Elektryczne własności ciał stałych

Transkrypt

1 Elektryczne własności ciał stałych Izolatory (w temperaturze pokojowej) w praktyce - nie przewodzą prądu elektrycznego. Ich oporność jest b. duża. Np. diament ma oporność większą od miedzi 1024 razy Metale i półprzewodniki mają bardziej subtelne różnice między sobą: półprzewodniki mają większą oporność niż metale w półprzewodnikach oporność maleje wraz z temperaturą, w metalach oporność rośnie wraz z temperaturą półprzewodniki mają dużo mniejszą koncentrację nośników ładunku niż metale własność oporność temp. współ. oporności koncentracja nośników jednostka Wm K-1 m-3 Miedź (Cu) metal Krzem (Si) połprzewodnik

2 Poziomy energetyczne w atomach izolowanych Elektron w atomie wodoru przyjmuje tylko dyskretne wartości energii zależne od liczby kwantowej n W atomie wielo-elektronowym z uwagi na sąsiedzką obecność innych elektronów energia elektronu jest kantowana, ale zależy od dwóch liczb kwantowych n i l widzimy to jako efekt rozszczepiania się poziomów energetycznych. Poziomy energetyczne elektronów, gdy zbliżamy dwa atomy do siebie energia Poziomy energetyczne dla elektronów rozszczepiają się Odległość między atomami (sytuacja gdy zbliżamy dwa atomy do siebie ) energia Poziomy energetyczne elektronów w kryształach model pasmowy E4 E3 E2 E1 (sytuacja gdy mamy jeden atom wielo-elektronowy) Liczba linii jest proporcjonalna do liczby atomów zbliżanych do siebie

3 Kryształy Cu i Si Kryształy - ciała stałe, których atomy są uporządkowane w trójwymiarowej strukturę zwaną siecią krystaliczną. Pomiędzy atomami dochodzi do oddziaływań, które tworzą wiązania pomiędzy nimi. Cu Si

4

5 Poziomy energetyczne elektronów w kryształach model pasmowy Odległość między atomami Odległość między atomami pasma wzbronione energia energia energia pasma dozwolone Odległość między atomami obowiązuje zakaz Pauliego dla elektronów, (nie mogą one być w tych samych stanach kwantowych), musi więc dojść do zmian w sposobie rozłożenia energii elektronów okazuje się że poziomy energetyczne ulegają dalszemu rozszczepianiu się poziomów tych energetycznych jest bardzo dużo - odległości między nimi są jednak bardzo małe - tworzą więc one pasma dozwolone dla elektronów. (Ilość poziomów w jednym paśmie jest równa ilości atomów w krysztale) pomiędzy pasmami są jednak wartości energii zabronione dla elektronów w krysztale są tzw. pasma wzbronione energia Jak wyglądają poziomy energetyczne elektronów w krysztale? atomy są blisko siebie, oddziałują na siebie, funkcje falowe elektronów przekładają się wzajemnie pasma wzbronione pasma dozwolone

6

7

8

9 Izolatory Brak przepływu prądu elektrycznego gdy do przewodnika przykładamy napięcie Przerwa energetyczna pomiędzy ostatnimi pasmami jest duża (rzędu 3-5 ev) Istnieje b.małe prawdopodobieństwo, że elektron przeskoczy na wyższy poziom (do pasma przewodnictwa,gdzie mógłby stać się elektronem przewodnictwa w częściowo zapełnionym paśmie) energia Dla izolatora pasma energetyczne elektronów są całkowicie obsadzone (oprócz ostatniego) aby mógł nastąpić przepływ prądu część wolnych elektronów musiałaby zwiększyć swoją energię jest to niemożliwe gdyż wszystkie poziomy obok są zajęte! całkowicie puste pasmo Eg całkowicie zapełnione pasma przez elektrony izolator

10 Przykład: jakie jest prawdopodobieństwo przeskoku termicznego dla elektronu w temperaturze 300K do pasma przewodnictwa w diamencie (przerwa energetyczna 5.5 ev) Rozkład Boltzmana mówi nam, że : Nx E E P= =e N0 x 0 /kt E x E 0 E 5.5V = g= = 213 kt kt 8.62x110 5 ev / K 300K N P = x = e 213 3x10 93 N0

