Vodiči i poluvodiči

1

Sadržaj:

1. Uvod……………………………………………………………………………….…....3

2. Metalna veza ……………………………………………………………………….....4 2.1. Teorija elektronskih vrpci ……………………………………………….........4

3. Vodiči …………………………………………………………………………………..5 3.1. Elektroliti ………………..…………………………………………………..…5 3.2. Električna vodljivost ……………………………………………………….....6 3.3. Utjecaj temperature na vodljivost …..…..………………………………….6 3.4. Važna svojstva vodiča……………………………………………………..…6 3.5. Podjela vodiča u elektrotehnici .………………..………………………..….7 3.6. Materijali za vodove ………………………..…………………………...……7 3.6.1. Bakar …………………..……………………………………….…..…….8 3.6.2. Aluminij………………………………………………………….…..…….8 3.6.3. Željezo…………………………………………………………….…..…..8 4. Poluvodiči………………………………………………..………………………….…9 4.1. Atomska struktura poluvodiča…………………………………………...….9 4.2. Podjela poluvodičkih materijala……………………………………………10 4.3. Čisti poluvodiči …………………………………………………………...…11 4.4. Dopirani poluvodiči……………………………………………………….....11 4.4.1. N-poluvodič………………………………………………………….….11 4.4.2. P-poluvodič………………………………………………………….….12 4.5. P-N-spoj………………………………………………………………….…..13 4.5.1. Primjene poluvodičke diode……………………………………….….13

5. Sažetak………………………………………………………………………….……14

6. Popis literature…………………………………………………………………….…15

2

1. Uvod

Znamo da postoje mnoge tvari koje provode električnu struju, ali iako smo stalno okruženi takvim tvarima, nismo svjesni njihove strukture i svojstava. Svrha ovog seminara je bolje razumijevanje svijeta vodiča i poluvodiča. Naučit ćemo kako atomska struktura uvjetuje mogućnost provodljivost, te kako pojedini faktori poput povišenja temperature uzrokuju njeno povećanje ili smanjenje. Shvatit ćemo razliku između vodiča i poluvodiča pomoću teorije elektronski vrpci i podijeliti ih na vrste koje se razlikuju po specifičnim svojstvima. Dokazat ću da se vodiči i poluvodiči razlikuju prema podrijetlu slobodnih nosioca elektriciteta, a ne po vrijednosti električne vodljivosti, te da i jedni i drugi mogu biti bolje ili slabije vodljivi. Razni elementi i njihove legure se koriste za izradu elektronski vodova, a na temelju njihovih fizikalnih i kemijskih svojstava mogu biti više ili manje pogodni za uporabu. Ovdje ću objasniti razloge zbog kojih se neki elementi i njihove legure koriste više od drugih i zašto je srebro, koje je najbolji vodič električne struje, slabo korišteno u izradi vodova. Bit će predstavljena razlika između P-poluvodiča i N-poluvodiča, ali i način na koje možemo dobiti P-N-spoj spajanjem spomenutih poluvodiča. Primjena je vrlo važna pa će i o tome biti riječ u daljnjem tekstu. Nadam se da će ovaj seminarski rad dati jedan drugi pogled na vodiče i poluvodiče. tj. tvari koje provode struju i svakodnevno nas okružuju.

3

2. Metalna veza

Svojstva metala posljedica su njihove kristalne strukture i za njih karakteristične metalne veze. Sve do sada poznate teorije su samo pokušaji objašnjavanja onoga što znamo o metalima, a najvažnija za ovu temu je teorija elektronskih vrpci, koju je razradio L. M. Brillouin. 2.1. Teorija elektronskih vrpci

