19. 11. 2012
Základné vlastnosti
polovodičových materiálov
Ing. Jozef Klus
2012
Obsah tematického celku
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
(c) swk 2012
Polovodičové materiály, vlastnosti
Vlastná vodivosť polovodičov
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
Vytvorenie priechodu PN
Priechod PN s vonkajším napätím – priepustný a
záverný smer
Volt-ampérová charakteristika priechodu PN
Druhy priechodov PN
Opakovanie
Test
Prílohy
1
19. 11. 2012
Ako je to u polovodičov? Vedú alebo nevedú elektrický prúd?
POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY,
VLASTNOSTI
Polovodičové materiály, vlastnosti
Rozdelenie látok z hľadiska vedenia el. prúdu (I)
• vodiče – I vedú dobre
• izolanty – I nevedú
• polovodiče – vedú I za určitých podmienok (pôsobením
tepla, svetla alebo el. poľa, riadeným pridaním prímesí)
(c) swk 2012
2
19. 11. 2012
Polovodičové materiály, vlastnosti
• Merný odpor polovodičov sa môže pohybovať
v širokom rozsahu (od hodnôt platných pre
vodiče až po hodnoty izolantov)
• Polovodičové materiály – kremík (Si),
germánium (Ge), gáliumarzenid (GaAs) a
množstvo ďalších materiálov
Veľkosť merného elektrického odporu:
1. vodiče
kovy (r=10-6 W.m)
elektrolyty (r=10-2 W.m)
10-2W.m
2. izolanty
bakelit, sklo
(r=109 W.m)
109W.m
3. polovodiče (r=10-2 W.m až 109 W.m)
Si, Ge, C, Se, Te, PbS, hemoglobín, chlorofyl
(c) swk 2012
3
19. 11. 2012
Závislosť merného elektrického odporu od teploty
ρ
Ω.m
kov
t
C
o
V kovoch so zvyšujúcou sa teplotou kmitajúce častice
mriežky viac prekážajú pohybu elektrónov.
Závislosť merného elektrického odporu od teploty
ρ
Ω.m
polovodič
kov
t
C
o
V polovodičoch sa so zvyšujúcou teplotou zväčšuje
hustota voľných elektrónov.
(c) swk 2012
4
19. 11. 2012
Vnútorná štruktúra atómu
• Atóm je zložený z jadra a elektrónového obalu
• Jadro je zložené z protónov a neutrónov
– protón je kladne nabitá častica a preto je jadro
kladné
• Elektrónový obal je zložené zo záporne
nabitých elektrónov
– ich počet je rovnaký ako je počet protónov v jadre
atómu a preto sa atóm javí ako elektricky
neutrálny
– elektróny sa pohybujú okolo jadra po určitých
dráhach
Vnútorná štruktúra atómu
Valenčné
elektróny
Dráhy vnútorných
elektrónov
(c) swk 2012
5
19. 11. 2012
Vnútorná štruktúra atómu
• Vnútorné elektróny majú pevnú väzbu na
jadro – nemôžu jadro opustiť
• Valenčné elektróny môžu opustiť svoje jadrá a
svojim usmerneným pohybom vyvolať
elektrický prúd
• Valenčné elektróny umožňujú väzbu medzi
atómami
– v pevných látkach sa atómy usporiadajú do
kryštalickej štruktúry
Vnútorná štruktúra atómu
(c) swk 2012
Vodiče
• kovy, obsahujú veľké množstvo
voľných elektrónov uvoľnených z
valenčných sfér elektrónových obalov
Izolanty
• neobsahujú takmer žiadne voľné
elektróny takmer všetky elektróny sú
viazané k jadru
6
19. 11. 2012
Vnútorná štruktúra atómu
Kovalentná väzba medzi atómami kremíku
Aký je mechanizmus vzniku vodivosti v polovodičoch?
