JU Prva gimnazija u Zenici školska 2013/2014. godina

Zenica

Ime i prezime: Hanan HercegovacIzborno područje: Prirodno izborno područjeOdjeljenje: IV-5

MATURSKI RADiz

FIZIKE

TEMA: KRISTALNE DIODE

MENTOR:Prof. Ilijas Hodžić

Zenica, april 2014. Godine[Type text]

SADRŽAJ

[Type text]

1. UVOD

1.1. Termoelektronska emisija je pojava vezana za izlazak elektrona sa površine metala, koji je u ovom slučaju izazvan termičkim djelovanjem. U 19. vijeku Thomas Edison je otkrio da usijani metal emituje elektrone sa površine, što znači da je energija koju dobijaju elektroni zagrijavanjem metala dovoljna da oni budu izbačeni iz potencijalne jame i napuste metal.

Def. Termoelektronska emisija predstavlja emisiju elektrona sa površine usijanih metala.

Zahvaljujući ovom otkriću dolazi do proizvodnje elektronskih cijevi1, koje su potom zamijenili poluprovodnički elementi. Poluprovodnički elementi predstavljaju poluprovodnik odnosno spoj p-n spoja2.

1.2.Poluprovodnici su materijali čija je provodljivost manja od provodnika, a veća od izolatora. Valentna traka kod poluprovodnika nije popunjena sva, te se elektroni unutar nje mogu pomjerati, te ne moraju ići u provodnu traku da bi se kretali, te se zbog toga valentna i provodna traka mogu tretirati kao jedna traka. Na niskim temperaturama poluprovodnici se počinju ponašati kao izolatori, te na temperauti od 0K imaju iste osobine kao izolatori. Valentna traka je u potpunosti popunjena valentnim elektronima, dok je slobodna traka potpuno prazna. Što je temperatura viša i njihova provodljivost je bolja. Uzrok svemu ovome je zabranjena traka, naime za razliku od izolatora potrebna energija za prelazak iz valentne u provodnu trako kod poluprovodnika iznosi oko 1-1,15 eV što je dosta manje za razliku od izolatora. S povećavanjem temperature raste i energija elektrona te je s višom temperaturom i provodljivost veća. Poluprovodnici su uglavnom 4-valentni elementi, među kojima su najpoznatiji Ge(germanij) i Si(silicij). Veze među atomima su kovalentne,tako da atomi uspostavljaju vezu stvarajući zajednički elektronski par.

1 Elektronske cijevi- je aktivni elektronički element čiji se rad temelji na protoku slobodnih elektrona u vakumu između dvije ili više elektroda.

2 Def. P-n spoj predstavlja poluprovodničku diodu kod koje postoji jasna granica između p i n područja.[Type text]

2.1. P-n spoj

Poluprovodnički elementi zamijenili su vakumske elemente3, vakumsku diodu zamijenila je kristalna dioda. Kristalna dioda se dobija spajanjem p i n-tipa poluprovodnika, pa se zbog toga još naziva i p-n spoj.

Def. Poluprovodnička dioda predstavlja kristal kod kojeg postoji jasna granica između p i n područja.

p-tip sl. 1 n-tip sl.2

akceptori(negativni joni) donori(pozitivni joni)

šupljine(pozitivni joni) elektroni

Pa prema definiciji, kristalna dioda je tim p-n spoja kod kojeg postoji tačno utvrđena granica između ta dva tipa.

p-n tip sl. 3

Postoje dva načina na koja može biti vezan p-n spoj:1.Direktna(propusna) polarizacija

3 Prve diode su se sastojala od staklenog balona koji je bio ispunjen vakumom, pa su po toj osobini i dobile naziv „Vakumski elementi“.[Type text]

