POLUDOVIČI - SVOJSTVA I PRIMJENA

POLUDOVIČI - SVOJSTVA I PRIMJENA

3. nastavna cjelina

PODJELA POLUVODIČKIH MATERIJALA

Poluvodički materijali imaju električnu otpornost između 10-5 m 104 m. Posjeduju negativni temperaturni koeficijent otpora. Nositelji električne struje kod poluvodiča su elektroni po vodljivoj stazi i šupljine po valentnoj stazi. Spojeve tvore kovalentnom vezom: stvaranjem zajedničkih elektronskih parova.

Poluvodički materijali mogu se podijeliti na:• prirodne elemente,• prirodne kemijske spojeve (i legure),• umjetno načinjene spojeve (keramika).

Poluvodičkikemijskielement

Zabranjenienergijski pojas

EG eV

bor 1,1ugljik 5,2silicij 1,1germanij 0,75kositar 0,08fosfor 1,5arsen 12antimon 0,12sumpor 2,5selen 17telur 0,36jod 1,25

PODJELA POLUVODIČKIH MATERIJALAU drugu skupinu poluvodičkih materijala spadaju:• oksidi (bakreni oksidul Cu2O, Fe2O3),• 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. Značajke elemenata i sklopova izrađenih iz poluvodičkih materijala su:- dug vijek trajanja, - malen volumen, - mala težina, - jednostavna izrada (relativno),- velika mehanička čvrstoća,- diode i tranzistori nemaju strujnih krugova za zagrijavanje,- snaga napajanja je neznatna,- mala ustrajnost (inercija), - ekonomična izrada. U prvom redu misli se na prednosti poluvodičkih elemenata pri usporedbi sa elektronskim cijevima. Nedostaci su, u odnosu na cijevi, manja snaga, te veća osjetljivost na povišene temperature i na radioaktivna zračenja.

PODJELA POLUVODIČKIH MATERIJALANa početku razvoja poluvodičke tehnologije temeljni materijal je bio germanij (1948. - 1960. godine). Međutim, buran razvoj poluvodičke tehnologije, posebice mikroelektronika, je doživjela otkrićem planarnog postupka kod kojega je temeljni materijal silicij. Od 1979. godine mnogo pažnje posvećeno je galij-arsenidu, iznimno perspektivnom poluvodičkom materijalu. Kako velik broj poluvodiča spada u treću skupinu, umjetno stvorene spojeve, razrađeno je više načina kojima se dobiva monokristal, odnosno postupaka rasta monokristala (postupak Czochralskog, postupak lebdeće zone, Bridgemanov postupak, itd.). Monokristali poluvodiča su najčešći oblik u kojem se rabe poluvodički materijali. Rastom se dobivaju monokristali u obliku štapa, iz kojih se rezanjem dolazi do wafera (tankih pločica). One mogu poslužiti kao klica za rast kristala epitaksijalnim postupkom. Homoepitaksijom se naziva ako su klica i kristal koji raste iz istog materijala. Tada se klica naziva supstratom. Ako raste drugi materijal na supstratu, ali s istim tipom kristalne rešetke, radi se o heteroepitaksiji.

NAČELO VOĐENJA U POLUVODIČIMA, TIPOVI POLUVODIČA

Atomi poluvodičkih materijala spajaju se kovalentnim vezama, tvoreći parove elektrona zajedničkih za oba atoma. Takve veze su čvrste. Pri temperaturi apsolutne nule nema slobodnih elektrona. Pri povećanju temperature neke se veze kidaju i postoji određeni broj slobodnih elektrona. Tada, uz djelovanje električnog polja dolazi do određene vodljivosti. Dodavanjem peterovalentne primjese (npr. N, P, As, Sb - antimon, Bi) u čisti monokristal germanija ili silicija (četverovalentni) primjesa će se kovalentnim vezama vezati sa četiri susjedna Si ili Ge atoma, a peti elektron primjese ostaje slobodan. Uslijed termičkog gibanja slobodni elektroni, dobiveni na takav način, gibat će se kroz kristalnu strukturu kaotično, a kada djeluje vanjsko električno polje protjecat će električna struja. Ovako dobiveni poluvodič naziva se poluvodičem N-tipa (negativnog tipa) jer u njemu električnu struju predstavlja gibanje slobodnih elektrona. Peterovalentni atom primjese naziva se donorom (davatelj). Donorske primjese stavljaju elektrone u pojasslobodnih energijskih razina (donorska razina primjesa), što olakšava oslobađanje elektrona.


Dodavanjem trovalentne primjese (npr. In, B, Al, Ga) u čisti monokristal četverovalentnih germanija ili silicija jedna veza nije ostvarena. Tu nastaje tzv. šupljina. Šupljinama se kao nositeljima električne struje pridaje pozitivan karakter. Tako nastaje P-tip poluvodiča (pozitivan tip) jer su glavni nositelji električne struje šupljine. Trovalentni atom primjese naziva se akceptor (primatelj). Akceptorske primjese stvaraju upoluvodiču dopunske slobodne energijske razine na koje mogu preći elektroni iz popunjenog valentnog pojasa ostavljajući iza sebe šupljine.

S i In

S i

S i

S i?

S i S i

S i

S i

S i

S i

S i

S i

S i

S i S i

S i S i


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.U poluvodiču s primjesama postoje slobodni nositelji elektriciteta (elektrona i šupljina) i vezani nositelji elektriciteta: ioni primjesa (negativni akceptori i pozitivni donori).

Nositelji naboja mogu biti većinski i manjinski. U N-tipu poluvodiča većinski su elektroni, a manjinski šupljine. U P-tipu poluvodiča većinski nositelji su

šupljine, a manjinski elektroni. U poluvodičima s velikim brojem primjesa može doći do preklapanja energijskih pojasa, te im svojstva postaju slična metalima. To su tzv. degenerirani poluvodiči. Primjese mogu izazvati nastajanje energijskih razina koje mogu djelovati kao: zamke i rekombinacijski centri. U zamkama se neko vrijeme zadržavaju slobodni nositelji elektriciteta, te se na taj način utječe i na vodljivost. U rekombinacijskim centrima se poništavaju elektroni i šupljine.

POJAVE U POLUVODIČIMAU poluvodičima se javljaju:

- termoelektrične pojave:- Seebeckov efekt,- Peltierov efekt,- Thomsonov efekt,

- elektromagnetske i termomagnetske pojave:- Hallov efekt,- Ettingshausenov efekt,- Nernstov efekt,- Righi-Leducov efekt,

- fotoelektrične pojave:- fotovodljivost,- fotonaponski efekt,- elektroluminescencija,

- piezoelektrične pojave:- piezoelektrični efekt.

Termoelektrične pojave - Seebeckov efektSeebeckov efekt je pojava termoelektromotornog napona na krajevima poluvodiča koji su na različitim temperaturama. Može se kazati da se pojava izravnog pretvaranja toplinske u električnu energiju naziva Seebeckovim efektom, opisanog izrazom:

U = 2 - 1gdje je koeficijent termoelektromotornog napona . Seebeckov efekt se pojavljuje i kod metala, međutim kod poluvodiča je izrazit jer se koeficijent kreće od 100 - 1000 V/K.U N-tipu poluvodiča na toplijem kraju dolazi do jačeg termičkog gibanja elektrona i oni se gibaju prema hladnijem kraju. Stoga se na hladnijem kraju pojavljuje višak elektrona, i kao posljedica razlika potencijala između krajeva poluvodiča. Kod N-tipa poluvodiča termoelektromotorni napon ima smjer od hladnijeg prema toplijem kraju. U P-tipu poluvodiča termoelektromotorni napon ima smjer od toplijeg prema hladnijem kraju. Seebeckov efekt se koristi i za eksperimentalno određivanje tipa poluvodiča.

Termoelektrične pojave - Peltierov efekt (kontaktni elektromotorni napon)

Ukoliko dva vodiča ili poluvodiča formiraju električni krug kojim protječe električna struja I, osim pojave Jouleove topline, na spojevima se oslobađa ili apsorbira toplina Q iznosa:

Q = I tgdje je Peltierov koeficijent, I jakost električne struje, a t vrijeme protjecanja električne struje. Po Thomsonu je Peltierov koeficijent:

= Tgdje je koeficijent termoelektromotornog napona, a T apsolutna temperatura. Ukoliko se spoj na kojem se oslobađa toplina drži na konstantnoj temperaturi drugi će se spoj hladiti sve dok količina topline dovedena iz okoline i količina topline dovedena kroz vodiče kruga ne postanu jednake Peltierovoj toplini. To je temelj termoelektričnog hlađenja. Tu se radi o pretvorbi električne u toplinsku energiju.

Termoelektrične pojave - Thomsonov efekt

Ako u poluvodičkom materijalu (jednom te istom), kojim protječe istosmjerna struja I, između točaka A i B, postoji temperaturna razlika , onda će se u tom materijalu oslobađati ili apsorbirati, ovisno o smjeru električne struje, toplinska energija iznosa:

QT = I t gdje je Thomsonov koeficijent, a t vrijeme protjecanja električne struje.Kad se elektroni gibaju iz toplijeg u hladniji dio uzorka poluvodičkog materijala elektroni predaju energiju susjednim atomima, te se zagrijava materijal uzorka. U suprotnom smjeru elektroni povećavaju svoju energiju na račun energije susjednih atoma, te dolazi do apsorbcije topline.

Svi efekti imaju veliku primjenu kod mjerenja temperature termoelementima, pri termoelektričnoj konverziji energije, pri radu elemenata za grijanje i hlađenje na temelju Peltierovog efekta, itd.

Elektromagnetske i termomagnetske pojave - Hallov efekt

Ukoliko se poluvodič nalazi u električnom polju, te stoga protječe električna struja gustoće J, a okomito na smjer tog polja egzistira magnetsko polje indukcije B, javlja se, transverzalno na oba polja, novo električno polje jakosti:

E = RH J Bgdje je RH Hallova konstanta.

Sl 4.3.


Uslijed djelovanja prvotnog električnog i magnetskog polja većinski nositelji gibat će se prema graničnim plohama poluvodiča i tu se nagomilavati. Električno polje koje nastaje zbog razlike potencijala na graničnim plohama djelovat će na ostale nositelje naboja silom koja je suprotna sili zbog djelovanja magnetskog polja (Lorentzova sila). Kako je sila nastalog električnog polja jednaka po iznosu, a suprotnog smjera od sile magnetskog polja, vrijedi:

QE = QvB

(4.8)Kako je E = U/d, a gustoća električne struje J = -nev ako su nositelji električne struje elektroni, ili općenito J = nQv, uvrštavajući te izraze u (4.8) dobija se:

(4.9)

v

EB

HH U

Jd

nQ

dv

UB


gdje je UH Hallov napon (kojeg mjeri voltmetar sa slike 4.3), tj. razlika potencijala između gornje i donje strane pločice. Izražavajući Hallovu konstantu iz (4.6) i supstituirajući B iz (4.8) slijedi:

(4.10)

Izražavajući brzinu preko gustoće struje i elektriciteta dobija se:

(4.11)

Hallova konstanta nije stalna veličina. Ovisi i o temperaturi i o vrsti primjesa u materijalu. Efekt se iskorištava pri određivanju fizikalnih svojstava poluvodiča, pri mjerenju magnetske indukcije B ili, pak, koncentracije i pokretljivosti nositelja naboja.Uz izmjeren Hallov napon i poznate gustoću električne struje (J) i gustoću naboja (nQ), određuje se magnetska indukcija B. Hallova sonda, kojom se određuje magnetska indukcija, može se napraviti vrlo malenom, pa je moguće precizno mjeriti magnetsku indukciju gotovo od točke do točke.