VLASTNÁ VODIVOSŤ POLOVODIČOV
(c) swk 2012
7
19. 11. 2012
Vlastná vodivosť polovodičov
• Viazané valenčné el. polovodičov nemôžu v
bežných podmienkach spôsobiť vznik el.
prúdu
• Ak pôsobí na polovodič zvonka teplo, svetlo
alebo el. pole, môžu sa niektoré viazané
elektróny uvoľniť a stanú sa voľné
– elektrón musí byť vytrhnutý z atómovej väzby
násilne – dodaním energie zvonka
• Uvoľnený elektrón spôsobuje tzv. vlastnú
vodivosť polovodiča
– táto vodivosť je malá, ale silne závislá na teplote (u
Vlastná vodivosť polovodičov
Valenčné
elektróny
Vytrhnutý
elektrón
Diera
Jadro
(c) swk 2012
8
19. 11. 2012
Vlastná vodivosť polovodičov
• Po vytrhnutí elektrónu vzniká prázdne miesto
(medzera), odborne sa to nazýva diera
– diery majú kladný náboj – je to vlastne náboj
protónu v jadre atómu, ktorému chýba 1 elektrón
– do vzniknutej diery môže spadnúť ďalší elektrón
susedného atómu, ktorý spôsobí vznik ďalšej diery
(ale zánik pôvodnej)
• Diery sú nehmotné, ale môžu sa pohybovať –
spôsobujú dierovú vodivosť
• Spadnutie elektrónu do diery sa volá
Atóm kremíka
28
14
Si
Atóm germánia
64
32
Ge
Atómy Si a Ge majú na valenčnej vrstve 4 elektróny.
+
+
Atómy sa snažia zoskupovať do kryštálovej mriežky tak, aby na
valenčnej vrstve mali 8 elektrónov.
(c) swk 2012
9
19. 11. 2012
Kryštálová mriežka kremíka
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Každý atóm je viazaný so 4 susednými atómami pomocou
4 vlastných valenčných elektrónov a 4 valenčných elektrónov,
z ktorých každý patrí jednému susednému atómu.
Kryštálová mriežka kremíka
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Všetky valenčné elektróny sa podieľajú na väzbe, v kryštálovej
mriežke nie sú voľné elektróny - kremík je izolant.
Platí pri nízkych teplotách a u chemicky čistého kremíka.
(c) swk 2012
10
19. 11. 2012
Kryštálová mriežka kremíka pri vyšších teplotách
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Kmity atómov vyvolajú porušenie väzieb, niektoré valenčné
elektróny sa uvoľnia - sú voľné elektróny.
Uvoľnením elektrónov z väzby sa z kremíka stáva vodič.
Kryštálová mriežka kremíka pri vyšších teplotách
Si
+
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Uvoľnením elektrónov z väzby vznikne v mriežke prázdne
miesto - diera. Diera je miesto s kladným nábojom, ktorý získa z
prebytku kladných nábojov atómového jadra.
(c) swk 2012
11
19. 11. 2012
Kryštálová mriežka kremíka pri vyšších teplotách
Si
+
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Vznik (generácia) párov voľný elektrón - diera.
Kryštálová mriežka kremíka pri vyšších teplotách
Si
+
Si
+
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Pri “stretnutí” voľného elektrónu s dierou obsadí voľný
elektrón prázdne miesto v chemickej väzbe.
Zánik (rekombinácia) párov voľný elektrón - diera.
(c) swk 2012
12
19. 11. 2012
Zdanlivý pohyb dier po kryštáli polovodiča
Si
+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
+
Si
Si
+
Si
Si
+
Niektorý z valenčných elektrónov neporušených susedných
väzieb preskočí na miesto porušenej väzby.
Súčasne sa objaví diera na inom mieste.
Počet voľných elektrónov u polovodičov môžeme
zvyšovať zahrievaním.
Hustota voľných elektrónov a dier v čistom kremíku pri
bežnej teplote
ρd = ρe= 6,8.1016 m-3.
Ak pripojíme ku kryštálu kremíka jednosmerné napätie,
začne obvodom prechádzať prúd.
Takáto vodivosť čistých polovodičov sa nazýva
vlastná vodivosť polovodičov.
Látky s takouto vodivosťou sú vlastné polovodiče.
(c) swk 2012
13
19. 11. 2012
Vlastná vodivosť polovodičov
Vznik párov nosičov náboja elektón-diera
Vlastná vodivosť - animácia
(c) swk 2012
14
19. 11. 2012
Ako sa môžu meniť elektrické vlastnosti polovodiča?
VZNIK NEVLASTNEJ VODIVOSTI
TYPU P A N
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
• Pre technické využitie polovodičov je dôležité,
že elektrické vlastnosti polovodičov výrazne
závisia od prímesí.
• Znečistenie kremíka tak, že na sto miliónov
jeho atómov pripadá jeden atóm prímesí,
výrazne ovplyvní jeho elektrické vlastnosti.
