View
217
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
11
ΗµιαγωγοίSemiconductors
22
Θέµατα που θα καλυφθούν
• Αγωγοί Conductors• Ηµιαγωγοί Semiconductors• Κρύσταλλοι πυριτίου Silicon crystals• Ενδογενείς Ηµιαγωγοί Intrinsic semiconductors• ∆ύο τύποι φορέων για το ρεύµα σε ηµιαγωγούς• Νόθευση Ηµιαγωγών Doping a semiconductor• ∆ύο τύποι εξωγενών Ηµιαγωγών p,n• Η δίοδος χωρίς πόλωση
33
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
44[2]
55[3]
66
Electron charge = 1.60217646 × 10-19 coulombs
[3]
77[3]
88
99[3]
1010[3]
1111
[3]
1212
1313
Αγωγός Conductor
• Υλικό που επιτρέπει την ροή ρεύµατος• Παραδείγµατα: χαλκός copper, άργυρος
silver, χρυσός gold• Οι καλύτεροι αγωγοί έχουν έναηλεκτρόνιο σθένους valence electron
1414
Ατοµική δοµή χαλκού Copper
1515
Πυρήνας
• Η στιβάδα σθένους-Valence ή εξωτερικήτροχιά ελέγχει τις ηλεκτρικές ιδιότητες
• Ο πυρήνας του ατόµου χαλκού έχεικαθαρό φορτίο + 1
• Το ηλεκτρόνιο της στιβάδας σθένουςείναι χαλαρά συνδεδεµένο…
1616
Απλοποιηµένο διάγραµµα πυρήναΧαλκού
1717
Ελεύθερο Ηλεκτρόνιο
• Η έλξη µεταξύ του πυρήνα και τουηλεκτρονίου σθένους είναι ασθενής
• Με εξωτερική διέγερση(θερµοκρασία,φώς..) το ηλεκτρόνικοσθένους γίνεται ελεύθερο και δεν είναιδεσµευµένο στο άτοµο
1818
Ηµιαγωγός Semiconductor
• Ένα στοιχείο µε ηλεκτρικές ιδιότητεςανάµεσα σε αυτές του αγωγού και τουµονωτή.
1919
Παραδείγµατα Ηµιαγωγών
• Οι ηµιαγωγοί τυπικά έχουν 4 ηλεκτρόνιασθένους valence electrons
• Germanium Γερµάνιο• Silicon Πυρίτιο
2020
[3]
21
Το πυρίτιο (Si) ανήκει στην στήλη 4 (IV) του περιοδικού πίνακα
2222
Ηµιαγώγιµα στοιχεία
22
2323
2424
Ένα ηλεκτρόνιο σθένους
Ο πυρήνας µαζί µε τις εσωτερικές στιβάδες(τροχιές) ηλεκτρονίων
Απλοποιηµένα διαγράµµατα πυρήνα χαλκού καιπυριτίου
4 ηλεκτρόνια σθένους
+1 +4
Copper Silicon
2525
Άτοµα Πυριτίου σε κρύσταλλοµε 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
Οµοιοπολικοί δεσµοί• Eτεροπολικοί δεσµοί µε ηλεκτροστατικές δυνάµεις
Coulomb-ιόντα που συγκρατούνται µεταξύ τους. Όταν πλησιάσουν τα νέφη ασκούνται απωστικέςδυνάµεις και τελικά έχουµε ισορροπία
• Οι οµοιοπολικοί δεσµοί σχηµατίζονται λόγω τωνκοινών ηλεκτρονίων που µοιράζονται µεταξύ τουςάτοµα
26
∆υναµική ενέργεια αλληλεπίδρασηςατόµων σε µόριο
27
Απόσταση µεταξύ ατόµωνΕνέργεια
Η δυναµική ενέργεια δύο ατόµων που πλησιάζουνµεταξύ τους παρουσιάζει ελάχιστο στην απόστασηπου δηµιουργείται ο οµοιοπολικός δεσµός (διείσδυσηηλεκτρονικών φλοιών..)
2828
Ενεργειακά Επίπεδα
Η ενέργεια που αντιστοιχεί σε κάθε ένα ηλεκτρόνιο µετριέταισε electron volts (eV)
2929
3030
Ενεργειακά επίπεδα (στάθµες) στα άτοµα
Όσο µακρύτερα είναι ταηλεκτρόνια από τον πυρήνα, τόσο µεγαλύτερη ηενεργειακή κατάσταση,και κάθε ηλεκτρόνιο που έχειαποµακρυνθεί (ελεύθερο) από το άτοµο στο οποίο ήτανδεσµευµένο βρίσκεται σευψηλότερη ενεργειακήκατάσταση από οποιοδήποτεάλλο στην ατοµική δοµή
Θεωρούµε τηνενέργεια σε άπειρηαπόσταση 0 (αναφορά)
3131
Ενεργειακά επίπεδα• Για να µετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο σεανώτερη στοιβάδα χρειάζεται επιπλέονενέργεια.
• Όταν ένα ηλεκτρόνιο µεταπηδά σεχαµηλότερη τροχιά, χάνει ενέργεια µε τηνµορφή θερµότητας, φωτός και άλληςακτινοβολίας.