J

v

Jv

EE

BJ

ER

H

HHH

nQJnQJ

RH

1

Elektromagnetske i termomagnetske pojave - Ettingshausenov, Nernstov, Righi-Leducov učinak

Ettingshausenov efekt je pojava transverzalnog temperaturnog gradijenta kad je poluvodič u električnom i magnetskom polju. Iznos transverzalnog temperaturnog gradijenta je dat relacijom:

= P J B

gdje je P Ettingshausenov koeficijent.Nernstov efekt je pojava da se uz magnetsko polje koje je okomito na smjer temperaturnog gradijenta koji uzrokuje tok topline Q transverzalno javlja termoelektrični napon iznosa:

E = N Bgdje je N Nernstov koeficijent.Righi-Leducov efekt je pojava da se uz Nernstov efekt javlja i transverzalni temperaturni gradijent iznosa:

z

T

y

T

z

T = S ByT

Fotoelektrične pojaveFotovodljivost je pojava električne vodljivosti poluvodiča pod utjecajem svjetlosti (ili sasvim općenito, elektromagnetskog zračenja). Zbog međudjelovanja fotona i kristalne rešetke povećava se broj slobodnih nositelja elektriciteta. To je načelo rada fotootpornika. Najčešće se rabe: germanij, silicij, kadmijev sulfid (CdS), olovni sulfid (PbS), olovni selenid (PbSe) i cinkov sulfid (ZnS).Fotonaponski efekt je pojava električnog napona na krajevima poluvodiča (odnosno PN prijelaza) zbog apsorpcije svjetlosti u poluvodiču. Uslijed apsorpcije svjetlosti stvaraju se elektroni i šupljine. Oni se mogu razdvojiti s pomoću unutarnjeg električnog potencijala koji već egzistira u osiromašenom sloju PN prijelaza. Zbog toga dolazi do umanjenja unutarnjeg potencijala što se iskazuje kao fotonapon. Taj fotonapon može kroz vanjski električni krug uzrokovati tok električne struje. Radi se o pretvorbi svjetlosne energije u električnu. To je temelj rada sunčanih ćelija. U početku se za izradu koristio selen, a poslije je prevladao silicij.

Fotoelektrične pojave

Luminescencija podrazumijeva sve pojave svijetljenja koje nisu uzrokovane samo porastom temperature. Ako je kraćeg trajanja naziva se i fluorescencijom, a ako je dužeg trajanja fosforescencijom. Elektroluminescencija je oblik luminescencije koja je izazvana elektronima. Najčešće se radi o elektronima ubrzanim električnim poljem i većih energija, uslijed ubrzanja, koji udarom pobuđuju luminescentne materijale.

Elektroluminescencija je u biti pojava pretvorbe električne energije u svjetlosnu. Temelj je rada svjetlećih dioda. Najčešće korišteni fluorescentni materijali su: sintetički vilemit, kalcijev i kadmijev volframat, cinkov fosfat, cinkov sulfid i kadmijev sulfid.

Piezoelektrične pojave

Piezoelektrični efekt je pojava stvaranja električnog naboja na površini posebno odrezanog kristala koji je elastično deformiran vanjskom silom. Jedna strana (površina) tog kristala nabit će se negativno, a druga pozitivno. Dakle, kristal postaje električki polariziran. Polarizacija kristala je najveća kada je naprezanje usmjereno u pravcu piezoelektrične osi kristala. Promjenom smjera deformacije (tlak - vlak) dolazi do polarizacije obrnutog smjera. Piezoelektrični efekt otkrili su 1890. godine Jacques i Pierre Curie. Koristi se u senzorima tlaka. Najznačajniji piezoelektrični materijali su kvarc (SiO2), Seignettova sol i turmalin, a u novije vrijeme PZT keramike.

Materijali za piezoelektrične pretvornike i senzorea) Pojedinačni kristali

Ovi materijali dominiraju određenim primjenama, kao u npr. osilatorima stabiliziranim frekvencijom kod radara i satova, akustičnim filterima u televizorima, korelatorima analognih signala i dr. Ova skupina uključuje: kvarc, litijski niobat, litijski tantalid, amonijum-dihidrogen-sulfat, litijski sulfat-monohidrat i Rochellovu sol. U prošlom desteljeću je otkriveno da superiorne piezoelektrične karakteristike posjeduju: Pb-Zn-Ni, Pb-Mg-Ni i njihove kombinacije s Pb-Ti.