(c) swk 2012
15
19. 11. 2012
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
• Elektrickú vodivosť polovodičov, ktorá je
spôsobená prítomnosťou cudzích, nie
vlastných atómov, sa nazýva nevlastná
vodivosť.
• Polovodiče s týmto mechanizmom elektrickej
vodivosti sa volajú nevlastné (prímesové)
polovodiče.
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
• Polovodič typu N
• Ak vložíme do kryštálu germánia (Ge) atóm
arzénu (As), ktorý má 5 valenčných elektrónov,
vznikne po vytvorení atómovej väzby v
kryštálovej mriežke jeden voľný elektrón
– Ge ma 4 valenčné el.
– As má 5 valenčných el. – je darcom elektrónu, volá
sa donor
– jeden elektrón As sa nemá s kým zlúčiť – je
nadbytočný a preto sa stáva voľným
• Nosičmi náboja v polovodiči typu N sú voľné
(c) swk 2012
16
19. 11. 2012
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
Voľný
elektrón
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
• Polovodič typu P
• Ak vložíme do kryštálu Ge atóm india (In),
ktorý má 3 valenčné el., bude po vytvorení
atómových väzieb v kryštálovej mriežke chýbať
jeden elektrón, takže vznikne jedna diera
– Ge ma 4 valenčné el.
– In má 3 valenčných el. – je príjemcom elektrónu,
volá sa akceptor
– jeden atóm Ge sa nemôže zlúčiť so štvrtým
elektrónom In, preto vznikne vlastne jedna kladná
diera
(c) swk 2012
17
19. 11. 2012
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
Chýbajúci
elektrón
= diera
Vznik nevlastnej vodivosti typu P a N
• Prvky ktoré spôsobujú svojou prítomnosťou v
monokryštáli germánia alebo kremíka vznik
voľných elektrónov alebo dier sa nazývajú
prímesi
– monokryštál - kryštál veľmi vysokej čistoty
• Donory – dodávajú polovodiču voľné
elektróny
• Akceptory – spôsobujú nedostatok elektrónov
– vznikajú kladné diery
• Polovodič typu N - polovodič s vodivosť typu
N – má nadbytok záporných elektrónov
(c) swk 2012
18
19. 11. 2012
Polovodič typu N - animácia
Polovodič typu P - animácia
(c) swk 2012
19
19. 11. 2012
Aký to má praktický význam?
VYTVORENIE PRIECHODU PN
Vytvorenie priechodu PN
• Medzi najdôležitejšie javy v polovodičoch,
ktoré sa v praxi veľa využívajú, patria javy
prebiehajúce na rozhraní dvoch polovodičov
s rozličným typom vodivosti.
(c) swk 2012
20
19. 11. 2012
Vytvorenie priechodu PN
• Ak spojíme polovodič typu P s polovodičom
typu N, nastane v mieste ich styku:
– difúzia obidvoch druhov častíc (elektróny a diery)
– po chvíli difúzny prúd skončí
– rekombinácia nosičov náboja sa zastaví
– vznikne tu úzke neutrálne pásmo (vyprázdnená
oblasť)
• Spojenie medzi oboma typmi polovodičov sa
nazýva
Vytvorenie priechodu PN
PN priechod
diera
voľný elektrón
Vznik PN priechodu
(c) swk 2012
21
19. 11. 2012
Priechod PN
polovodič typu P
polovodič typu N
priechod PN
Rozhranie dvoch polovodičov s rozličným typom vodivosti - priechod PN.
Priechod PN
polovodič typu P
majoritné diery
polovodič typu N
majoritné elektróny
V oboch častiach polovodičov je veľmi rozmanitá hustota
voľných elektrónov a dier, vzniká difúzia voľných elektrónov z časti N do časti P a naopak, dier z časti P do časti N.
(c) swk 2012
22
19. 11. 2012
Priechod PN
polovodič typu P
polovodič typu N
-
+
-
+
-
+
-
+
V časti P voľné elektróny rekombinujú s dierami, v blízkosti rozhrania sa vytvoria záporné ióny akceptorov.
V časti N v blízkosti rozhrania zostanú nevykompenzované kladné ióny donorov.
Priechod PN
polovodič typu P
polovodič typu N
+
+
+
+
+
+
V blízkosti rozhrania sa utvára priechod PN ako elektrická
dvojvrstva s iónmi opačnej polarity.
