Zadanie domowe: kiedy pole elektryczne jest słabe, a kiedy silne?

Transkrypt

1 Zadaie domowe: kiedy pole elektrycze jest słabe, a kiedy sile? Wersje rozwiązań: Wersja z polem magetyczym; Wersja z kaciastym wykresem; Wersja bez kaciastego wykresu, ale z asyceiem; Wersja z porówaiem do Cu; Wersja z jedym zdaiem; Zadaie domowe: kiedy pole elektrycze jest słabe, a kiedy sile? Wersja z porówaiem do Cu- logika podoba do logiki tego zdaia: jabłko jest czerwoe, poieważ gruszka jest zieloa; Wersja z jedym zdaiem: prędkość uoszeia jest iezacza a fukcja rozkładów (!!!) elektroów jest iezmiea 1

2 Zadaie domowe: kiedy pole elektrycze jest słabe, a kiedy sile? Wersje rozwiązań: Wersja z polem magetyczym teksty ie a temat zawsze obiżają wartość pracy; ocea zależała od tego, do której grupy odpowiedzi ależała odpowiedź a temat ; Zadaie domowe: kiedy pole elektrycze jest słabe, a kiedy sile? Wersje rozwiązań: Wersja z kaciastym wykresemskąd się wziął te wykres/jedostki/iepewości pomiarowe/?; Wersja bez kaciastego wykresu, ale z asyceiemprzeważie brakowało uzasadieia; 2

3 ZJAWISKA KONTAKTOWE Rys: Zjawiska kotaktowe. Pojęcia. metal Φ M W W praca przeiesieia elektrou z da pasma przewodictwa do próżi, bez zwiększaia jego eergii kietyczej (którą ma zerową). Używa się tylko dla metalu. Φ termodyamicza praca wyjścia. 3

4 Zjawiska kotaktowe. Pojęcia. półprzewodik Φ S Χ E C,S E F,S E i Φ termodyamicza praca wyjścia. χ- powiowactwo elektroowe półprzewodika. E V,S Emisja elektroów z ciała stałego. Termoemisja: emisja elektroów w wysokiej temperaturze; Φ 2 Uwagi: j kt T = AT e W temperaturze pokojowej prąd termoemisji jest bardzo mały; Wzór Richardsoa jest całkowicie klasyczy, a wiadomo że cząstki o eergii wyższej iż bariera potecjału też się od iej mogą odbić. Dlatego koiecza jest modyfikacja wzoru: Φ 2 j kt T = (1 R) AT e Gdzie R jest współczyikiem odbicia ( ) Emisja elektroów powoduje oziębieie katody 4

5 Emisja elektroów z ciała stałego. W silym polu elektryczym prąd termoemisji jest większy iż bez pola (obiża się bariera potecjału pomiędzy metalem a otoczeiem - ozacza to zmiejszeie pracy wyjścia); Emisja elektroów z ciała stałego. Emisja polowa: tuelowaie elektroów w silym polu elektryczym (przez trójkątą barierę potecjału); metal 5

6 Emisja elektroów z ciała stałego. Emisja polowa występuje w silych polach elektryczych E > 10 7 V/cm; Wyjątkowymi materiałami pod względem emisji polowej elektroów są aorurki węglowe. Emisja elektroów z ciała stałego. Zjawisko emisji polowej wykorzystuje się m.i. w wyświetlaczach: Field Emissio Displays (FED): różica między FED a zwykłym ekraem jest taka, że FED wykorzystuje wiele emiterów elektroów, a ie jede; Emitery mogą być: -Mo; - CNT 6

7 Emisja elektroów z ciała stałego. Fotoemisja: emisja elektroów pod wpływem światła Emisja elektroów z ciała stałego. Fotoemisja: dwufotoowa fotoemisja - jede foto wzbudza elektro do stau wzbudzoego, ale związaego wewątrz ciała stałego; drugi - do stau iezwiązaego; 7

