PÓŁPRZEWODNIKI

ρ_{met <<} ρ_{pp <<} ρ_izol

Przewodniki Półprzewodniki Dielektryki

10^-8 ......10^-7 10^-5...............10⁺¹ 10⁺¹⁴ ........ 10⁺¹⁸ Ω • m

Cu Ge Si Mika Bursztyn

Zjawiska decydujące o zróżnicowaniu rezystywności:

1. W przewodnikach elektrony walencyjne mogą swobodnie poruszać się pomiędzy węzłami sieci krystalicznej ⇒ ρ_met ≈

2. W p.p. oraz izolatorach elektrony walencyjne są związane z atomami

3. Energia aktywacji atomu izolatora >> atomu p.p.

4. Kryterium energetyczne 2 eV

5. Silna zależność ρ_pp i ρ_izol od zanieczyszczeń atomami innych pierwiastków

6. Wpływ temperatury:

ρ_pp szybko maleje przy wzroście temperatury (-5 do -10%/K)

ρ_met rośnie przy wzroście temperatury (+0.3 do +0.6%/K)

7. Mechanizm przewodzenia prądu (przenoszenia ładunku):

metale przewodzą dzięki ruchomym elektronom (nośnikom ładunku ujemnego)

w p.p. przewodzenie odbywa się wskutek przepływu ładunków ujemnych i dodatnich, co potwierdzić można za pomocą doświadczeń opartych o zjawisko Halla.

Przez płytkę półprzewodnika umieszczoną w polu magnetycznym o indukcji B_z pomiędzy elektrodami 1 i 2 płynie prąd I_x.

Na nośnki q tworzące prąd I_x działa siła Lorentza:

Siła ta przemieszcza nośniki i w rezultacie powstaje nadmiar nośników po stronie elektrody 3 lub 4 a niedobór po stronach przeciwnych (4 lub 3)

Taka nierównoga ładunku wywołuje różnicę potencjałów (napięcie Halla) pomiędzy elektrodami 3 i 4.

Zwrot napięcia Halla daje jednoznaczne potwierdzenie znaku nośników ładunku.

Umieszczając w polu magnetycznym p.p. różnych typów (z przewagą nośników ujemnych lub dodatnich) można zaobserwować przeciwne zwroty napięcia Halla, co potwierdza istnienie w p.p. dwóch rodzajów nośników ładunku.

MODEL PASMOWY PÓŁPRZEWODNIKA

Model atomu krzemu wg Bohra

Powłoka M

(4 elektrony)

Powłoka K

Powłoka L (2 elektrony)

(8 elektronów)

Jądro (+14)

W takim modelu dla zrównoważenia sił przyciągania elektrostatycznego elektronom potrzebna jest odpowiednia energia kinetyczna.

Ponieważ średnice orbit są skwantowane to również energie elektronów na tych orbitach są skwantowane. Uwzględniając ponadto zasadę Pauliego* otrzymujemy model energetyczny dla odosobnionego atomu Si

Energia elektronu

Zasadę Pauliego można rozszerzyć na zbiór bliskopołożonych atomów. Np. jeżeli dwa atomy łączą w cząsteczkę to każdy poziom energetyczny ulega rozszczepieniu na dwa nieco odległe.

W rezultacie oddziaływania wielu atomów powstają ciągłe pasma energetyczne odpowiadające poszczególnym powłokom.

Np. dla zbioru atomów krzemu otrzymujemy model pasmowy:

pasmo przewodnictwa

przerwa energetyczna - pasmo zabronione

M pasmo energ. odpow. powłoce M - walencyjne

przerwa energetyczna

L pasmo energ. odpow. powłoce L

przerwa energetyczna

K pasmo energ. odpow. powłoce K

O właściwościach elektrycznych materiału decydują elektrony walencyjne, dlatego wystarczająco dokładny model pasmowy p.p. może zaczynać się od tego pasma:

Energia

Pasmo przewodnictwa

Pasmo zabronione

Pasmo podstawowe - walencyjne

GENERACJA I REKOMBINACJA

W temperaturze 0K wszystkie elektrony w atomach p.p. zajmują najniższe z możliwych poziomy energetyczne → nie ma swobodnych elektronów w pasmie przewodnictwa → p.p. jest dielektrykiem.

Atomy w sieci krystalicznej są rozmieszczone w takich odległościach, że ich powłoki walencyjne zachodzą wzajemnie na siebie. Para elektronów walencyjnych sąsiadujących ze sobą dwu atomów staje się wspólna dla obu tych atomów, atom wewnętrzny uzyskuje trwałą strukturę ośmioelektronową.

 

Do wyrwania elektronu walencyjnego z takiego wiązania (kowalentnego) konieczne jest dostarczenie elektronom dostatecznie dużej energii.

Np. dla krzemu wynosi ona 1.12 eV.

W p.p. czystym chemicznie (samoistnym) po przejściu elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powstaje po nim „dziura” w pasmie walencyjnym:

Energia

elektron

Pasmo przewodnictwa

Pasmo zabronione

Pasmo walencyjne

dziura po elektronie

Generacja pary: elektron-dziura

Z ostatniego rysunku ⇒

1. Generacja pary elektron-dziura może nastąpić gdy dostarczona energia > Ec - Ev

2. W p.p. samoistnym liczba elektronów równa jest liczbie dziur

3. Istnieją dwa rodzaje nośników ładunku:

• elektrony w pasmie przewodnictwa oraz

• dziury w pasmie podstawowym.

Zjawiskiem odwrotnym do generacji jest rekombinacja.

Przyczyną rekombinacji jest utrata energii elektronów np. w wyniku zderzeń z siecią krystaliczną.