Vzniknuté elektrické pole zabraňuje ďalšej difúzii majoritných voľných častíc s nábojom.
(c) swk 2012
23
19. 11. 2012
Priechod PN
polovodič typu P
polovodič typu N
+
+
+
+
+
+
EPN
Rovnovážny stav nastane pri EPN = 105 V.m-1.
Oblasť priechodu PN je takmer bez voľných nabitých
častíc - má veľký elektrický odpor.
Vytvorenie priechodu PN
(c) swk 2012
24
19. 11. 2012
Vytvorenie priechodu PN
Rozdelenie polovodičových prvkov podľa
počtu PN priechodov
• bez – termistory, fotorezistory, varistory
• 1 – diódy
• 2 – tranzistory
• 3 – tyristory
• 4 – triaky
• 5 – integrované obvody
Ako sa správa PN priechod ak je pripojený na zdroj elektrického napätia?
PRIECHOD PN
S VONKAJŠÍM NAPÄTÍM
(c) swk 2012
25
19. 11. 2012
Priechod PN - priepustný smer
• Ako sa budú správať elektróny a diery po
pripojení PN priechodu na zdroj el. napätia
podľa obrázka?
– Kladné napätie zdroja odpudzuje kladné diery
smerom k oblasti N
– Záporné napätie odpudzuje elektróny do oblasti P
– PN priechod je zaplavený voľnými
nosičmi náboja a preto sa jeho
odpor značne zníži
– PN priechod je polarizovaný
Priechod PN zapojený v priepustnom smere
EPN
polovodič typu P
polovodič typu N
+
+
+
+
+
+
+
EZN
+
-
-
0
Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu P a zápornú
svorku k polovodiču typu N, elektrické pole priechodu PN je
zoslabené elektrickým poľom zdroja napätia.
(c) swk 2012
26
19. 11. 2012
Priechod PN - priepustný smer
• Elektrické pole priechodu PN je zoslabené
elektrickým poľom zdroja napätia
• Voľné elektróny a diery prechádzajú do oblasti
priechodu, to sa prejavuje ako zmenšenie odporu
PN priechodu
• Elektrickým obvodom prechádza elektrický prúd
• Priechod PN je zapojený priepustnom smere a
Priechod PN - záverný smer
• Ako sa budú správať elektróny a diery ak
zmeníme polaritu zdroja na ktorý je pripojený
PN priechodu?
– Napätie zdroja priťahuje voľné nosiče náboja
(kladný pól elektróny v oblasti N a záporný pól
diery v oblasti P), čím dochádza k odďaľovaniu
týchto nábojov od PN priechodu
– Prúd PN priechodom takmer neprechádza
– PN priechod je polarizovaný v závernom
(nepriepustnom, nevodivom) smere
(c) swk 2012
27
19. 11. 2012
Priechod PN zapojený v závernom smere
EPN
polovodič typu P
polovodič typu N
+
+
+
+
+
+
-
EZN
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu N a zápornú
svorku k polovodiču typu P, oblasť priechodu PN sa ešte rozšíri,
elektrický odpor priechodu PN sa zväčší.
Priechod PN - záverný smer
• Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k
polovodiču typu N a zápornú svorku k
polovodiču typu P potom sa zväčší intenzita
elektrického poľa priechodu PN, oblasť
priechodu PN sa rozšíri.
• Elektrický odpor priechodu PN sa podstatne
zväčší, obvodom prechádza veľmi malý prúd
tvorený iba menšinový mi voľnými časticami.
(c) swk 2012
28
19. 11. 2012
VOLTAMPÉROVÁ
CHARAKTERISTIKA PRIECHODU
PN
Ako sa to dá v praxi využiť?
Voltampérová charakteristika PN
• Jav závislosti elektrického odporu polovodiča
s priechodom PN od polarity vonkajšieho
zdroja napätia pripojeného k polovodiču sa
nazýva diódový jav.
• Polovodič s jedným priechodom PN
nazývame polovodičová dióda.
V. B. Shockley - americký fyzik
utvoril teóriu priechodu PN
(c) swk 2012
29
19. 11. 2012
Voltampérová charakteristika PN
• Dióda elektrický prúd v jednom smere
prepúšťa a v druhom neprepúšťa !