11 Metale Przepływu prądu elektrycznego pojawia się wtedy, gdy do przewodnika przykładamy napięcie. Ruch swobodnych ładunków elektrycznych w przewodniku powoduje przepływ prądu W metalach elektrony nie wypełniają całkowicie ostatniego poziomu istnieje możliwość że elektrony mogą zwiększać swoją energię przechodząc na bliskie wyższe poziomy w paśmie dając w ten sposób przyczynek do przepływu prądu elektrycznego W temp. T = 0 K elektrony obsadzają możliwie najniższe poziomy energetyczne. Wtedy ich max. energia nazywana jest poziomem Fermiego energia Część elektronów jest w stanie poruszać się swobodnie w przewodniku-metalu (są tzw. elektrony przewodnictwa) są to elektrony zwykle z zewnętrznych powłok atomów, dość luźno związane z tymi atomami. częściowo zapełnione pasmo przez elektrony EF metal

12 Metale jak są obsadzane stany energetyczne? Ile jest stanów energetycznych dla poszczególnych przedziałów wartości energii? Jaka jest gęstość stanów energetycznych? D(E) Ilość stanów przypadająca na przedział energii de i na jednostkę objętości 8 2 π m3/ 2 1/ 2 D( E ) = E 3 h Jakie jest prawdopodobieństwo że elektron ma energię E? E To wrażenie otrzymuje się na gruncie fizyki kwantowej (licząc liczbę możliwych fal stojących materii dla elektronów w próbce metalu) Trzeba brać pod uwagę, to że elektrony muszą spełniać zasadę Pauliego nie mogą być jednocześnie w tym samym stanie kwantowym Rozkład elektronów względem wartości energii podlega statystyce Fermiego-Dirac'a: P( E) = 1 e ( E E F )/kt +1

13

14

15 Rozkład Fermiego-Dirac'a Jakie jest prawdopodobieństwo że elektron ma energię E? gdy T =0 P E 1 P( E) = 1 e ( E E F )/kt 0,5 E +1 Energia Fermiego EF jest energią takiego stanu elektronu,którego prawdopodobieństwo obsadzenia jest równe 0.5 EF gdy T >0 1 P E 0,5 E EF

16 Zajętość stanów gdy T =0 Ile stanów o energii E jest zajęte? N zajęte E E N zajęte ( E ) = P ( E ) D( E ) EF gdy T >0 Dla metali energia (poziom) Fermiego przypada w obrębie pasma dozwolonego N zajęte E E EF energia energia EF EF Dla izolatorów energia (poziom) Fermiego przypada w obrębie pasma wzbronionego

17

18 Półprzewodniki samoistne energia swobodne elektrony przeskok dziury półprzewodnik samoistny pasmo przewodnictwa Eg pasmo walencyjne pasmo przewodnictwa energia Półprzewodniki mają podobną budowę pasmową do izolatorów Ale przerwa energetyczna jest dużo mniejsza niż w przypadku izolatorów (dla krzemu Eg = 1.1 ev) Jest o bardziej prawdopodobne, że elektron może przeskoczyć tą barierę w odpowiednio wysokiej temperaturze! pasmo walencyjne całkowicie puste pasmo Eg całkowicie zapełnione pasma przez elektrony półprzewodnik samoistny swobodne elektrony w paśmie przewodnictwa dają wkład do przewodności dziury po elektronach w paśmie walencyjnym też dają wkład do przewodności jako poruszające się ładunki dodatnie!!! Koncentracja tych nośników jest stosunkowo niewielka więc przewodność półprzewodników jest dużo mniejsza niż metali