U metalu postoje slobodni, nelokalizirani elektroni u obliku elektronskog plina.Atomi u kristalnoj rešetki metala su vrlo blizu jedan drugome te se zbog toga njihove atomske orbitale mogu preklapati. Nastaju molekulske orbitale koje se protežu kroz cijeli kristal i zajedničke su svim atomima u kristalu. Njihov broj ovisi o broju atoma, kao i o broju atomskih orbitala koje se preklapaju. Tako nastaju energijski pojasevi koje nazivamo elektronske vrpce - popunjena, valentna i vodljiva vrpca. ( Sl.1.) Popunjena vrpce nastaju preklapanjem orbitala unutarnjih ljusaka popunjenih elektronima. Valentna vrpca nastaje preklapanjem orbitala u kojima su valentni elektroni. Vodljiva vrpca nastaje preklapanjem praznih orbitala. Energetska je barijera između valentne i vodljive vrpce neznatna i omogućava relativno lak prijelaz elektrona. Elektronske vrpce orbitala udaljenijih od jezgre (ljuske M, N) sve su šire, a energetska barijera između valentne i vodljive vrpce sve je manja. Zbog toga se valentna i vodljiva vrpca mogu i preklopiti što dovodi do veće mogućnosti kretanja elektrona djelovanjem električnog polja,dakle do bolje vodljivosti. (Sl. 2.) S obzirom na električnu vodljivost elementi mogu biti vodiči, poluvodiči ili izolatori.

4

Sl. 1. Prikaz valentnih i vodljivih vrpca

Sl. 2. Ovisnost energetskih razina o međuatomskom razmaku ( Na - )

3. Vodiči

5

3.1. Elektroliti (vodiči drugog reda)

Električki vodljive otopine i taline nastaju otapanjem i taljenjem tvari koje se nazivaju elektrolitima. Prema njihovoj strukturi u čistom stanju, elektroliti se mogu podijeliti na dvije vrste: prave i potencijalne. Elektrolite nazivamo vodiči drugog reda. Otopine jakih elektrolita znatno bolje vode električnu struju od otopina slabih elektrolita, jer su jaki elektroliti gotovo potpuno disocirani na ione, a slabi samo djelomično.

Pravi elektroliti ili ionofori jesu čvrste tvari kojima se kristalne rešetka sastoji od iona. Ako se takva rešetka razori grijanjem, tj. ako se pravi elektrolit rastali, dobije se tekućina koja se sastoji samo od iona, te je stoga električki vodljiva. Kada se pravi elektrolit otopi u polarnom otapalu, dobije se otopina u kojoj se osim molekula otapala nalaze gotovo isključivo među sobom nepovezani ioni; raniji sastojci rešetke; takve otopine su također vodljive i vodljivost im je neovisna o koncentraciji otopina.Tipični pravi elektroliti se gotovo sve soli.

Potencijalni elektroliti ili ionogeni su kemijski spojevi koji se u čvrstom i tekućem agregacijskom stanju sastoje od neutralnih molekula sastavljenih od atoma vezanih neionskim vezama, te stoga, kad su čisti, ni rastaljeni ne vode električnu struju, ali otopljeni u pogodnom otapalu reagiraju s njim uz postanak iona

3.2. Električna vodljivost

Pod vodičem u širem smislu podrazumijevaju se materijali kojemu je specifični električni otpor razmjerno mali (reda veličine - Ωm , odnosno specifična električna vodljivost razmjerno velika (reda - S/m ). U tako definirana vodiče ubrajamo sve tvari koje dobro vode električnu struju, bez obzir prenose li naboj elektroni ili ioni, tj radi li se o vodičima drugog ili prvog reda. Uže značenje pojma vodiča ne obuhvaća vodiče drugog reda (metali,legure i neke čvrste tvari na koje je primjenjiva teorija vodljivosti metala, npr ugljen), stoga se u nastavku pod pojmom vodič razmatraju samo vodiči prvog reda.