Kvarc (kristal SiO2) ima niski d11 = 12,3 x 10-12 CN-1. Desno usmjereni kvarc (right-handed quartz) razvija pozitivan naboj kad je pritisnut (compression), a negativan kad su razvlači (tension). Koeficijent sprege k za kvarc je također vrlo nizak, tipično oko 0,1; r = 4. Curieva točka je relativno visoka (573C), pa je kvarc stabilan pri visokotemperaturnim promjenama. Jeftin je i ima jako mjesto među visokotemperaturnim primjenama.

Litij niobat i tantanat se koriste u infracrvenim detektorima. Rochellijeva sol je pogodna za primjene u vodi. kao elektroakustični pretvornik.

Materijali za piezoelektrične pretvornike i senzoreDrugi tip piezoelektičnih materijala dominira tržištem pretvornika: piezoelektrične keramike, piezoelektrični polimeri i kompoziti piezoelektričnih keramika s neaktivnim polimerima.b) Piezoelektrične keramikeU polikristalne keramike s polarnim granulama, kaotičnost orijentacije granula vodi k ne-piezoelektričnosti. Piezoelektričnost se postiže s jakim istosmjernim električnim poljem na temperaturama nešto ispod Curierove. U keramičkom materijalu domene nikad ne mogu biti potpuno poravnate zbog ograničenja simetrije, ali se usmjeravaju u smjeru osi narinutog polja. Najveći strukturni tip izrađen od oksigen-oktahedara u kutovima (corner-sharing oxigen-octahedra) je "perovskite" obitelj.PerovskitesTo je ime dano grupi materiala s općom formulom ABO3. Imaju istu strukturu kao mineral kalcijevog titanida (CaTiO3). Piezoelektrične keramike koje imaju ovu strukturu su:

-barij-titanat (BaTiO3), -olovo titanat (PbTiO3), -olovni-cirkontitanid (PbZrx Ti1-xO3 ili PZT), -olovni-lantij-titranid (Pb1-xLax(ZryT1-y)1-x/4O3 ili PLZT),-olovni-magnezij-niobid (PbMg1/3Nb2/3O3 ili PMN).

Materijali za piezoelektrične pretvornike i senzore

Tablica: Neke piezoelektične keramike i njihova svojstva

Materijal r Tc (C) k d (x 10-12)BaTiO3 1400-1900 130 0,5 270 i 191PbTiO3 200 490 0,5 65

PZT (PbZrO3 i PbTiO3)1700-17503200-3400

teška365meka210

360-370580-600

0,70,7

Tablica: Neki piezoelektični kristali i njihova svojstva

Materijal r Tc (C) k dKvarc (SiO2) 4 573 0,1 12,3 x 10-12

Litij-niobat (LiNbO3) 40 1210 0,65 26 x 10-12

Litij-tantanat (LiTaO3) 40 620 0,4 73 x 10-12

Rochellova sol (KNaC4H4O6H20) 350 18 i 24 0,65 275 x 10-12

Materijali za piezoelektrične pretvornike i senzorePbTiO3 je prvo smatran feroelektrikom (1950.g.). Međutim , ako mu se pridodaju nečistoće, poput Ca, Sr, Ba, Sn ili W, postaje piezoelektričan sa svojstvima iz tablice.Ima više vrsta PZT keramike. One su dvojne kombinacije PbZrO3 (antiferoelektrični materijal) i PbTiO3 (feroelektrik). Zr i Ti zauzimaju B mjesto u općoj formuli nasumično. Na sobnoj temperaturi uz Zr/ti omjer 52/48 dobijaju se piezoelektrični materijali koji se lako polariziraju. Teške PZT su dopirane akceptorskim ionima K, Na na A mjestu ili Fe, Al i Mn na B mjesu u općoj formuli. Dopiranje snižava piezoelektrična svojstva. Meka PZT keramika dopirana je donorskim ionima La na A mjestu ili Nb, Sb na B mjestu opće formule.

c) Piezoelektrični polimeri

Piezoelektrično ponašanje polimera je zamjećeno prvi put 1969. To ponašanje proističe iz kristalnih područja oformljenih u polimerima za vrijeme ukrućivanja. Najpoznatiji piezoelektrični polimeri su:

-polivinidilenski florid (PVDF),-polivinidilenski florid - trifluoroetilenski kopolimer (P(VDF-TrFE)) i-neparni niloni, kao nilon-11.