19

20

21

22 Półprzewodniki domieszkowane Atomy Si tworzą sieć krystaliczną za pomocą wiązań kowalencyjnych (wiazanie Si-Si polega na uwspólnieniu dwóch elektronów). Typ n (negative) Każdy atom Si uwspólnia 4 elektrony do wiązań kowalencyjnych, jego stan walencyjny wynosi +4 Dodatkowy elektron +5 P może oddać 4 elektrony walencyjne aby być w idealnej konfiguracji elektronowej neonu patrz układ okresowy pierwiastków Jeśli jeden atom Si zostanie zastąpiony przez atom P (fosfór), który ma walencyjność +5 wówczas tworząc wiązania z atomami Si pozostanie mu luźny elektron Ten luźny elektron daje wkład do przewodnictwa elektrycznego Mówimy że P jest donorem

23 Półprzewodnik typu n pasmo przewodnictwa elektrony biorące udział w przewodnictwie przeskok energia elektrony od Eg donorów pasmo walencyjne półprzewodnik typu n W odpowiednio wyższej temp. na skutek wzbudzeń termicznych pewna część elektronów przeskoczy z pasma walencyjnego do przewodnictwa nośnikami większościowymi prądu są tutaj elektrony w paśmie przewodnictwa elektrony biorące udział w przewodnictwie przeskok

24 Półprzewodniki domieszkowane Typ p (positive) Jeśli jeden atom Si zostanie zastąpiony przez atom Al (aluminium), który ma walencyjność +3, wówczas tworząc wiązania z atomami Si pozostanie luka- dziura w jednym wiązaniu z Si Tą lukę mogą zapełnić inne elektrony (od krzemu) które nie tworzą wiązań kowalencyjnych +4 Si Dziury można traktować jako ładunki swobodne dodatnie (w przeciwieństwie do elektronów, które mają ładunek ujemny) i to one dają wkład do przewodności tego półprzewodnika +3 Al dziura Atom Al nazywany jest akceptorem

25 Półprzewodnik typu p energia pasmo przewodnictwa Eg dziury od akceptorów przeskok pasmo walencyjne dziury biorące udział w przewodnictwie półprzewodnik typu p W odpowiednio wyższej temp. pewna część elektronów przeskoczy z pasma walencyjnego do przewodnictwa nośnikami większościowymi prądu są tutaj dziury w paśmie walencyjnym przeskok dziury biorące udział w przewodnictwie

26

27 Złącza p-n, zastosowania Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

28 Złącze p-n, polaryzacja złącza, prąd dyfuzyjny (rekombinacyjny) Elektrony z obszaru n na złączu dyfundują do obszaru p i łączą się z atomami domieszki tworząc jon ujemny - rekombinacja Dziury z obszaru p na złączu dyfundują do obszaru n i łączą się z atomami domieszki tworząc jon dodatni - rekombinacja Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym Ustala się pewna równowaga: na skutek polaryzacji złącza więcej elektronów i dziur już nie przechodzi. Prąd dyfuzyjny ustaje. Powstaje warstwa zaporowa, gdyż jest ona uboga w nośniki prądu (jony są uwięzione w sieci krystalicznej) Warstwa zaporowa jak powstaje?

29 Warstwa zaporowa model pasmowy. sytuacja tuż przed złączeniem : EF półprzewodniki mają różne poziomy energetyczne Fermiego EF typ-p EF typ-n EF proces rekombinacji i tworzenia się warstwy zaporowej, równowaga: Następuje przepływ elektronów i dziur na złączu, które rekombinują z jonami domieszek na skutek tego następuje proces takiej modyfikacji poziomów energetycznych, że poziomy Fermiego dla obu półprzewodników wyrównują się.

30 Prądy dryfowe (unoszenia) i prądy dyfuzyjne na złączu p-n In 1 I0 E1 Po stronie obszaru n Cześć nośników -elektrony- dyfunduje do złącza i przechodzą do obszaru p - powstaje prąd Ten prąd jest proporcjonalny do I n1 e E 1 / kt Mniejszościowe nośniki ujemne -elektronyz obszaru p docierają do stoku i dryfują do obszaru n (tworząc prąd unoszenia-dryfu Io) W warunkach równowagi na złączu p-n prąd dryfowy jest kompresowany przez prąd dyfuzyjny. E 1 / kt I 0 = I n 1 N n (obszar p)= N n (obszar n) e