• Využíva sa na usmerňovanie striedavého
priepustný smer
prúdu na jednosmerný prúd
– nazýva sa tiež elektrický ventil
– schematická značka je na obrázku
– polovodič typu P tvorí anódu A
– polovodič typu N tvorí katódu K
záverný smer
Voltampérová charakteristika PN
• VA charakteristika diódy je závislosť prúdu,
ktorý preteká diódou, od priloženého napätia
• Meria sa v priepustnom a v závernom smere
(otočením polarity napájacieho zdroja)
(c) swk 2012
30
19. 11. 2012
Graf závislosti elektrického prúdu od napätia na dióde
I
mA
Idmax
3
Udmax
150
100
priepustný smer
2
50
1
10
1
U
V
2
20
záverný smer
30
µA
Voltampérová charakteristika polovodičovej diódy
Schematická značka polovodičovej diódy
A
K
+
-
priepustný smer
A
K
-
+
záverný smer
A - anóda
K - katóda
(c) swk 2012
31
19. 11. 2012
A kam sa to vo vývoji dostalo?
DRUHY PRIECHODOV PN
Druhy priechodov PN
• Podľa materiálu
– germániové
– kremíkové
• Podľa konštrukcie
– hrotové
– plošné
(c) swk 2012
32
19. 11. 2012
Druhy priechodov PN
• Podľa použitia
– usmerňovacie
– stabilizačné
– kapacitné (varikap)
– fotodiódy
– LED
– spínacie
– laserové
A teraz sa pozrieme čo z toho viete?
TEST
(c) swk 2012
33
19. 11. 2012
Test
V polovodičoch sa so zvyšujúcou teplotou:
a) zväčšuje hustota voľných elektrónov,
b) zmenšuje hustota voľných elektrónov,
c) nemení hustota voľných elektrónov,
d) nemení ich merný elektrický odpor.
1
Test
Pod pojmom generácia rozumieme:
a) vznik voľných dier,
b) vznik voľných elektrónov,
c) vznik párov voľný elektrón - diera,
d) zánik párov voľný elektrón - diera.
2
(c) swk 2012
34
19. 11. 2012
Test
Pod pojmom rekombinácia rozumieme:
a) zánik voľných dier,
b) zánik voľných elektrónov,
c) zánik párov voľný elektrón - diera,
d) vznik párov voľný elektrón - diera.
3
Test
Prímesové atómy, ktoré z polovodičovej látky tvoria
polovodič typu N, sa nazývajú:
a) donory - poskytujú kryštálu voľné elektróny,
b) akceptory - poskytujú kryštálu voľné elektróny,
c) donory - poskytujú kryštálu voľné diery,
d) akceptory - poskytujú kryštálu voľné diery.
4
(c) swk 2012
35
19. 11. 2012
Test
Prímesové atómy, ktoré z polovodičovej látky tvoria
polovodič typu P, sa nazývajú:
a) donory - poskytujú kryštálu voľné elektróny,
b) akceptory - poskytujú kryštálu voľné elektróny,
c) donory - poskytujú kryštálu voľné diery,
d) akceptory - poskytujú kryštálu voľné diery.
5
Test
V blízkosti rozhrania polovodičov s opačným typom
vodivosti sa utvára priechod PN:
a) ako elektrická dvojvrstva s iónmi opačnej polarity,
b) ako elektrická dvojvrstva s iónmi rovnakej polarity,
c) ako elektrická vrstva s kladnými iónmi,
d) ako elektrická vrstva so zápornými iónmi.
6
(c) swk 2012
36
19. 11. 2012
Test
Diódový jav sa nazýva:
a) jav závislosti elektrického odporu polovodiča s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodiču,
b) jav závislosti elektrického prúdu v polovodiči s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodiču,
c) jav závislosti elektrického napätia polovodiča s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodiču.
7
Test
Vyberte správne tvrdenie:
a) Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu N
a zápornú svorku k polovodiču typu P, potom sa zväčší
intenzita elektrického poľa priechodu PN.
b) Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu N
a zápornú svorku k polovodiču typu P, potom sa zmenší
intenzita elektrického poľa priechodu PN.
c) Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu P
a zápornú svorku k polovodiču typu N, potom sa zväčší
intenzita elektrického poľa priechodu PN.
8
(c) swk 2012
37
19. 11. 2012
PRÍLOHY
Mendelejevova periodická
sústava prvkov
(c) swk 2012
38
Download

Základné vlastnosti polovodičových materiálov.pdf