8 Emisja elektroów z ciała stałego. Emisja wtóra: wiązka padających elektroów wybija elektroy (wtóre) z powierzchi ciała stałego; Składa się z trzech etapów: Wzbudzeie elektroów w ciele stałym do wyższego stau eergetyczego; trasport wzbudzoych elektroów do graicy ciało stała/próżia; Emisja elektroów; Wydajość emisji wtórej opisuje się za pomocą współczyika emisji wtórej, δ; ; Większość materiałów to półprzewodiki lub izolatory, których przerwa eergetycza jest zaczie większa iż powiowactwo elektroowe. Np. MgO, BeO, Cs 3 Sb i KCl. Maksymale δ jest w zakresie Emisja elektroów z ciała stałego. Emisja wtóra. W iektórych półprzewodikach pasma są zakrzywioe w dół w taki sposób, że poziom próżi leży poiżej da pasma przewodictwa w objętości. O takim materiale mówimy, że ma ujeme powiowactwo elektroowe. Najważiejszy materiał z tej grupy to fosforek galu aktywoway cezem GaP(Cs). Osiąga o δ rzędu

9 Emisja elektroów z ciała stałego. Emisja wtóra: Zjawisko emisji wtórej wykorzystuje się w powielaczach elektroowych, w fotopowielaczach, telewizorach itd. Złącza różych materiałów: uwagi ogóle. Gdy dwa ciała tworzą złącze, lub ciało o skończoych rozmiarach zajduje się w polu elektryczym, lub w pobliżu graicy ciało-próżia, w graiczych obszarach materiału: Powstaje wewętrze (kotaktowe) pole elektrycze; Następuje redystrybucja ładuku (powstaje ładuek przestrzey); Następuje zakrzywieie pasm eergetyczych. UWAGA: to ie są trzy róże zjawiska, to są trzy aspekty tego samego zjawiska. 9

10 Złącza różych materiałów: uwagi ogóle. Rozmiar obszaru, w którym astępują zmiay jest to tzw. długość ekraowaia Debye a. εε kt L D = 0 2 2e εε kt L D = 0 2 2e 10

11 Złącza różych materiałów: uwagi ogóle. Po zetkięciu ze sobą dwóch materiałów zaczyają płyąć chwilowe prądy. Rówowaga ustala się gdy w całym obszarze potecjał chemiczy jest taki sam. E vacuum E F, e - E F,p Metal - metal Rodzaje złącz Metal półprzewodik (metal tleek półprzewodik) Półprzewodik półprzewodik Półprzewodik A półprzewodik B (heterozłącza) 11

12 Rodzaje złącz Metal - półprzewodik p- Heterozłącze p- MOS Złącze metal półprzewodik () Evacuum E vacuum eφ s eφm J ms eχ s eφ s eφ m J ms eχ s E c E Fm J sm E c E Fm E Fs J sm E i E Fs E i E v E v E Fs <E fm, Φ m <Φ s E fs >E fm, Φ m >Φ s 12

13 Przykład: metal i półprzewodik E 0 Φ M Φ s Metal E FM E C EF Semicoductor E V Przepływ prądu (chwilowego, aż do ustaleia się rówowagi); Przykład: metal i półprzewodik E 0 V E C Metal E FM E F E V Semicoductor Złącze: aładoway kodesator V = ( Φ Φ ) M s 13

14 Akumulacja większościowych ośików ładuku E vacuum E F Złącze metal półprzewodik () -J sm- eφφ m -J ms eχs eφ s E c ev bi E F eφ m eφ 0 -J sm -J ms eχs eφ s E c Ei E vacuum ev bi φ m < φ s E i E v E v φ m > φ s Nie ma bariery Bariera potecjału Napięcie kotaktowe Vbi = φs φm φ = φ χ 0 m s Złącze Schottky ego Zubożeie w większościowe ośiki ładuku Bariery potecjału Φ ms dla złącz metal-si i metal-gaas 14