3.3. Utjecaj temperature na vodljivost

Toplinsko gibanje elektrona i titranje iona oko svojih ravnotežnih položaja u rešetki ubrzavaju se pri povišenju, a usporavaju pri sniženju temperature. Uslijed toga se pri povišenju temperature povećava (a pri sniženju smanjuje) broj sudara između samih elektrona i između elektrona i iona rešetke u jedinici vremena. Prema tome, što je temperatura viša to je specifična vodljivost manja, a specifični otpor veći. Zbog zavisnost temperature i vodljivost uvijek moramo navesti na kojoj temperaturi ta vrijednost vrijedi. Standardan temperatura je 20 C a otpor na toj temperaturi označava se .

3.4 Važna svojstva vodiča

6

Prisutnost stranih tvari u nekom vodiču rezultira promjenom strukture njegove kristalne rešetke, što se mora odraziti na vodljivost.

Svojstva važna za primjenu vodiča:

Mehanička svojstva -najvažnija je njihova čvrstoća na tlak i savijanje, rastezljivost i elastičnost

Fizikalna svojstva -najvažnija su njihova gustoća, specifična toplina i toplinska vodljivost, te toplinsko rastezanje

Tehnološka svojstva - važna su ona koja utječu na izvedivost procesa kovanja, lijevanja, izvlačenja, spajanja, strojne obrade itd.

Kemijska svojstva - važna su ona koja određuju njihovu postojanost (npr. otpornost prema djelovanju kiselina, lužina, sastojaka izolacijskih sredstava)

3.5. Podjela vodiča u elektrotehnici

Kao elektrotehnički materijali vodiči se obično dijela na one koji služe za izradu vodova (materijali za vodove), za izradu otpornika (otporski materijali) i za izradu kontaktnih uređaja (materijali za kontakte). Ostale vrste vodiča, kao što su supravodiči (materijali koji vode električnu struju bez da pokazuju električni otpor), smatraju se specijalnim vrstama vodiča.

3.6. Materijali za vodove

Najvažniji materijali za vodove su bakar(Cu), aluminij(Al) , željezo(Fe) i njihove legure. Najbolji vodič, srebro(Ag), previše je skup da bi se moga upotrebljavati kao materijal za vodove, osim kao dodatak drugim materijalima za poboljšanje njihovih upotrebnih svojstava. Srebro se koristi kao standard u mjerenju provodljivosti. Na ljestvici od 0 do 100, provodljivost srebra je 100, bakra 97 ,a zlata 76. Kako su pored vodljivosti često važna i neka kemijska ili mehanička svojstva vodiča koriste se i mnoge druge kovine i njihove slitine, npr. zlato (kod visoko kvalitetnih kontaktnih uređaja), platina, cink, živa, mjed, bronca, čelik.( Sl. 3.)

7

Sl. 3. Specifična vodljivost tehničkih materijala izražena u Sm/mm

3.6.1. Bakar

Izuzevši vrlo skupo srebro, od materijala za vodiče bakar ima najpovoljniju kombinaciju električnih i mehaničkih svojstava, što ga zajedno s njegovom prihvatljivom cijenom čini još uvijek najvažnijim materijalom za vodove, i time elektrotehniku uopće.

3.6.2. Aluminij

Glavna tehnička svojstva aluminija, koja ga uz ekonomske razloge, čine najboljim suvremenim nadomjeskom bakru, jesu njegov razmjerno mali specifični električni otpor, mala specifična masa, dobra otpornost prema koroziji, dobra obradivost većinom postupaka itd. Njegovi glavi nedostaci, u usporedbi s bakrom, su lošija mehanička svojstva i teže spajanje dijelova. Za primjenu aluminija i njegovih legura posebno je važna njihova izuzetna otpornost prema koroziji, a njegova osjetljivost je velika kad je materijal, osim statičkom opterećenju, izložen i vibracijama. Zbog

8

nedovoljne čvrstoće , njegova upotreba u izradi nadzemnih vodova ograničena je na slučajeve kada su rasponi među stupovima mali,

3.6.3. Željezo

Čisto željezo se ne upotrebljava kao elektrotehnički materijal, već isključivo vrste čelika. Najzanimljivija tehnička svojstva jesu njihova mehanička čvrstoća i tvrdoća, a s ekonomskog gledišta važna je i njihova niska cijela i velika raspoloživost. Temeljni nedostaci su razmjerno mali specifični električni otpor, a i okolnosti da on ovisi o sadržaju primjesa u čeliku. Čelik se razmjerno rijetko upotrebljava kao samostalni materijal za električne vodove, uglavnom kad se prenose male električne snage na male udaljenosti.

