνξεί εύθνια λα γίλεη ειεύζεξν. ε αληίζεζε κε πξνεγνπκέλσο δελ δεκηνπξγείηαη θελή ζέζε ζε δεζκό γηα λα έξζεη έλα ειεθηξόλην από άιιν δεζκό θαη λα ηελ θαηαιάβεη. Απιώο ζην άηνκν από ην νπνίν θεύγεη ην ειεθηξόλην, παξακέλεη έλα θαζαξό «θαξθσκέλν» ζεηηθό θνξηίν. Έηζη έρνπκε πεξηζζόηεξα ειεθηξόληα από νπέο. Σόηε ιέκε όηη έρνπκε θαη εκηαγσγό ηύπνπ n (θώζθνξνο, αξζεληθό, αληηκόλην). Αλ ζην ππξίηην εηζάγνπκε ηώξα έλα ηξηζζελέο ζηνηρείν, δειαδή έλα ζηνηρείν πνπ έρεη έλα ειεθηξόλην ιηγόηεξν από απηά πνπ ρξεηάδεηαη γηα λα δεκηνπξγήζεη 4 δεζκνύο κε ηα γεηηνληθά ηνπ άηνκα ππξηηίνπ, κπνξεί λα θιέςεη έλα από γεηηνληθό άηνκν ππξηηίνπ 19

20 θαη λα θηηάμεη 4 δεζκνύο. Έηζη ηώξα ζην άηνκν ππξηηίνπ από ην νπνίν πάξζεθε ην ειεθηξόλην δεκηνπξγείηαη έλα θελό ζην δεζκό ηνπ, δει. κία νπή, ρσξίο λα ππάξμεη αληίζηνηρν ειεύζεξν ειεθηξόλην (ηξηζζελή άηνκα : βόξην, γάιιην, ίλδην). Έηζη έρνπκε πεξηζζόηεξεο νπέο από ειεύζεξα ειεθηξόληα, δειαδή εκηαγσγό ηύπνπ P. Όηαλ έλαο εκηαγσγόο ηύπνπ p είλαη ζε επαθή κε έλαλ εκηαγσγό ηύπνπ n έρνπκε ηα εμήο :Οη νπέο δηαρένληαη ζηνλ εκηαγσγό ηύπνπ n θαη ηα ειεύζεξα ειεθηξόληα ζηνλ εκηαγσγό ηύπνπ p. Έηζη ζηελ πεξηνρή ηεο δηεπαθήο νη νπέο ηεο πεξηνρήο p θαιύπηνληαη από ειεύζεξα ειεθηξόληα θαη κέλνπλ θαζαξά θαξθσκέλα αξλεηηθά θνξηία, ελώ νη νπέο θαιύπηνπλ ηα ειεύζεξα ειεθηξόληα ηεο πεξηνρήο ηύπνπ n θαη κέλνπλ θαζαξά θαξθσκέλα ζεηηθά θνξηία. Σα θαζαξά αξλεηηθά θαξθσκέλα θνξηία ζηνλ p εκηαγσγό θαη ηα ζεηηθά θαξθσκέλα θνξηία ζηνλ n εκηαγσγό δεκηνπξγνύλ πεδίν αλάκεζα ζηηο δύν πιεπξέο ηεο επαθήο πνπ ζηακαηάεη απηή ηελ δηάρπζε. Γηάρπζε έρνπκε όηαλ ηα κηθξνζθνπηθά ζσκαηίδηα ζ έλα κέζν δελ είλαη νκνηόκνξθα θαηαλεκεκέλα. π.