15 Spolaryzowae złącza metal półprzewodik prostujące i omowe Złącze metal półprzewodik () z Φ M > Φ S Złącze spolaryzowae W zależości od zaku apięcia bariera, którą apotykają elektroy płyące z S do M albo rośie, albo maleje: złącze ą ma działaie prostujące. I ~ V kt ( a / 1 ) I0 exp 15

16 Złącze metal półprzewodik () z Φ M < Φ S E vacuum φ m < φ s E F I -J sm- eφφ m -J ms eχs eφ s E i E c ev bi E v Nie ma bariery dla elektroów z S do M. Nawet małe apięcie V A > 0 powoduje duży prąd. Mała bariera jest dla elektroów płyących z M do S, Nie ma właściwości prostujących: tzw. kotakt omowy. V A Złącze MOS Bardzo często mamy do czyieia ie ze złączem MS tylko MOS: metal - tleek- półprzwodik 16

17 Złącze P/N Co dzieje się po utworzeiu złącza? W złączu są bardzo duże gradiety kocetracji elektroów i dziur: Elektroy płyą z N do P Dziury płyą z P do N W rezultacie: Stroa ładuje się dodatio, p ujemie. Powstaje pole elektrycze P P elektroy dziury E field Obszar zubożoy N N Złącze P/N Co dzieje się po utworzeiu złącza? Pole elektrycze powoduje przepływ prądów uoszeia przeciwych iż prądy dyfuzyje. ROWNOWAGA: wypadkowy prąd ie płyie. E p dyfuzja elektroów uoszeie elektroów ev 0 E c µ F dyfuzja dziur uoszeie dziur x p 0 x E v x 17

18 Złącze P/N E field N P Obszar zubożoy W obszarze złącza powstaje tzw obszar zubożoy: zubożoy w ruchliwe ośiki ładuku; Ładuek w tym obszarze wyika z obecości joów; Pole elektrycze powoduje powstaie wewętrzej ę różicy potecjałów, którą zamy jako kotaktową różicę potecjałów V 0 Złącze P/N : schemat pasmowy. qv b V b = apięcie kotaktowe W r-dze ie płyą prądy, potecjał chemiczy jest wszędzie stały. W obszarze występowaia pola elektryczego, pasma muszą się zagiąć. 18

19 Złącze P/N : obliczeie V E C Electros µ E V E C Holes e φ 0 E V p-type semicoductor -type semicoductor Po stroie (dla x >> 0 ) Po stroie p (dla x << 0) E c µ kt = Nce E cp µ p kt p = Nve Złącze P/N : obliczeie V V zależy od szerokości przerwy eergetyczej i położeia potecjału chemiczego V E g E V E C µ 19

20 Złącze P/N : obliczeie V E g E V E C µ ( µ ) ( µ E )) 1 V = Eg ( E e 1 = ( µ µ p) e C p Vp Złącze P/N : obliczeie V E C Electros µ E V E C Holes e φ 0 E V p-type semicoductor -type semicoductor Zatem 1 kt V = ( µ = µ p) l e e p 20

21 Złącze P/N : szerokość złącza Obszar zubożoy rozciąga się w obu półprzewodikach p E g E V E C Szerokość złącza W W p W Złącze P/N : szerokość złącza Obszar zubożoy rozciąga się w obu półprzewodikach, a całkowity ładuek zawarty po obu stroach jest taki sam: Q = Q p p E g - + E C E V zjoizowae akceptory Q p W p W zjoizowae doory Q 21

22 Złącze P/N : szerokość złącza Q: gestość ładuku przestrzeego p +en D 0 x -en A W p W Złącze P/N : szerokość złącza Powierzchiowa gęstość ładuku : Q = +en D W p: Q p = -en A W p Szerokość złącza w r-dze: W d = 2ε q 0 ε r ( Na + Nd ) N N a d V 0 22