4. Poluvodiči

To su materijali kojima su električna svojstva različita od svojstava vodiča i izolatora. Posebnost poluvodiča je povećanje njihove provodljivosti porastom temperature u širokom temperaturnom području. Vodiči i poluvodiči se razlikuju prema podrijetlu slobodnih nosioca elektriciteta, a ne po vrijednosti električne vodljivosti. I jedni i drugi mogu biti bolje ili slabije vodljivi.

4.1. Atomska struktura poluvodiča

Poluvodički materijali jesu prirodni elementi, prirodni kemijski spojevi ili umjetno načinjeni spojevi. Atom takva materijala vezan je s drugim atomom istog ili drugog elementa preko elektrona. Dok je u mnogim kemijskim spojevima (npr. NaCl) ta veza ostvarena predajom elektrona jednog atoma i prihvaćanjem elektrona drugog atoma, u elementima u sredini periodnog sustava elemenata nema ni predaje, ni prihvaćanja elektrona pojedinih atoma. U tim elementima atomi se međusobno povezuju

9

stvaranjem zajedničkih elektronskih parova (kovalentna veza). U takvoj vezi nema slobodnih elektrona ni iona koji bi mogli pridonijeti vođenju struje. U pojedinom atomu elektroni imaju određenu energiju s obzirom na jezgru atoma. (atomi se nalaze na određenim energetskim razinama). U jednoj energetskoj razini se mogu nalaziti samo dva elektrona, ali različitih spinova (Paulijev princip). Ako se atomi tolko približe da čine tekućinu ili čvrsto tijelo, energije elektrona se na vanjskim razinama prekrivaju, pa je prema Paulijevom principu potrebno da se energetske razine pomaknu i cijepaju. Broj i širina, za elektrone dopuštenih, elektronskih vrpca ovisi o materijalu. Pojas koji dijeli valentnu i vodljivu vrpcu naziva se zabranjeni. Širina zabranjenog pojasa u poluvodičima iznosi nekoliku elektrovolta, dok u metalima nema zabranjenog pojasa. Dok se u metalima energetski pojasevi poklapaju, u poluvodičima su malo razdvojeni, pa povećanje energije atoma povišenjem temperature omogućuje elektronima prijelaz u vodljivi pojas, a u valentnom ostaju ispražnjena mjesta. tzk šupljine. (Sl. 4.) Broj slobodnih (delokaliziranih) elektrona, a time i provodnost raste s temperaturom. Slobodna energetska razina pomiče se u suprotnom smjeru, prikazuje se kao pozitivan naboj.

• Nositelji električne struje kod poluvodiča su elektroni u vodljivoj vrpci i šupljine u valentnoj vrpci.

Sl . 4. Prikaz energetskih vrpca poluvodiča i izolatora:• kada je prisutno 2N elektrona, sve orbitale su popunjene. (a) Na 0 K tvar je izolator, a (b) na višim temperaturama tvar može postati poluvodič

4.2 Podjela poluvodičkih materijala

Primjese unose nove energijske razine u zabranjeni pojas i time značajno utječu na vodljivost poluvodiča. Poluvodiči u kojima se elektroni i šupljine stvaraju u paru nazivaju se intrinzični (unutarnji) poluvodiči. Takvi su samo ako je materijal čist. Poluvodiči u kojima ima i primjesa nazivaju se ekstrinzični (vanjski) poluvodiči.