31 Prądy dryfowe (unoszenia) i prądy dyfuzyjne na złączu p-n Po stronie obszaru p DE Cześć nośników -dziury- dyfunduje do złącza i przechodzą do obszaru n - powstaje prąd E 2 / kt I0 Ip 1 E2 I p 1 e Ten prąd jest proporcjonalny do Mniejszościowe nośniki dodatnie -dziuryz obszaru n docierają do stoku i dryfują do obszaru p (tworząc prąd unoszenia-dryfu Io) W warunkach równowagi na złączu p-n prąd dryfowy jest kompresowany przez prąd dyfuzyjny. I 0 = I p 1 N p (obszar n)= N p (obszar p)e N p (obszar n) E /kt =e N p (obszar p) 2 E 2 /kt

32 Polaryzacja złącza p-n Polaryzacja przewodzenia kierunku Polaryzacja zaporowym Wzrost prądu dyfuzyjnego ponieważ maleje bariera potencjału na złączu Spadek prądu dyfuzyjnego ponieważ rośnie bariera potencjału na złączu w Warstwa zaporowa maleje Prąd dryfowy pozostaje mały w kierunku Rozrost warstwy zaporowej Prąd dryfowy pozostaje mały

33 Polaryzacja złącza p-n w kierunku przewodzenia Bez polaryzacji Polaryzacja przewodzenia w kierunku Elektrony są pompowane w złącze

34 Polaryzacja złącza p-n w kierunku zaporowym Bez polaryzacji Polaryzacja zaporowym w kierunku Ładunki coraz bardziej blokowane Istnieje tylko prąd dryfu, b. mały

35 Charakterystyka złącza p-n Polaryzacja w kierunku przewodzenia Polaryzacja w kierunku zaporowym I 1 N p (obszar p)e qv / kt I1 = I 0e I = I 1 I 0 I = I 0 (e qv / kt 1) Prąd wypadkowy : (E 2 qv )/ kt

36 Złącze p-n jako prostownik

37 Dioda LED

38 Dioda LED pompowanie el. do złącza Złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia, Zmniejsza się bariera potencjału dla nośników większościowych wzrasta prąd dyfuzyjny Wpompowane elektrony rekombinują, wysyłając światło

39 Fotodioda zasada działania Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym, Oświetlenie złącza prowadzi do znacznego wzrostu prądu dryfowego (unoszenia)

40 Efekt fotowoltaiczny

41 Dioda laserowa "double heterostructure laser"

42 Tranzystor Opis działania: first transistor, discovered by Bardeen, Brattain and Shockley at Bell Labs trój-kontaktowe złącze półprzewodnikowe, które może być użyte do sterowania sygnałem elektrycznym, posiadające zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego mały prąd steruje dużym prądem Składa się z elementów : emiter, baza,kolektor duży prąd płynie pomiędzy emiterem a kolektorem baza kontroluje duży prąd - tzn. Małe zmiany prądu bazy wywołują duże zmiany prądu emiter -kolektor współczesne tranzystory na płytce scalonej

43 Tranzystor przykład MOSFET (n-p-n) kolektor bramka Przepływ elektronów od emitera do kolektora kontrolowany jest przez napięcie (pole elektryczne) bramki. W wielu przypadkach tranzystor operuje tylko w dwóch stanach (ON i OFF). Półprzewodnik p jest tylko lekko domieszkowany Półprzewodnik n jest mocno domieszkowany Pomiędzy wyspami typu n tworzony jest kanał przez który płynie prąd IDS emiter

44 Tranzystor przykład MOSFET (n-p-n) kolektor bramka Bramka wytwarza pole, które kontroluje przepływ prądu IDS Brak napięcia VGS płynie prąd IDS Ujemne napięcie VGS (w stosunku do emitera-źródła) powoduje wpychanie elektronów do obszaru p (substrate) poszerza się warstwa zaporowa na złączu np, powiększa się opór kanału blokując przepływ elektronów. Przy odpowiednim progowym napięciu prąd IDS może być zablokowany Prąd nie płynie przez obszar p (substrate) ponieważ jest tylko lekko domieszkowany (nie jest dobrym przewodnikiem), poza tym na złączu p-n tworzy się warstwa zaporowa, która uniemożliwia przepływ prądu emiter