2.Invezrna polarizacija

2.2. Princip rada p-n spoja

Kada dođe do kontakta p i n tipa poluprovodnika odvijaju se posebni procesi uz samu granicu spoja, kojih nema u ostalim dijelovima spoja, pa se zato usko područje gdje se dodiruju zove granična zona.Kada dođe do kontakta poluprovodnika glavni nosioci iz p i n tipa difuzijom prelaze iz jednog u drugo područje. Iz n tipa glavni nosioci, elektroni, prelaze u p područje, a iz p tipa glavni nosioci, šupljine, prelaze u n područje. Prelaskom elektrona iz n u p područje u graničnom dijelu ostaje dominantan pozitivan naboj donora4. Prelaskom šupljina iz p u n područje u graničnom dijelu ostaje domanantan negativan naboj akceptora5.Ako neka šupljina iz p tipa pređe u n područje u procesu rekombinacije6 eliminiše jedan elektron i opet povećava pozitivan naboj graničnog dijela n tipa. Ujedno, ako neki elektron iz n područja pređe u p područje rekombinuje se sa šupljinama u tom području povećavaju negativan naboj. Zbog toga se granični dio n tipa naelektriše pozitivno a p tip negativno, te na taj način dolazi do stvaranja električnog polja.

4 Donori predstavljaju pozitivne jone u n tipu.

5 Akceptori predstavljaju negativne jone u p tipu.

6 Proces rekombinacije predstavlja pojavu kada umjesto nekog elektrona iz valentne trake, elektron iz provodne trake popuni šupljinu, šupljina nestaje i elektron prestaje biti slobodan(ostaje vezan jer je prešao u valentnu traku).[Type text]

sl.4

Granično područje p tipa je osiromašeno glavnim nosiocima, tj. vrlo mali broj šupljina je prisutan, te je granični dio p područja naelektrisan negativno. Analogno tome granično područje n tipa osiromašeno je glavnim nosiocima koji su u ovom slučaju elektroni, te je granični dio n područja naelektrisan pozitivno.Uspostavljeno električno polje, Eu usmjereno je od pozitivnog dijela izvora(+), ka negativnom dijelu izvora(-). Što je veći broj glavnih nosioca naelektrisanja, to je i električno polje jače. Jačina električnog polja će rasti dovoljno da počne sprječavati difuziju glavnih nosioca iz jednog u drugo područje. Kod tako jakog polja nemoguće je da se elektroni kreću u smijeru polja(njihov prirodan smijer je suprotan od smijera polja), a šupljine u suprotnom smijeru od smijera polja. Na ovaj način električno polje koje se uspostavilo predstavlja prepreku za dalje kretanje glavnih nosioca, te je to polje nazvano potencijalna barijera. Prema tome struja če teći dok potencijalna barijera ne ojača i ne priječi dalju difuziju. Međutim, to električno polje nije prepreka za kretanje sporednih nosilaca. Šupljine u n tipu se kreću u smijeru polja, a elektroni u p tipu u suprotnom smijeru od smijera polja. No njihovo kretanje ne predstavlja značajnu struju pa je ni ne uzimamo u obzir.

[Type text]

2.3. Direktna(propusna) polarizacija

Da bi se održala stalna koja je rezultat kretanja glavnih nosioca naelektrisanja, potrebno je djelovanje vanjskog električnog polja tj. da se p-n spoj priključi na izvor istosmjerne struje.

sl.5

U graničnom djelu n tipa nema elektrona,to područje je u ovom slučaju bez glavnih nosioca struje, ali ih ima u ostalim dijelovima, no joni su fiksirani i ne premještaju se pod uticajem polja. Isto tako u graničnom dijelu p tipa nema šupljina, to područje je u ovom slučaju bez nosioca struje, ali ih ima u ostalim dijelovima, no ti joni zauzimaju fiksne položaje. Iz ovih razloga je potrebno dovesti vanjsko polje, tj. diodu priključiti na vanjski izvor, tako da p tip priključimo na pozitivan pol, a n tip na negativan pol izvora. Ovakav način spajanja diode na vanjski izvor napona se naziva direktna(propusna) polarizacija. Sa ovakvim načinom spajanja, vanjsko polje će biti suprotnog smijera od unutrašnjeg polja, Eu.Suprotno vanjsko polje, Es oslabiće potencijalnu barijeru, što će omogućiti ponovno nagomilavanje glavnih nosioca u graničnoj zoni, jer će rezultujuće polje biti tako da omogućava kretanje nosilaca prema granici. Granična zona će se opet obogatiti nosiocima, što znači da će se ponovo uspostaviti struja.

2.4.Inverzna(obrnuta) polarizacija

U drugom slučaju, diodu priključujemo na vanjsko električno polje ali sa zemjenjenim polaritetima.