Elektromehanička svojstva piezoelektričnih polimera su značajno niža od keramika. Relativna dielektrična konstanta se kreće između 6 i 12, faktor sprege oko 0,2, a Curieva točka oko 100C.


d) Piezoelektrični kompozitni materijali od kombinacije keramike i polimera

Uz monolitne materijale, kompozitni (složeni) materijali iskazuju piezoelektrična svojstva ako se tvore od piezoelektričnih keramika i polimera.

Tablica: Prednosti i nedostaci piezoelektričnih keramika, polimera i kompozita

Parametar Keramika Polimer Keramika/polimer kompozitakustičnaimpendancija

visoka (-) niska (+) niska (+)

faktor sprege visok (+) nizak (-) visok (+)dielektrična konst. visoka (+) niska (-) osrednja (+)fleksibilnost slaba (-) dobra (+) dobra (+)cijena jeftina (+) skup (-) osrednji (+)

Primjene

Elektromehanički pretvornici pretvaraju električnu energiju u mehaničku i obrnuto. Koriste se pasivno i aktivno. Pasivno kao senzori, kad samo primaju signale. Tu se izravno piezoelektrična svojstva koriste da bi se proizveo napon iz vanjskog naprezanja. Ovaj način uključuje hidrofone, podvodne prislušne naprave, mikrofone, fonograme, mjerne trake dinamičkog naprezanja, senzore vibracija i dr.U aktivnom modu se koriste za slanje akustičkih signala u medij. To uključuje nedestrukcijske procjene, pronalazače ribe/dubine, ink jet štampače, mikropozicijske naprave, mikropumpe, ultrazvuk u medicini.


POLUVODIČKI MATERIJALI ZA SUHE ISPRAVLJAČEPOLUVODIČKI MATERIJALI ZA SUHE ISPRAVLJAČEPrimjenjuju se tri vrste suhih ispravljača (usmjerenih otpornika):

-ispravljači sa selenom (Se),-ispravljači s bakrenim oksidulom (Cu2O),-ispravljači od germanija (Ge) i silicija (Si).

Selenski ispravljač je kombinacija poluvodiča (selena) i kovine. Namjena je ispravljanje izmjenične struje. U propusnom smjeru (selen - pokrovna elektroda s niskim talištem, SNT) otpor je malen, nekoliko desetinki , a u nepropusnom smjeru (zaporni smjer) je vrlo velik, nekoliko k. Podatak o ispravljačkom djelovanju iskazuje faktor usmjerenosti:

faktor usmjerenosti =

gdje je Ipr električna struja u propusnom smjeru, a Izap električna struja u zapornom smjeru.Selenski ispravljač je bolji ispravljač kod većih napona. Dozvoljena radna temperatura je 75 - 85 0C. Faktor usmjerenosti selenskih ispravljača je do 10000.

zap

pr

I

I

Kod manjih napona bolji je ispravljač s bakrenim oksidulom, te se najčešće rabi u mjernoj tehnici. Dozvoljena radna temperatura je 50 0C. Faktor usmjerenosti varira od 500 - 10000.

Ispravljači od germanija i silicija

Ispravljači od germanija i silicija - kristalne diode (poluvodičke diode) nastaju spajanjem dva tipa poluvodiča, N i P tipa, unutar istog kristala. Tako nastaje PN spoj. Na graničnoj plohi dolazi do izrazitog skoka potencijala. Visina potencijalne barijere može se mijenjati vanjskim naponom koji je narinut na kristalnu diodu. Ovisno o polaritetu narinutog napona može se povećati ili smanjiti potencijalna barijera, odnosno može se povećati ili smanjiti prijelazni otpor. Zbog toga nastaje ovisnost strujno-naponske karakteristike kristalne diode o polaritetu narinutog napona, odnosno izražen je efekt ispravljanja. Kad je N kraj priključen na negativni, a P kraj na pozitivni napon PN spoj je propusno polariziran i tada je otpor malen, reda veličine . Kad je polaritet suprotan PN spoj je u zapornom stanju, a otpor je reda veličine M. Izrađuju se i za slabe struje, ali i za velike. Germanijeve diode mogu biti i za struje od nekoliko stotina ampera. Kod manjih struja hlade se zrakom, a kod većih struja vodom.