10

Poluvodički materijali mogu se podijeliti i na:

• prirodne elemente• prirodne kemijske spojeve (i legure)• umjetno načinjene spojeve (keramika)

Neki od njih se:

• oksidi (Cu2O, Fe3O4),• sulfidi (PbS, CdS, ZnS),• selenidi(InSe),• teluridi,•karbidi (SiC),• fosfidi, • neke legure metala.

Keramičke poluvodiči tvore se, najčešće, od karbida silicija, karbida bora i ugljika, pomiješanih s keramičkom izolacijskom masom.

4.3. Čisti poluvodiči

• N-vodljivostvodljivost zbog gibanja slobodnih iona u kristalu

• P-vodljivostvodljivost zbog gibanja šupljina u kristalu

Svaki materijal kod kojeg je vodljivost napola N-vodljivost i napola P-vodljivost zove se čisti poluvodič, a takav način vođenja struje naziva se vlastitom vodljivošću. (Sl. 5)

Sl. 5. Struktura čistog poluvodiča

4.4 Dopirani poluvodiči

11

4.4.1 N-poluvodiči

Svrha dopiranja n-tipa je da se stvori mnoštvo pokretnih elektrona ili elektrona nosioca u materijalu. Kao pomoć u razumijevanju kako se postiže dopiranje n-tipa razmotrit ćemo na primjeru silicija (Si). Atom silicija ima četiri valenta elektrona, od kojih je svaki kovalentno vezan za jedan od četiri elektrona susjednog atoma silicija. Ako se u kristalnu rešetku umjesto atoma silicija ugradi atom sa pet valentnih elektrona (petnaesta skupina u periodnom sustavu elemenata, npr. fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb)), tada će atom imati četiri kovalentne veze i jedan slobodni elektron. Taj jedan slobodni elektron je dosta slabo vezan za atom i lako se može pobuditi da prijeđe u vodljivi pojas. Na uobičajenim temperaturama, svi su takvi elektroni prividno pobuđeni u vodljivi pojas. Budući da pobuđivanje takvih slobodnih elektrona ne rezultira formiranjem šupljina, broj elektrona u takvom materijalu daleko premašuje broj šupljina. U ovom slučaju elektroni su većinski nosioci, a šupljine su manjinski nosioci. Zbog toga što peterovalentni atomi imaju dodatni elektroni za doniranje, oni se nazivaju atomi donori (donorski atomi).

Sl. 6. Prikaz N-poluvodiča i P-poluvodiča

4.4.2 P-poluvodiči

Svrha dopiranja p-tipa je stvaranje mnoštva šupljina. (Sl. 6) U slučaju silicija se u kristalnoj rešetci nadomješta trovalentni atom (trinaesta skupina u periodnom sustavu elemenata, npr. bor (B) ). Rezultat je da nedostaje jedan od četiri kovalentne veze uobičajene u rešetci silicija. Na taj način atom dopanda može prihvatiti elektron iz atoma vezanog u susjednu kovalentnu vezu za popunjavanje četvrte veze. Takvi se dopandi nazivaju akceptori. Atomi dopanda prihvaćaju elektrone, uzrokujući nedostatak jedne veze sa susjednim atomom što rezultira formiranjem šupljine. Pojedina šupljina je povezana s okolnim negativno nabijenim ionom dopanda pa poluvodič ostaje električki neutralan kao cjelina. Jednom kad je šupljina odlutala unutar rešetke, jedan proton u atomu će biti izložen, na

12

mjestu gdje je prije bila šupljina, i neće ga više biti moguće prebrisati drugim elektronom. Iz tog razloga se šupljina ponaša kao nosilac pozitivnog naboja. Kada je dodan dostatno velik broj atoma akceptora, broj šupljina uvelike nadmašuje broj termalno pobuđenih atoma. Zbog toga su u materijalima p-tipa šupljine većinski nosioci, dok su elektroni manjinski nosioci.