[Type text]

s l.6

U ovom slučaju, p tip priključujemo na negativan pol, a n tip na pozitivan pol izvora. Ovakav način spajanja na vanjski izvor nazivamo inverzna(obrnuta) polarizacija. U ovom slučaju električno polje je uvijek istog smijera( od pozitivnog pola, ka negativnom polu), a vanjsko polje je sada promjenilo smijer, tako da ima ili smijer kao i unutrašnje polje (Eu=Ev), što znači da se potencijalna barijera pojačava, pa će nosioce još više udaljavati od graničnog područja. Granična zona će se još više osiromašiti glavnim nosiocima, te struja neće teći.Struja teće samo ako je riječ o direktnoj polarizaciji, što znači da struja možeteći u jednom smijeru. Tako da kristalne diode služe kao ispravljači naizmjenične struje, pa su kao takve potisnule iz upotrebe vakumske diode. Zbog široke upotrebe ima ih jako mnogo, različite izrade i manjene.

2.5.Kristalna dioda kao solarna ćelija

Jedna od vrsta kristalne diode je i solarna ćelija. Osnovni dio solarne ćelije je kristalna dioda(p-n spoj), u kojoj se dva tipa poluprovodnika uzimaju sa

[Type text]

različitom debljinom( p tip poluprovodnika je deblji, a iznad njega je n tip poluprovodnika koji je mnogo tanji; na krajevima n i p tipa su metalne pločice u ulozi elektroda).

sl.7

Između p i n tipa imam granično područje gdje će se stvoriti unutrašnje električno polje, Eu koje je uvijek usmjereno od n tipa ka p tipu poluprovodnika. Svijetlost pada na tanji tip poluprovodnika, n tip, tako da ako sa strane tanjeg poluprovodnika usmjerimo svijetlost ona će svojom energijom postići stvaranje šupljina i slobodnih elektrona.Fotoni svijetlosti međudjeluju sa elektronima iz poluprovodnika p tipa,te mogu neke od njih prebaciti iz valentne u provodnu traku, stvarajući tako slobodne elektrone i šupljine(kao nosioce struje). Novonastali parovi šupljina-elektron naći će se u graničnom području Eu koji će djelovati na njihovo razdvajanje. Parovi p i n tipa, šupljine stvorene u graničnom području kretaće se u smijeru polja, a elektroni stvoreni u graničnom području kretaće se suproto od smijera polja, pod uticajem sunčevih uzraka. Njihovo difuzno kretanje dovodi do stvaranja napona koji se može koristiti za dobijanje električne stuje, tj. možemo ga iskoristiti kao proizvođača. Energija svijetlosti se pretvara u električnu energiju.

[Type text]

2.6. Germanijeva dioda

Ispravljačko djelovanje p-n spoja koristi se također za gradnju kristalnih dioda, namjenjenih za detekciju visokofrekventnih elektromagnetnih oscilacija. Na sl.8 prikazana je šema tačkast germanijeve diode. Ona se sastoji od kristalića germanija(Ge), čije su dimenzije 1,5*1,5*0,5 mm, i tanke volframove žice koja je pritisnuta oštricom uz kristaliće, pri čemu je oštrica prekrivena aluminijem(Al).

Nakon montaže kroz diodu se propušta u direktnomsmjeru kratkotrajni impuls struje, koji jako ubrzava brzinu difuzije aluminija(Al) u germaniju. Pod djelovanjem ovog impulsa ispod oštrice se formira sloj germanija,obogaćenog aluminijem, koji posjeduje šupljinsku vodljivost. Na granici ovog sloja i n-germanija nastaje p-n prelaz, čiji koeficijent ispravljanja može premašiti 105. Kod dioda velike snage ne primjenjuje se tačkasti, nego „površinski" kontakt, koji se izrađ uje isto kao površinski ispravljač. Za razliku od cljevnih dioda kristalne diode posjeduju neznatan kapacitet i veliku brzinu prolaženja naboja kroz prelazni sloj ("međuelektrodni prostor").Ovo omogućuje njihovu primjenu za detekciju valova contimetarskog dijapazona, koji se.koriste u radiolokaciji. Osim toga su kristalne diode bolje od cijevnih zbog svoje mehaničke čvrstoće, male cijene, nalih dimenzija, zbog nepostojanja grijanja, zbog dužeg vijeka trajanja i drugih vrijednih praktičnih kvaliteta.

sl.8

S l . 8 Š ema german i j e v e d i o d e :

1 - k r i s t a l G e ; 2 - v o l f r a m o v a ž i c a s a l u mi n i j s k i m

K r a j em .