POLUVODIČKI MATERIJALI ZA TRANZISTORE

Germanij i silicij i galijev-arsenid su poluvodički materijali za izradu tranzistora. Radna temperatura germanijevih tranzistora je do 70 0C, a silicijevih do 150 0C.O njima je već bilo govora na početku ovog područja.Budućnost će biti posebno razmatrana u sljedećem poglavlju o nanotehnologiji.

POLUVODIČKI MATERIJALI ZA NELINEARNE OTPORNIKE

Neki poluvodički materijali pokazuju značajnu nelinearnost strujno - naponskih karakteristika. Od značaja su oni kojima otpor ovisi o temperaturi R = f(T) i o naponu R = f(U). Termistori su nelinearni otpornici kojima

otpor ovisi o temperaturi. Ovakvi poluvodički otpornici imaju negativan koeficijent otpora ( se kreće od - 0,04 K-1 do - 0,06 K-1). Nazivaju se NTC - otpornici s negativnim koeficijentom otpora (postoje termistori i s pozitivnim temperaturnim koeficijentom - PTC). Izrađuju se od oksida: CuO, NiO, MnO, MgO + TiO2, Fe2O3. Oni se melju u prah i sinteriraju. Termistori imaju primjenu pri regulaciji napona, detekciji promjena napona, mjerenju i regulaciji temperature, u mjernim uređajima, itd.

Nelinearni otpornici kojima otpor ovisi o narinutom naponu (opada s porastom napona) zovu se varistori ili VDR (voltage dependent resistor). Posjeduju negativni koeficijent otpora, ali iznos

tog koeficijenta je do 20 puta manji nego kod termistora. Uglavnom se izrađuju iz silicijevog karbida (SiC). Primjenjuju se pri stabilizaciji napona, modulaciji struje, za gašenje iskri na prekidačima, za zaštitu kontakata, za zaštitu od prenapona, itd.

UGLJIK

Ugljik se u prirodi pojavljuje u tri alotropske modifikacije: kao dijamant, kao grafit i kao amorfni ugljen (čađa, drveni ugljen, fosilni ugljen i koks). Dijamant je iznimno tvrd, te se u tehnici koristi kao sredstvo za rezanje i brušenje. Grafit je, naprotiv, mekan i drobljiv. Sadrži od 85 - 99 % ugljika. Ovisno o načinu obrade dobivaju se različiti proizvodi. Ako se grafitiranje izvodi na višim temperaturama (2500 - 3000 C) dobivaju se elektrografitni proizvodi, a ako se grafitu dodaje metalni prah dobivaju se metalografitni proizvodi. Na bazi ugljena proizvode se: ugljene elektrode, grafitne elektrode, ugljeni kontakti (koji se ne mogu zavariti zbog visokog tališta - preko 3800 C), četkice za električne strojeve, ploče, membrane i zrnca za ugljene mikrofone, otpornici na bazi ugljena (otporne cijevi, otporni štapovi, slojni otpornici), itd.

Pitanja za ponavljanje • Podjela poluvodičkih materijala. Navedite glavne

pripadnike svake skupine.• Tipovi i značajke poluvodiča. Što su rekombinacijski

centri i zamke?• Materijali za piezoelektrične pretvornike i senzore.• Termoelektrične pojave (Seebeckov, Peltierov i

Thomsonov učinak).• Hallov, Nernstov i Righi-Leducov učinak.• Poluvodički materijali za suhe ispravljače. Objasnite faktor

usmjerenosti.• Objasnite homoepitaksiju i heteroepitaksiju.• Objasnite načelo vođenja električne struje kroz N i P tip

poluvodiča.

Documents

POLUDOVIČI - SVOJSTVA I PRIMJENA