Skutkiem rekombinacji jest zanikanie par elektron-dziura i wypromieniowanie pozostałej energii.

Przepływ prądu w p.p. jest wypadkowym efektem generacji i rekombinacji.

W stanie równowagi: szybkość generacji ≡ szybkości rekombinacji.

WPŁYW TEMPERATURY NA WŁAŚCIWOŚCI P.P.

Jeżeli w p.p. samoistnym koncentracja elektronów wynosi n_i a koncentracja dziur p_i to na podstawie definicji p.p. samoistnego słuszny jest zapis: n_i ·p_i= n_i².

Czynnik n_i² jest wykorzystywany do opisu zależności koncetracji nośników od temperatury:

n_i²=A·T³exp[-(ΔE/k·T)]

gdzie: ΔE= Ec - Ev - szerokość pasma zabronionego

k - stała Boltzmanna (1,38·10^-23 J/K)

T - temperatura bezwzględna w K

A - stały współczynnik

Dla T=300K

A_Si=7,96·10²¹ ΔE_Si=1,12 eV n_iSi=?

A_Ge=1,83·10²¹ ΔE_Ge=0,67 eV n_iGe=?

POŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE

Domieszkowanie donorowe: wprowadzanie do p.p. samoistnego, niewielkiej, ściśle określonej ilości pierwiastka V grupy np. arsenu Ar, antymonu Sb, bizmutu Bi.

Model pasmowy półprzewodnika

domieszkowanego donorami

PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE

Jonizacja domieszki: przeniesienie wszystkich piątych elektronów pochodzących z atomów donora do pasma przewodnictwa.

Wpływ temperatury na jonizację atomów domieszek

PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE

Domieszkowanie akceptorowe: wprowdzenie do p.p. samoistnego, niewielkiej, ściśle określonej ilości pierwiastka III grupy np. glinu Al, galu Ga, indu In.

Model pasmowy półprzewodnika

domieszkowanego akceptorami

BEZZŁĄCZOWE ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE

 

Warystory (VARIable resiSTOR) - są to rezystory wykonane z półprzewodnika, których rezystancja zależy od napięcia doprowadzonego do ich zacisków.

Symbol graficzny warystora

Warystory wytwarza się technologią spiekania mieszaniny sproszkowanych materiałów. Przy czym w największych ilościach z węglika krzemu SiC, nowsze zaś typy z tlenku cynku ZnO i bismutu BiO.

 

Zastosowania warystorów:

• w układach ochrony urządzeń elektrycznych przed przepięciem;

• w układach stabilizacji prądów i napięć;

• w kształtowaniu przebiegów elektrycznych prądów i napięć.

Termistory - są to elementy półprzewodnikowe, bezzłączowe, których rezystancja jest funkcją temperatury.

  Symbol graficzny termistora

  Symbol graficzny termistora podgrzewanego pośrednio w bańce wypełnionej gazem

 Ze względu na przebieg charakterystyki rezystancyjno-temperaturowej R=f(T) termistory dzieli się na 3 grupy:

a) NTC - Negative Temperature Coefficent, termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym;

b) PTC - Positive Temperature Coefficent, termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym;

c) CTR - Critical Temperature Resistor, rezystory o temperaturze krytycznej

 

Zastosowania termistorów:

a) do pomiarów: temperatury metodą oporową, mocy w zakresie mikrofal, ciśnienia gazów, poziomu cieczy;

b) w układach sygnalizacji, regulacji i stabilizacji temperatury;

c) do kompensacji temperaturowej układów elektronicznych.

Hallotrony są elementami półprzewodnikowymi wykorzystującymi zjawisko Halla. Nazywane również czujnikami lub generatorami Halla.

Zastosowanie hallotronów:

• do pomiaru natężenia pola magnetycznego;

• w układach współpracujących z magnesami trwałymi do pomiaru, regulacji i stabilizacji pola magnetycznego;

• jako wyłączniki bezkontaktowe.

 

Gaussotrony - są to elementy półprzewodnikowe o rezystancji zależnej od pola magnetycznego (magnetorezystory).

W przebiegu zależności rezystancji gaussotronu od indukcji pola magnetycznego można wyróżnić:

• zakres kwadratowy, w którym zmiany rezystancji są proporcjonalne do kwadratu indukcji;

• zakres liniowy, w którym zmiany rezystancji są proporcjonalne do indukcji.

Właściwości temperaturowe gaussotronów charakteryzuje dopuszczalna temperatura pracy T_max i temperaturowy współczynnik magnetorezystancji.

Temperaturowy współczynnik magnetorezystancji jest nieliniową funkcją temperatury i zależy również od indukcji pola magnetycznego.

PODSTAWY ELEKTRONIKI Jacek Zientkiewicz

__________________________________________

POLITECHNIKA LUBELSKA 1

Symbol graficzny gaussotronu

Symbol graficzny hallotronu

+

E_C

E_V

*W odosobnionym atomie nie ma dwu elektronów o jednakowej energii / czterech liczbach kwantowych.

E_C

E_V

E_M

E_L

E_K

Charakterystyki prądowo-napięciowa i rezystancyjno-napięciowa warystora

ΔE_a = E_c - E_a << ΔE

W p.p. typu „p” koncentracja dziur p_p jest znacznie większa niż koncentracja elektronów n_p

W p.p. tym również zachodzi związek: p_p·n_p = n_i²

Charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe termistorów

ΔE_d = E_c - E_d << ΔE

W p.p. typu „n” koncentracja elektronów n_n jest znacznie większa niż koncentracja dziur p_n

W p.p. domieszkowanym również zachodzi związek: n_n·p_n = n_i²

---