[Type text]

3. Cenerova dioda

Cenerova dioda je poluprovodnička dioda izvedena tako da je probojni naponu probojnom području relativno neovisan o promjeni struje pa se koristi za stabilizaciju i ograničavanje napona.

Nazvana je po američkom naučniku Klarensu Ceneru koji je porast vodljivosti u inverzno polarizovanoj diodi izvedenoj od jako dopiranog poluvodiča objasnio tuneliranjem elektrona iz valentne u provodnu traku. Ova pojava je nazvana Cenerov učinak i dominira u diodama s probojnim naponom ispod 5 V. Za diode s većim probojnim naponima postaje sve značajniji lavinski učinak, pojava da se elektroni u električnom polju ubrzaju toliko da udarom iz valentne trake izbijaju nove elektrone. Međutim, uobičajno je da se i takve diode također zovu Cenerove dok se naziv lavinske dioda koristi samo za one kojima je potreban mnogo viši napon.

Cenerov efekat je pojava kada se pri određenoj jačini električnog polja iz kristalne rešetke oslobađaju valentni elektroni i tako se naglo povećava provodljivost poluprovodnika. Lavinski

[Type text]

efekat je pojava kada se pri daljem povećavanju jačine električnog polja ti oslobođeni elektroni ubrzavaju da iz kristalne rešetke udarom izbijaju nove elektrone.

Kod Cenerovog učinka temperaturni koeficijent je negativan, a kod lavinskog je pozitivan pa je temperaturni koeficijent najmanji za diode s probojnim naponom oko 5 V jer su oba učinka podjednaka.

Struja cener diode u ovisnosti od napona(sredi ti sebi ove slike kako si skonto)

4. LED dioda

[Type text]

Svjetleća ili LED dioda je posebna vrsta poluprovodničke diode koja emitira svjetlost kaka je propusno ili direktno polarizirana, tj. Kaka kroz nju teče struja. Prilikom direktne rekombinacije para elektron-šupljina, emitira se foton svjetla. Takvo svojstvo imaju poluprovodnici galijev arsenid (GaAs), galijev fosfid (GaP) i silicijev karbid (SiC). Ta pojava se naziva elektroluminescencija . Boja emitiranog svjetla ovisi o poluprovodniku, kao i o primjesama u njemu i varira od infracrvenog preko vidljivog do ultraljubičastog spektra

LED dioda svijetli odnosno emituje fotone kada elektroni prolaze kroz spoj, tj . Kada se stavi pod neki napon.Većina dioda emituje zračenje al i ono ne napušta poluprovodnik i nalazi se u frekventnom opsegu infracrvenog zračenja. Međutim, izborom odgovarajućeg materijala svjetlost postaje vidilj iva. Naponom potencijalne barijere dioda određuje boju svjetlosti. Tijekom posljednje decenije upotreba LED dioda je doživjela revoluciju. Početkom 90-ih godina LED diode su bile dostupne samo u crvenoj i zelenoj boji. Kasnije je bilo moguće proizvesti i plave diode a na kraju je bilo moguće proizvesti i bijelo svjetlo i to na dva načina:

Kombinacijlom crvene, plava i zelene (RGB) Korištenjem plave LED diode u kombinacij i s bijelim slojem

fosfora

5.ZAKLJUČAK

[Type text]

6. LITERATURA

[Type text]

Zapažanje mentora: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ocjena maturskog rada: _________________ (__)

[Type text]

Pitanja za usmenu odbranu maturskog rada:

1. ________________________________________________________________________________________________________

2. ________________________________________________________________________________________________________

3. ________________________________________________________________________________________________________

Ocjena odbrane maturskog rada: ________________ (__)

Komisija:1. ______________________2. ______________________3. ______________________

[Type text]