4.5. P-N-spoj

Spoj Spajanjem P-poluvodiča i N-poluvodiča nastaje poluvodička dioda u kojoj se na plohi njihova dodira zvanoj zapornim slojem pojavi unutarnji električni napon-dodirni(kontaktni) napon, koji stvara električno polje usmjereno od N-poluvodiča do P-poluvodiča. (Sl. 7.) Ako N-poluvodič priključimo na negativni a P-poluvodič na pozitivni pol izvora kažemo da PN-spoj uključen u strujni krug u propusnom smjeru, obrnuto ne može biti zbog unutarnjeg električnog napona.

Sl. 7. Prikaz P-N-spoja

4.5.1.Primjene poluvodičke diode

• KAO ISPRAVLJAČKada bismo N- poluvodič priključili na pozitivni a P-poluvodič na negativni pol izvora dioda ne vodi struju tj. ima velik el.otpor. Zahvaljujući tom svojstvu dioda se može upotrijebiti za pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu.

13

• KAO SVJETLEĆA DIODA I KAO LASERKada poluvodičkom diodom prolazi električna struja u dodirnom sloju N-poluvodiča i P-poluvodiča stalno se izmjenjuju slobodni elektroni i šupljine, pritom se oslobađa energija u obliku svjetlosti (ne topline) – svjetleća dioda, a ako se

pritom na paralelne krajnje plohe poluvodičke diode postave zrcala, od kojih je jedno polupropusno, nastaje laserski snop svjetlosti. Na toj osnovi rede poluvodički laseri.

• KAO SOLARNA ĆELIJAOmogućuje izravnu pretvorbu Sunčevog elektromagnetnog zračenja u električnu energiju.

5. Sažetak

Vodiči i poluvodiču su tvari koje provode električnu struju. Vodiče dijelimo na vodiče prvog i drugog reda. Vodiči prvog reda su metali i legure, a drugog elektroliti tj. vodene otopine koje provode električnu struju. Razlikujemo prave elektrolite ili ionofore i potencijalne elektrolite ili ionogene. Svojstva metala, koji su vodiči prvog reda, posljedica su njihove kristalne strukture i za njih karakteristične metalne veze. Temperatura utječe na vodljivost vodiča i poluvodiča. Kod vodiča rastom temperature specifična vodljivost se smanjuje te otpor raste, a kod poluvodiča provodljivost raste porastom temperature. Najbolji vodič je srebro(Ag), ali je previše skupo pa se za izradu vodova najviše koriste bakar(Cu), aluminij(Al), željezo(Fe) i njihove legure. Dok se u metalima energetski pojasevi u njihovoj kristalnoj rešetki poklapaju, u poluvodičima su malo razdvojeni, pa povećanje energije atoma povišenjem temperature omogućuje elektronima prijelaz u vodljivi pojas, a u valentnom ostaju ispražnjena mjesta. tzk šupljine. Nositelji električne struje kod poluvodiča su elektroni u vodljivoj vrpci i šupljine u valentnoj vrpci. N-vodljivost je vodljivost zbog gibanja slobodnih iona u kristalu, a P-vodljivost je vodljivost zbog gibanja šupljina u kristalu. Dodavanjem elemenata petnaeste ili trinaeste skupine dobivamo P-poluvodiče i N-poluvodiče,, a spajanjem dobivenih poluvodiča stvaramo P-N-spoj.

14

6. Popis literature1. Turčinović, D.; Halasz, I. (2007). Opća kemija 1 , Školska knjiga, Zagreb, str. 127.-129.

2. Habuš, S.; Stričević, D.; Tomašić, V. (2009). Anorganska kemija, Profil, Zagreb, str. 12.-19.

3. Skupina autora (1963). Tehnička enciklopedija, Jugoslavenski leksikografski zavod, Zagreb, 4. svezak, str. 364.; 5 svezak, str. 61.-71.; 10. svezak, str. 638.-664.

15