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