• Τα LED’s είναι ένα παράδειγµα όπουµέρος αυτής της δυναµικής ενέργειαςµετατρέπεται σε φώς.
• Οι ενεργειακές στάθµες εξηγούν τα φαινόµενατων φασµατικών γραµµών που παρατηρούνται
• Μετάβαση από µία στάθµη υψηλότερηςενέργειας σε µία χαµηλότερη έχει σαναποτέλεσµα την εκποµπή φωτός-φωτονίου µεµήκος κύµατος τέτοιο ώστε αν ∆Ε=Ε2-Ε1 ηδιαφορά ενέργειας των ενεργειακών σταθµώννα ισχύει ∆Ε=hν όπου ν η συχνότητα τουφωτός και h η σταθερά Plank (h=6.62 10-34 Js)
• Ισχύει ότι c=λν όπου λ το µήκος κύµατος τουφωτονίου που εκπέµπεται και c η ταχύτητα τουφωτός
32
∆Ε=hν
• Επίσης αν δεχθεί ενέργεια το ηλεκτρόνιο(φώς, θερµότητα..) µπορεί να µετακινηθείσε τροχιά µε µεγαλύτερη ενέργεια
33
3434
Si• Οι στάθµες ενέργειας των ηλεκτρονίωνσθένους για το Si εκφυλίζονται σε δύοενεργειακές ζώνες. Την ζώνη αγωγιµότηταςκαι την ζώνη σθένους.
• Η ζώνη αγωγιµότητας αποτελείται από 4Νστάθµες ενέργειας κενές ηλεκτρονίων στοαπόλυτο µηδέν. Επειδή όµως η ενεργειακήτους απόσταση είναι µικρή (ενεργειακόχάσµα EG=1,1 eV) µε προσφορά ενέργειας(θερµότητα, φώς) µεταπηδούν ηλεκτρόνιαστην ζώνη αγωγιµότητας. ∆ηµιουργούνταιοπές στην ζώνη σθένους 35
3636
3737
3838
3939
4040
4141
4242
Κρύσταλλοι• Η δοµή των κρυσταλλικών στερεώνχαρακτηρίζεται από την επανάληψη στον χώροµιας βασικής δοµής (σύνολο ατόµων, µορίων ήιόντων). Στα άµορφα στερεά δεν υπάρχει αυτή ηκανονικότητα στην δοµή. Οι δοµές αυτές µπορείνα αποτελούνται από ένα άτοµο που µεσυγκεκριµένη δοµή τοποθετείται στον χώρο. Στιςπρωτεϊνες έχουµε κρυστάλλους µε χιλιάδεςατόµων σε µια επαναλαµβανόµενη διάταξη στονχώρο.
43
4444
∆οµή του κρυστάλλου πυριτίουSilicon crystal structure
4545
Στο εσωτερικό ενόςκρυστάλλου πυριτίου
• Μερικά ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπέςδηµιουργούνται από θερµική ενέργεια.
• Κάποια από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια καιοπές επανασυνδέονται .
• Η επανασύνδεση (Recombination) χρονικάεκτείνεται από µερικά nanoseconds έωςmicroseconds.
• Κάποια ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπέςµένουν σ’ αυτή την κατάσταση έως ότουεπανασυνδεθούν.
Στο εσωτερικό ενόςκρυστάλλου πυριτίου
46
4747
Ενδογενής ΗµιαγωγόςIntrinsic Semiconductor
• O καθαρός ηµιαγωγός• Ένας κρύσταλλος πυριτίου είναιενδογενής intrinsic αν το κάθε άτοµοστον κρύσταλλο είναι άτοµο πυριτίου
• ∆ύο τύποι φορέων φορτίου για την ροήτου ρεύµατος: ηλεκτρόνια -electrons καιοπές- holes
Αγωγή στα µέταλλα
48
Αγωγή στα µέταλλα
49
Αγωγή στα µέταλλα
50
Αγωγή σε ηµιαγωγούς
51
Αγωγή σε ηµιαγωγούς
52
Αγωγή σε ηµιαγωγούς
53
Αγωγή σε ηµιαγωγούς
54
Αγωγή σε ηµιαγωγούς
Σε ενδογενή κρύσταλλο γερµανίου ησυγκέντρωση ενδογενών φορέων στηνθερµοκρασία του δωµατίου είναιni=2,4⋅1013cm-3. Στην ίδια θερµοκρασία οιευκινησίες οπών και ηλεκτρονίων είναιµh=1900 cm2/V⋅sec και µe=3900cm2/V⋅sec. Να προσδιοριστεί η αντίσταση δείγµατοςκύβου πλευράς L=1cm. ∆ίνεται το φορτίοτου ηλεκτρονίου q=1,6⋅10-19Cb.
55
• Η ειδική αγωγιµότητα ενδογενούςηµιαγωγού 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 τησχέση R=ρ (L/S) ρ=1/σ
• όπου, L=1cm και S=1cm2 άρα, R≈ 45 Ω
• Η ειδική αντίσταση υλικού εκφράζει τηναντίσταση κύβου πλευράς 1 cm. 56
57
Βιβλιογραφία
• [1] Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino, Εκδόσεις Τζιόλα
• [2] Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. ΕκδόσειςΑράκυνθος 2006
• [3] Forrest Mims, Getting Started in Electronics, 1983
57
5858
Recommended