ρ. Ρίρλνπκε κία ζηαγόλα κειάλη κέζα ζε έλα πνηήξη λεξό. ηελ αξρή ην κειάλη είλαη ζπγθεληξσκέλν, κεηά ην λεξό απνθηά έλα νκνηόκνξθν κπιε ρξώκα. Άιιν παξάδεηγκα, θάπληζκα ζε έλα θιεηζηό δσκάηην ή γάια ζηνλ θαθέ. Έηζη όηαλ ζηνλ εκηαγσγό έρνπκε δηαθνξά ζηελ ζπγθέληξσζε ειεπζέξσλ ειεθηξνλίσλ, έρνπκε ξνή θνξηίσλ έηζη ώζηε ε ζπγθέληξσζε λα είλαη ίδηα. Έηζη έρνπκε κία πεξηνρή γύξσ από ην ζύλνξν ηεο επαθήο ηνπ p θαη ηνπ n εκηαγσγνύ, πνπ είλαη απνγπκλσκέλε από ειεύζεξα ειεθηξόληα θαη νπέο θαη έρεη κόλν «θαξθσκέλα» ζεηηθά θνξηία (ην n ηκήκα) θαη «θαξθσκέλα» αξλεηηθά θνξηία (ην p ηκήκα). Η πεξηνρή απηή ιέγεηαη πεξηνρή απνγύκλσζεο. Καπθωμένα θεηικά θοπηία Καπθωμένα απνηηικά θοπηία Ηλεκηπικό Πεδίο Ελεύθεπα ηλεκηπόνια Οπέρ n Πεπιοχή Απογύμνωζηρ p 20

21 Οπθή πόλωζη : Εξωηεπικό ηλεκηπικό πεδίο Ηλεκηπικό Πεδίο λόγω καπθωμένων θοπηίων ζηη πεπιοχή απογύμνωζηρ Κίνηζη ηλεκηπονίων V Β V Α n p Μικπαίνει η πεπιοχή απογύμνωζηρ Φοπά πεύμαηορ V A > V B ηελ νξζή πόισζε ηα ειεύζεξα ειεθηξόληα ηεο πεξηνρήο ηύπνπ n (πνπ είλαη πνιιά) κπαίλνπλ ζηελ πεξηνρή ηύπνπ p ειθόκελα από ηελ πςειόηεξε ηάζε θαη ππεξπεδώληαο ην θξάγκα ηεο πεξηνρήο απνγύκλσζεο. Οκνίσο νη νπέο ηεο πεξηνρήο ηύπνπ p κπαίλνπλ ζηελ πεξηνρή ηύπνπ n ειθόκελεο από ηελ ρακειόηεξε ηάζε. Οη νπέο εμαθαλίδνληαη πξνο ην εμσηεξηθό θύθισκα (επαλαζπλδένληαη κε ειεθηξόληα) θαη ηα ειεύζεξα ειεθηξόληα «βγαίλνπλ» πξνο ην εμσηεξηθό θύθισκα. Έηζη ζηελ πεξηνρή ηύπνπ p δεκηνπξγείηαη κία ζπγθέληξσζε ειεθηξνλίσλ n θαη ζηελ πεξηνρή ηύπνπ n κία ζπγθέληξσζε νπώλ p. Σα ειεθηξόληα θαη νη νπέο πνπ ηα απαξηίδνπλ δελ είλαη «κόληκα», αλαλεώλνληαη ζπλερώο από ην εμσηεξηθό θύθισκα, αιιά ε ζπγθέληξσζε ηνπο γηα ζηαζεξέο ζπλζήθεο (ζηαζεξό V) παξακέλεη ζηαζεξή. Ανάζηποθη πόλωζη : ηελ αλάζηξνθε πόισζε όζν απμάλεηαη ε ηάζε ηεο αλάζηξνθεο πόισζεο, απμάλεηαη θαη ν αξηζκόο ησλ θνξηίσλ πνπ είλαη «θαξθσκέλα» ιόγσ ηεο απνγύκλσζεο από ειεύζεξα ειεθηξόληα θαη νπέο. Εξωηεπικό ηλεκηπικό πεδίο V Β V Α n Μεγαλώνει η πεπιοχή απογύμνωζηρ p V B > V A 21