23 Złącze P/N : pole elektrycze Zając rozkład ładuku przestrzeego moża z prawa Gaussa obliczyć atężeie pola elektryczego Q p +en D 0 x -en A pole E W p W Złącze P/N : pole elektrycze Ujeme wartości ozaczają jedyie kieruek E(x) p x E W p W 23

24 Razem: Złącze P/N Techologiczie ajważiejsze j złącza ą są ą złączamią iesymetryczymi. Np. : N A >>N D lub N D >>N A 24

25 p ++ - p Złącze P/N E F W obszar zubożoy ż po stroie W p Spolaryzowae złącze p Przyłożeie zewętrzej różicy potecjału wpłyie a: Kotaktową ą różicę ę potecjału, wysokość bariery ypotecjału między i p; Szerokość warstwy zubożoej; Kocetrację i gradiety kocetracji, pole elektrycze; Nie będzie rówowagi między prądem dyfuzyjym i uoszeia; 25

26 Spolaryzowae złącze p Złącze ą iespolaryzowae Spolaryzowae w kieruku przewodzeia Spolaryzowae w kieruku zaporowym Spolaryzowae złącze: pasma przesuwają się Zero Bias Forward Bias Reverse Bias p p - + p E c qv bi E c ( ) q V bi V F E v E v E v E c ( + V) qv bi r rgy Potetial Eer V bi Vbi V F V bi + V R 26

27 Spolaryzowae złącze p Szerokość złącza w r-dze: W d = 2ε q 0 ε r ( Na + Nd ) N N a d V 0 Szerokość złącza spolaryzowaego apięciem V: W 2ε 0 ε r (N Na + Nd ) V q N N d = 0 a d ( V ) +V = kieruek przewodzeia -V = kieruek zaporowy Spolaryzowae złącze p 27

28 Spolaryzowae złącze: kieruek przewodzeia Napięcie kotaktowe maleje z V 0 do V 0 -V F. Elektroy są wstrzykiwae ze stroy do p i stają ośikami miejszościowymi po stroi p rekombiują z dziurami, zatem ich kocetracja maleje ekspoecjalie z odległością. Aalogiczie wstrzykiwae są dziury do Spolaryzowae złącze: kieruek zaporowy Większa kotaktowa bariera potecjału Elektroy są wyciągae z obszaru p do, a dziury z do p; Miejszy iż w r-dze prąd dyfuzyjy dziur z p do Miejszy iż w r-dze prąd dyfuzyjy elektroów z do p Prądy uoszeia podobe jak w r- dze. 28

29 Spolaryzowae złącze p- D pe j = Lp p + De L p ev (exp 1) k BT Spolaryzowae złącze p j = j S ev (exp 1) k B T 29

30 Spolaryzowae złącze p Polaryzacja w kieruku zaporowym: Zjawisko Zeera: tuelowaie elektroów przez barierę potecjałów (dla apięć poiżej 5 V); Joizacja lawiowa: swobode elektroy zderzając się ze związaymi elektroami joizują je (powyżej 5 V) Dioda tuelowa Dioda tuelowa: dioda silie domieszkowaa w obu częściach ( i p) => częściowo zapełioe pasmo przewodictwa po stroie i częściowo puste pasmo po stroie p; obszar zubożoy jest bardzo wąski. e F 30

31 Dioda tuelowa Dioda tuelowa: działaie Trazystor Elektroy z warstwy rekombiują z dziurami w bazie p (elektroów jest zaczie więcej iż dziur). Powstaje obszar zubożoy w złączu emiter-baza. Prąd między emiterem a kolektorem ie płyie. 31

32 Trazystor Gdy do bazy zostaie przyłożoe apięcie, elektroy zowu mogą dopływać od emitera do bazy, uwaliaa jest część dziur, obszar zubożoy maleje i może płyąć prąd między emiterem a kolektorem. Mała zmiaa prądu bazy powoduje dużą zmiaę prądu emiterkolektor. Kaał typu w materiale p Napięcie bramki (+) przyciąga elektroy. Kaał w materiale p otwiera się Trazystor polowy 32