w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Podstawowe wiadomości o półprzewodnikach
Półprzewodniki to materiały które w temperaturze zera bezwzglę-dnego nie przewodzą prądu
elektrycznego. W 0K można je porównać do dielektryków.
Pod wpływem wzrostu temperatury półprzewodniki stają się coraz bardziej podatne na
przewodzenie prądu.
W temperaturze pokojowej ich konduktywność* zawiera się w granicach 10-7 do
105 S/m.
•
przewodność elektryczna właściwa - to miara podatności materiału na
przepływ prądu elektrycznego
Półprzewodniki typu `n`
Półprzewodniki typu `n` otrzymuje się poprzez dodanie do cztero-wartościowego krzemu lub
germanu pierwiastka z większą ilością elektronów.
Półprzewodniki typu `p`
Półprzewodniki typu `p` otrzymuje się poprzez dodanie do cztero-wartościowego krzemu lub
germanu pierwiastka z mniejszą ilością elektronów.
W półprzewodnikach domieszkowych prąd elektryczny może płynąć w znacznie niższych
temperaturach niż w półprzewodnikach samo-istnych.
Złącze p–n
Złącze p–n jest zbudowane z półprzewodników domieszkowych typu `p` oraz typu `n`
połączonych ze sobą.
Heterozłącze –
złącze wykonane z dwóch różnych półprzewodni-
ków.
Homozłącze –
wykonane z tego samego półprzewodnika odpowie-
dnio
domieszkowanego.
Złącze p–n przewodzi prąd elektryczny tylko w jednym kierunku.
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
Wytwarzanie monokryształów krzemu półprzewodnikowego
Najpopularniejszą metodą wytwarzania krzemu półprzewodnikowego jest metoda
Czochralskiego (rys. 4).
Krzem również często jest pozyskiwany metodą topienia strefowego (rys. 5a i b).
P i e r w i a s t k i i z w i ą z k i p ó ł p r z e w o d n i k o w e
Krzem (Si)
German (Ge)
Arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP)
Antymon cynku (ZnSb)
Węglik krzemu
Inne materiały i związki
Krzem
Krzem jest podstawowym materiałem półprzewodnikowym. Najczęściej dodaje się różnego
rodzaju domieszki do krzemu lub wykorzystuje się go jako materiał hodowlany. Zajmuje
drugie miejsce za tlenem pod względem występowania w Ziemi. Sposób jego pozyskiwania
jest tani w porównaniu do innych półprzewodników.
Krzem stosowany jest w ok. 90% obecnej elektroniki, głównie do budowy pamięci,
tranzystorów (procesorów), ogniw słonecznych. Układy scalone produkowane są na tzw.
płytkach krzemowych.
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
German
German jest równie popularny jak krzem jako materiał półprzewo-dnikowy. Zajmuje 54
miejsce pod względem wagowym w Ziemi. Wytwarzanie jego jest bardziej pracochłonne i
droższe niż wytwo-rzenie krzemu. Jeden atom germanu przypada na ok. 500 tysięcy innych
atomów. Najważniejsze minerały: argirodyt 4Ag2S*GeS2, germanit Cu6FeGeS8 i stottyt
FeGe(OH)6.
German o bardzo wysokiej czystości (99,999%) stosuje się głównie do produkcji diod
półprzewodnikowych, prostowników, tranzystorów, termistorów, w komórkach
fotoelektrycznych.
Arsenek galu i fosforek indu wykorzystuje się do budowy laserów i źródeł światła w
ś
wiatłowodach.
Antymon cynku
Z wykorzystaniem antymonowi cynku buduje się fotorezystory tzw. oporniki fotoelektryczne
które zmieniają swoją rezystancję pod wpływem zmian natężeń światła.
Węglik krzemu (SiC)
Węglik krzemu jest twardym materiałem. Jest świetnym półprzewodnikiem, odpornym na
działanie promieniowania i wysokiej temperatury – nawet do 650
°
C. SiC ma
dwukrotnie większą prędkość unoszenia elektronów od Si. Natężenia pola powodującego
przebicie jest o 8 razy większe niż w krzemie co prognozuje, że elementy zbudowane z SiC
będą miały ok. 400 razy mniejsze rezystancję podczas przewodzenia niż urządzenia z Si. Ze
względu na swoją wytrzymałość temperaturową mógłby być stosowany nawet we wnętrzu
silnika odrzutowego oraz w statkach kosmicznych. Problem stanowi sposób jego
wytwa-rzania. Dotychczas 50% produkcji nie nadawała się do użytku.
Węglik krzemu stosuje się do utwardzania wierteł, pił, ostrzy, stosuje się go również w formie
materiału ściernego. W elektronice jest wykorzystywany w opornikach nieli-niowych –
warystorach oraz w elementach zmienno-oporowych i w odgromnikach
Inne materiały i związki
Należą do nich związki które, stosuje się w budowie elementów półprzewodnikowych
ś
wietlnych (emitujących światło pod wpływem przepływającego prądu – LED ang. light
emiting diode).
Ś
wiatło emitowane przed diody elektroluminescencyjne zależy od składu pierwiastków i
może być od światła ultrafioletowego – emitowanego przez siarczek cynku (o szerokości
pasma zabronionego 3,6 eV) do światła podczerwonego – emitowanego przez antymonek
indu (o paśmie zabronionym 0,18 eV).
Diody LED znalazły szerokie zastosowanie w przeróżnych dziedzinach życia codziennego.
Do ich głównych zalet należą mała wielkość, niskie zużycie energii elektrycznej oraz
możliwy długi czas eksploatacji.
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
Zjawisko Halla – wstęp teoretyczny (rys. w instrukcji)
Zjawisko Halla polega powstaniu siły elektromotorycznej w wyniku odchylania torów
nośników ładunku elektrycznego w polu magnetycznym.
Gdy płytkę półprzewodnika typu n, przewodzącą stały prąd o natężeniu I umieści się w
prostopadłym do niej polu magnetycznym o indukcji B wówczas między zaciskami A i C
pojawi napięcie UH, zwane napięciem Halla.
Na każdy elektron poruszający się z prędkością v, zgodnie z umową, w kierunku przeciwnym
do kierunku przepływu prądu, działa siła od pola magnetycznego, równa
Fm= -e(vxB)
Siła ta powoduje spychanie elektronów swobodnych do prawej krawędzi płytki, która
uzyskuje wtedy potencjał niższy od potencjału krawędzi lewej.
Powstaje w ten sposób w płytce pole Halla EH, skierowane poprzecznie, które na każdy
swobodny elektron wywiera siłę
Fe= -eEH
skierowaną przeciwnie do siły od pola magnetycznego Fm. Ustala się stan równowagi, w
którym siły Fe i Fm równoważą się, na elektrony nie działa wtedy żadna siła -poruszają się
one wzdłuż płytki.
W stanie równowagi
-e(vxB)= -eEH
lub
vBd=UH
Prąd płynący w płytce
I=hdj=hdenv
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego