II

4 PASMOWA TEORIA PRZEWODNICTWA

Pasmowa teoria przewodnictwa elektrycznego -W przeciwieństwie do teorii klasycznej punktem wyjścia w tej teorii jest statystyka Fermiego-Diraca i falowa natura elektronów. Najważniejszym pojęciem tej teorii jest pasmo energetyczne - jest to przedział energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Istnienie ciągłego widma energetycznego jest związane z oddziaływaniem na siebie poszczególnych atomów (jest to zbiór bardzo blisko położonych widm liniowych), natomiast występowanie obszarów zabronionych wynika z warunków nakładanych na periodyczność funkcji falowej elektronów.

Energetyczny model pasmowy jest używany w elektronice głównie do wyjaśniania przewodnictwa w ciałach stałych i niektórych ich własności.

W atomie poszczególne elektrony mogą znajdować się w ściśle określonych, dyskretnych stanach energetycznych. Dodatkowo w ciele stałym atomy są ze sobą związane, co daje dalsze ograniczenia na dopuszczalne energie elektronów. Dozwolone poziomy energetyczne odizolowanych atomów na skutek oddziaływania z innymi atomami w sieci krystalicznej zostają przesunięte tworząc tzw. pasma dozwolone, tj. zakresy energii jakie elektrony znajdujące się na poszczególnych orbitach mogą przyjmować; poziomy leżące poza dozwolonymi określane są pasmami zabronionymi.

pasmo walencyjne (pasmo podstawowe) - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu;

pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym.

Dolna granica pasma przewodnictwa jest położona wyżej (wyższa energia) niż górna granica pasma walencyjnego (niższa energia). Przerwa energetyczna pomiędzy tymi pasmami jest nazywana pasmem zabronionym (wzbronionym) lub przerwą zabronioną (energia ta jest oznaczana przez W_g).

Żeby w danym materiale mógł płynąć prąd elektryczny muszą istnieć swobodne nośniki - pojawią się one, gdy elektrony z pasma walencyjnego przejdą do pasma przewodnictwa. Musi więc zostać z zewnątrz dostarczona energia co najmniej tak duża, jak przerwa zabroniona.

W przewodnikach (miedź, aluminium itp.) nie ma pasma zabronionego (przerwy energetycznej). Może to wynikać z dwóch powodów:

Pasmo walencyjne jest tylko częściowo zapełnione elektronami, mogą się one swobodnie poruszać, a więc pasmo walencyjne w przewodnikach pełni analogiczną rolę jak pasmo przewodnictwa w półprzewodnikach i izolatorach.

Pasmo przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie, toteż w tym wspólnym paśmie występuje dużo elektronów swobodnych i możliwy jest przepływ prądu.

Natomiast w materiałach izolacyjnych przerwa energetyczna jest bardzo duża (W_g rzędu 10eV). Dostarczenie tak dużej energii zewnętrznej (napięcia) najczęściej w praktyce oznacza fizyczne zniszczenie izolatora.

Pośrednią grupą są półprzewodniki. Przerwa energetyczna w tych materiałach jest mniejsza niż 2eV (obecnie 2eV to jedynie wartość umowna, znane są półprzewodniki o większej przerwie energetycznej, np. fosforek indu lub węglik krzemu), toteż swobodne elektrony mogą pojawić się przy dostarczeniu względnie niskiego napięcia zewnętrznego lub pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego.

Graficzny opis pasm energetycznych w ciele stałym [edytuj]

Przewodniki [edytuj]

W przewodnikach poziom Fermiego znajduje się w obszarze poziomu przewodnictwa, dzięki czemu elektrony przewodnictwa mogą swobodnie poruszać się w obrębie materiału (ponieważ łatwo mogą przechodzić do wyższego poziomu energetycznego)

Izolatory [edytuj]

Poziom Fermiego w izolatorach znajduje się w okolicy granicy pasma walencyjnego, a pasmo wzbronione jest szerokie. Powoduje to, że elektrony nie mogą łatwo zwiększać swojej energii (ponieważ najpierw muszą przeskoczyć do pasma przewodnictwa).

Półprzewodniki spontaniczne [edytuj]

W półprzewodniku poziom Fermiego położony jest podobnie jak w przypadku izolatorów, jednak przerwa energetyczna (szerokość pasma wzbronionego) jest niewielka (umownie za półprzewodnik przyjmuje się ciało, w którym szerokość pasma wzbronionego jest mniejsza niż 2 eV). W półprzewodnikach spontanicznych część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa dzięki energii termicznej lub np. wzbudzeń fotonowych. Przewodnictwo w półprzewodnikach spontanicznych ma charakter pół na pół elektronowo-dziurowy.

Półprzewodniki typu n [edytuj]

Jeżeli do półprzewodnika (będącego pierwiastkiem grupy 14) wprowadzimy pierwiastek z grupy 15 nadmiarowe elektrony w strukturze krystalicznej utworzą nowy poziom - poziom donorowy, który znajduje się tuż poniżej pasma przewodnictwa. Elektrony z poziomu donorowego niewielkim kosztem energetycznym mogą przenosić się do pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach typu n główny wkład do przewodnictwa pochodzi od elektronów (ale efekty opisane dla spontanicznych też grają role).

Półprzewodniki typu p [edytuj]

Analogicznie do półprzewodników typu n, jeżeli wprowadzimy pierwiastek grupy 13 to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawia się wolny poziom, zwany akceptorowym. Spontaniczne przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie dziur, które są nośnikiem dominującym.

5 ZALEZNOSC PRZEWODNOSCI OD TEMP

Ciała stałe z punktu widzenia zdolności przewodzenia prądu elektrycznego można podzielić na trzy grupy: przewodniki, półprzewodniki i izolatory (dielektryki). Przewodność właściwa tych ciał zmienia się w bardzo szerokim zakresie. Ciała o przewodności właściwej większej od 10 7  -1 m -1 zaliczamy do przewodników, gdy przewodność materiału jest mniejsza od 10 -8  -1 m -1 , to mamy do czynienia z izolatorami, natomiast ciała o przewodności pośredniej zaliczamy do obszernej grupy półprzewodników. Do najważniejszych półprzewodników należą krzem, german i arsenek galu. Prawie dla wszystkich metali i półprzewodników przewodność właściwa, a tym samym opór właściwy, są zależne od temperatury w odróżnieniu od stopów oporowych, np. konstantanu (Cu + Ni), którego opór w zasadzie wykazuje stałość przy zmianach temperatury.

Zrozumienie wielu własności ciał stałych, zwłaszcza własności elektrycznych, oraz

przyjęcie dokładniejszego kryterium podziału ciał na grupy wymaga opisu zachowania się w

nich elektronów. Własności elektronów w ciałach stałych wynikają z ich oddziaływania między sobą i z atomami (jonami) sieci. Każde z tych oddziaływań jest bardzo skomplikowane. Do analizy zachowania się elektronów w sieci stosujemy dwa przybliżenia: przybliżenie elektronów prawie swobodnych i przybliżenie silnie związanych elektronów. W obu przypadkach otrzymujemy pewne zakresy energii dozwolone dla elektronów, które nazywamy pasmami energetycznymi oraz zakresy energii zabronione dla elektronów, nazywane przerwami energetycznymi (pasmami wzbronionymi). Dozwolony poziom energii, zgodnie z zasadą Pauliego, może być obsadzony przez najwyżej dwa elektrony różniące się spinem. Pasmo energetyczne stanowi układ dyskretnych, leżących bardzo blisko siebie podpoziomów energetycznych. Odległości w skali energii między podpoziomami w paśmie są tak małe, że pasma energetyczne można traktować jako ciągłe.

W przewodnictwie ciał stałych najważniejszą rolę odgrywają dwa pasma energetyczne:

pasmo podstawowe (walencyjne), które odpowiada nie wzbudzonym elektronom pochodzącym z zewnętrznych (walencyjnych) powłok atomowych i najbliższe pasmo stanów wzbudzonych 2 tych elektronów, które nazywamy pasmem przewodnictwa. Pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa jest oddzielone pasmem energii wzbronionych (przerwą) o szerokości Wg = Ec - Ev (Rys. 2). Wzajemne ułożenie pasm i ich zapełnienie przez elektrony decyduje o własnościach elektrycznych ciał stałych, a także jest podstawą podziału ciał na metale, półprzewodniki i dielektryki.

Oporność właściwa miedzi w zależności od temperatury

Zależność rezystancji od temperatury (a) oraz zależność lnRT = f(1/T) (b) dla

półprzewodników.

6 Przewodnictwo el. Stopow

Najwieksza konduktywnosc maja metale w stanie chemicznie czystym. Wszelkie domieszki powoduja zaklucenia regularnej budowy siatki krystalicznej metali, co z reguly zwieksza opory uporzadkowanego ruchu elektronow swobodnych.

W wielu przypadkach nawet znikome ilosci domieszek prowadza do znacznego obnizenia konduktywnosci metali.

Domieszka zaledwie 0,1% fosforu zmniejsza konduktywnosc miedzi prawie do polowy. WYKRESY str 90.

Wplyw domieszek w aluminium na jego konduktywnosc jest znacznie mniejszy niż w przypadku miedzi.

Przewodnosc elektryczna stopow, podobnie jak temperaturowy wspolczynnik rezystywnosci, zalezy w decydujacym stopniu od ich charakteru.

W przypadku stopow jednorodnych (tj. tworzacych roztwory stale) konduktywnosc stopu jest znacznie obnizona w stosunku dokonduktywnosci metali skladowych.

W przypadku stopow niejednorodnych (tj. nie rozpuszczajacych się w sobie) konduktywnosc stopu jest proporcjonalna do procentowego udzialu w nim poszczegolnych skladnikow.

7 ZJAWISKO TERMOELEKTRYCZNE

Zjawisko Seebecka - zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach

W przedstawionym obwodzie A i B są różnymi metalami lub półprzewodnikami, T1 i T2 to temperatury w miejscach styku metali. W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne określone wzorem:

Gdzie: S_A i S_B to współczynniki Seebecka charakterystyczne dla wybranych substancji. Powstające napięcie jest rzędu od kilku do kilkudziesięciu mikrowoltów na kelwin (stopień Celsjusza).

Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie, to - na skutek różnicy energii i koncentracji nośników ładunku - zacznie się ich ukierunkowany ruch. Jeżeli końce próbki znajdują się w temperaturze T1<T2, to na końcu próbki o temperaturze T2 będzie występowała większa koncentracja nośników ładunku, będą one również miały większą energię. W efekcie wystąpi ich dyfuzja w kierunku zimniejszego końca (T1). Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do pojawienia się rozkładu potencjału oraz wystąpienia prądu unoszenia. W warunkach równowagi obie składowe prądu są sobie równe i na zewnątrz obserwuje się tylko różnicę potencjałów między punktami o różnej temperaturze.

Jeżeli nośnikami ładunku są elektrony (półprzewodnik typu "n"), to zimniejszy koniec próbki będzie miał w stosunku do cieplejszego potencjał ujemny. Dla półprzewodnika typu "p" - dodatni.

8 Co to jest kriorezystywność ?

Elektrony w metalach należące do pasma przewodnictwa ulegają rozproszeniu na wszelkiego rodzaju zaburzeniach sieci krystalicznej (defekty, zanieczyszczenia atomami innych pierwiastków) oraz w wyniku drgań cieplnych jonów w węzłach kryształu. W procesie rozproszenia przekazują sieci energię nabytą w polu elektrycznym. Oporność elektryczna jest wynikiem zaburzeń w strukturze krystalicznej. Ze spadkiem temp. słabną drgania jonów sieci i rezystywność metalu maleje. Ta cześć, która jest spowodowana defektami struktury lub domieszkami obcych atomów nie zależy od temp. i pozostaje nawet w najniższych temperaturach (jeśli metal nie przechodzi w stan nadprzewodnictwa)- jest to tzw. rezystancja resztkowa metalu ρ_r. Drgania cieple sieci krystalicznej są skwantowane, a kwanty drgań nazywają się fononami. Mówi się więc o rozproszeniu elektronów na fononach, jako przyczynie tej części rezystywności, która zależy od temp. Ta składowa rezystywności,ρ_i wzrasta wraz z temperaturą, gdyż zwiększa się gęstość gazu fononowego i zderzenia elektronów z fononami stają się częstsze. Jeśli oba te efekty uznać za zjawiska niezależne od siebie, to rezystywność metalu można określić jako sumę rezystywności składowych ρ(T)= ρ_r+ρ_i(T). Suma tych rezystywności nie stanowi jednak całkowitej rezystywności materiału przewodowego. W szczególnych warunkach, obok tych dwóch składowych, trzeba uwzględnić dodatkowo zwiększenie rezystywności przez takie czynniki jak magnetorezystywność (zwiększanie rezystancji metalu w polu magnetycznym), efekt wymiarowy (zwiększanie rezystancji przewodu o małych wymiarach porównywalnych ze średnią drogą swobodną elektronów), efekt naskórkowości, prądy wirowe itd. W temp. zbliżonych do pokojowych, rezystywność metali jest proporcjonalna do temp., gdyż wartość składowej ρ_i jest znacznie większa od pozostałych. W miarę obniżania temp., ρ_i (T) maleje i ρ(T) zbliża się asymptotycznie do wartości ρ_r. Składową ρ_r można znacznie zmniejszyć przez podwyższenie czystości metalu lub odpowiednią obróbkę cieplną.

9 NADPRZEWODNICTEO

a BCS.

Nadprzewodnictwem nazywamy zjawisko calkowitego zanikania oporu elektrycznego pewnych materialow przy ochladzaniu ich do temp. Bliskiej zeru bezwzglednemu.Teoria BCS( kwantowa teoria nadprzewodnictwa). Zgodnie z ta teoria podstawowym mechanizmem odpowiedzialnym za nadprzewodnictwo jest tworzenie się zwiazanych ze soba par elektronow zwanych parami Coopera.Pare taka tworza dwa elektrony o antyrownoleglych spinach i przeciwstawnie skierowanych pedach.Wiazania elektronow w parach sa dosyc slabe stad ulegaja one latwo rozerwaniu gdy nadprzewodnik jest podgrzewany-material przechodzi wtedy do stanu normalnego.Przy przeplywie pradu przez nadprzewodnik elektrony zwiazane w pary nie biora udzialu w procesie rozpraszania, czyli ich przeplyw odbywa się bez tarcia.Przy dużych gęstościach prądu wiązania par mogą ulec rozerwaniu-materiał przejdzie do stanu normalnego. Wiązanie się elektronów w pary prowadzi do zmiany rozkładu stanów energetycznych w pobliżu poziomu FERMIEGO i do pojawienia się pasma zabronionych wartości energii, czyli do wytworzenia się przerwy w widmie wzbudzeń elektronowych. Przerwa ta oddziela stan podstawowy od stanów wzbudzonych. W temp. Krytycznej , w której materiał przechodzi do stanu normalnego szerokość przerwy maleje do zera.

Zależność gęstości stanów energetycznych od energii w metalu w stanie normalnym(rys. u góry) w stanie nadprzewodzącym (rys. dolny).

b Charakterystyczne parametry nadprzewodników.

Określa się temperaturę krytyczną i krytyczne pole magnetyczne, które to parametry odpowiadają przejściu fazowemu pomiędzy stanem normalnym a stanem nadprzewodzącym. Oznacza to ,że normalny przewodnik przechodzi do stanu nadprzewodzącego jeśli obniżymy jego temperaturę poniżej temperatury krytycznej, T_c, Wartość temperatury krytycznej zależy od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego ( H_c ) i jest maksymalna w nieobecności pola. Przykładowy diagram fazowy przedstawiony jest na rysunku XI-1a. Widać, że dla temperatur wyższych od temperatury krytycznej nadprzewodnik przechodzi do stanu normalnego. Równie ważny jest fakt , że wzrost zewnętrznego pola magnetycznego także powoduje przejście do stanu normalnego. Wartość krytycznego natężenia pola magnetycznego jest skorelowana z wartością temperatury krytycznej. Im niższe pole magnetyczne tym wyższa temperatura krytyczna i na odwrót im wyższa temperatura krytyczna tym niższe natężanie pola krytycznego. Podobny wykres fazowy otrzymuję się gdy zamiast pola magnetycznego analizujemy prąd płynący w nadprzewodniku. Jeśli prąd wzrośnie powyżej wartości krytycznej , zależnej od temperatury nadprzewodnik przechodzi do stanu normalnego ( patrz diagram XI-b).

Rysunek XI-1 a Zależność natężenia krytycznego pola magnetycznego od temperatury

b zależność prądu krytycznego od temperatury. Na diagramach zakreskowano obszar , który odpowiada stanowi nadprzewodnictwa

9c WLASNOSCI MAGNETYCZNE NADPRZEWODNIKOW

Doskonały diamagnetyzm stanu nadprzewodzącego zastał odkryty przez Meissnera i Oshenfelda. Zjawisko to nosi nazwę efektu Meissnera - Oshenfelda. Zgodnie z definicją namagnesowanie doskonałego diamagnetyku kompensuje całkowicie zewnętrzne pole magnetyczne, jest więc równe

gdzie H jest natężeniem zewnętrznego pola magnetycznego. Odpowiada to zerowej indukcji magnetycznej wewnątrz materiału.

We wzorze powyzej
jest przenikalnością

magnetyczną próżni. Siły działające na diamagnetyk umieszczony w polu magnetycznym , kierują go do obszaru o najniższym natężeniu pola. Efekt ten często wykorzystywany jest w demonstracjach nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego , gdzie pokazuje się jak po oziębieniu nadprzewodnik lewituje w polu magnetycznym. Można zmierzyć namagnesowanie w funkcji indukcji magnetycznej B. Dla materiałów , które są niemagnetyczne w stanie normalnym odpowiednie wykresy przedstawione są na rysunkach z poprzedniego pytania. Materiał niemagnetyczny ( doskonały paramagnetyk ) to taki w którym, w stanie normalnym namagnesowanie jest równe zeru . Rozważmy wykres a. Począwszy od zera aż do wartości krytycznej namagnesowanie rośnie wprost proporcjonalnie do wartości indukcji magnetycznej. Jeśli indukcja wzrośnie powyżej wartości krytycznej materiał ten przechodzi natychmiast ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego. Nie istnieje w tym przypadku stan mieszany. Materiał mający taką cechę nazywamy nadprzewodnikiem I rodzaju .

9d NADPRZEWODNIKI II RODZAJU

Na wykresie b przedstawiony jest wykres zależności namagnesowania od indukcji dla innego typu nadprzewodnika . Widzimy, że namagnesowanie początkowo rośnie tak jak poprzednio aż do wartości B_kr1 , następnie zaczyna maleć i osiąga wartość zerową, co odpowiada przejściu do stanu normalnego, po przekroczeniu przez indukcję wartości B_kr2. W zakresie indukcji pomiędzy B_kr1 i B_kr2 mamy do czynienia ze stanem mieszanym, w którym pewna objętość materiału jest nadprzewodząca a pewna znajduje się już w stanie normalnym. Materiał taki nazywamy nadprzewodnikiem II rodzaju.

III Materialy polprzewodnikowe

1 KONCENTRACJA elektronów swobodnych, rozumiana jako liczba elektronów przypadająca na jednostkę objętości, jest w półprzewodniku tysiące, a nawet miliony razy mniejsza niż w metalu. Tym można m.in. tłumaczyć różnice w wartości konduktywności półprzewodnika i metalu. W półprzewodnikach w miarę wzrostu temperatury (w pewnych przedziałach) ich konduktywność zwiększa się, gdyż zwiększa się koncentracja elektronów swobodnych. W przewodnikach ilość nośników nie zależy w zasadzie od temperatury.

EKSCYTON to kwazicząstka powstała w wyniku korelacji elektronu i dziury będących wynikiem oddziaływania kulombowskiego pomiędzy nimi. W ogólności mianem ekscytonu określa się różne zjawiska, w których dochodzi do powstania takich korelacji w wyniku wzbudzenia elektronu (stąd nazwa). Nazwa ekscyton nie jest ograniczona tylko i wyłącznie do fizyki materii skondensowanej i kryształów, jednak najczęściej w tym kontekście jest używana.

Wyróżnia się 2 podstawowe rodzaje ekscytonów

-ekscyton Wanniera-Motta (zwany też krótko ekscytonem Wanniera) charakteryzuje się dużym promieniem w porównaniu do długości charakterystycznych w układzie (w krysztale będzie to stała sieci)

-ekscyton Frenkla mający promień porównywalny z długościami charakterystycznymi.

Oprócz powyższych warto jeszcze wspomnieć o ekscytonie Mahana (występującym w literaturze fachowej także jako Fermi-edge singularity, X-ray singularity). W tym wypadku mamy do czynienia ze wzbudzeniem elektronu w metalu z głębokich powłok atomowych do pasma przewodnictwa oraz powstania w wyniku dziury o dużo większej masie. Teoretyczne rachunki pokazują, że w takim wypadku mamy do czynienia z rozbieżnością potęgową dla energii odpowiadających wzbudzeniom bliskim powierzchni Fermiego. Efekt ten został przewidziany teoretycznie przez Mahana i potwierdzony doświadczalnie.

PREDKOSC UNOSZENIA to dodatkowa prędkość, nadana ładunkowi przez pole elektryczne E, ponad prędkość wynikającą z równowagi termodynamicznej w określonej temperaturze. Prędkość ta rośnie z natężeniem pola elektrycznego, ale wzrost ten jest hamowany przez zderzenia (z defektami, domieszkami, fononami, innymi nośnikami ładunku itd.), aż do ustalenia się pewnej wyższej wartości, odpowiadającej równowadze dynamicznej (na którą wpływ ma przyłożone pole elektryczne).

MASA EFEKTYWNA odpowiednik masy dla ciał (cząstek) znajdujących się w środowisku materialnym, w którym działają na nie pola sił. Pojęcie masy efektywnej jest wygodne w szczególności do opisu własności dynamiki elektronów i dziur w półprzewodnikach. Stosując masę efektywną w równaniach ruchu, automatycznie uwzględnia się obecność otaczających elektron pól bez potrzeby ich dokładnej analizy. Masa efektywna może być zarówno mniejsza jak i większa od zwykłej masy spoczynkowej tego samego ciała w próżni. W środowisku materialnym (np. krysztale) zmienia się zależność dyspersyjna cząstki ε(k) z parabolicznej dla próżni (dla cząstki nierelatywistycznej) na pochodną:

Formalnie masę efektywną definiuje się przez tensor odwrotności masy efektywnej:

W przypadku ośrodka izotropowego masa efektywna staje się skalarem:

RUCHLIWOSC wielkość wyrażająca związek między prędkością dryfu elektronów, jonów lub innych nośników ładunku, i zewnętrznym polem elektrycznym. Zdefiniowana jest jako prędkość dryfu nadawana przez jednostkowe pole elektryczne:

μ = v_d / E

gdzie μ jest ruchliwością.

Najczęściej wyraża się ją w cm²/Vs.

W przypadku ciał stałych ruchliwość elektronów oraz dziur (ruchliwość nośników ładunku) silnie zależy od domieszkowania oraz od temperatury. Wraz ze wzrostem koncentracji domieszek ruchliwość maleje, podobnie dla wzrostu temperatury w materiałach takich jak german i krzem.

2 PRZEWODNICTWO SAMOISTNE I DOMIESZKOWE

1. Półprzewodniki samoistne są to półprzewodniki chemicznie czyste, w których zachodzą procesy jonizacji i rekombinacji

2. Półprzewodniki domieszkowe (niesamoistne) są wytwarzane na bazie germanu lub krzemu, z odpowiednio dobranymi domieszkami

-typ n- wprowadza się do czystego chemicznie germanu lub krzemu domieszki pierwiastka V grupy o pięciu elektronach walencyjnych (np. arsenu lub antymonu). Atomy domieszki łączą się z regularną siecią krystaliczną pozostawiając jeden niezwiązany elektron. Do jego uwolnienia potrzebna jest znacznie mniejsza ilość energii co odpowiada zwężeniu pasam zabronionego. Przewodnictwo w półprzewodnikach typu n nazywamy elektronowym a domieszki donorami

-typ p- domieszkami są pierwiastki III grupy (B, Al., Ga, In) Większościowym nośnikiem są dziury. Domieszki nazywamy akceptorami a przewodnictwo dziurowym.

WPŁYW DOMIESZEK NA MODEL PASMOWY PÓŁPRZEWODNIKA

Wprowadzenie atomów domieszkowych powoduje powstanie dodatkowych poziomów energetycznych

- typ n- elektron walencyjny atomu domieszkowego ma większą energie niż pozostałe elektrony walencyjne, a jego poziom energetyczny leży w paśmie zabronionym, poniżej dolnej granicy pasma przewodnictwa

-typ p- poziom energetyczny dziur atomów akceptora leży nieco powyżej górnej granicy pasma walencyjnego.

3 WPLYW TEMP NA PRZEWODNICTWO POLPRZEWODNIKOW

Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury.

4

ZJAWISKO HALLA

Jest to zjawisko polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej w wyniku odchylania torów nośników ładunku elektrycznego w polu magnetycznym. Jeżeli płytkę półprzewodnika typu n, przez którą płynie prąd stały umieścimy w prostopadłym do niej polu magnetycznym, wówczas pojawi się na zaciskach płytki napięcie Halla. Na każdy elektron poruszający się z prędkością v, działa siła pola magnetycznego, równa

Fm=-e(v×B). Siła ta powoduje spychanie elektronów do prawej krawędzi płytki, która uzyskuje wtedy potencjał niższy od lewej krawędzi. Powstaje w ten sposób w płytce pole Halla Eh, skierowane poprzecznie

5 WŁAŚCIWOŚCI ZLACZA P-N

Złącze p-n stanowi płytka półprzewodnikowa tak domieszkowana że powstają w niej dwa obszary p i n. W złączu niespolaryzowanym elektrony z obszaru n dyfundują do obszaru p, zaś dziury z p od obszaru n. Dochodzi do rekombinacji ładunków a na styku złącza powstaje warstwa zaporowa-przestrzeń pozbawiona nośników ruchomych. Jeśli złącze p -n spolaryzujemy napięciem zewnętrznym zaporowo(„-”)na anodę wówczas wytworzone pole el. powoduje przemieszczanie się ładunków w kierunku skrajnych elektrod, rozszerza się warstwa zaporowa, złącze w tym stanie wykazuje dużą rezystancje i praktycznie jest zablokowane. Przepływa przez nie tylko niewielki prąd wsteczny, który tworzą nośniki mniejszościowe. Jego wartość zależy wyłącznie od temperatury. Jeżeli do złącza przyłożymy napięcie zewnętrzne polaryzujące ją w kierunku przewodzenia a jego wartość będzie większa od bariery potencjałów, wówczas zostanie zlikwidowana warstwa zaporowa, oporność łącza gwałtownie maleje, i następuje swobodny przepływ nośników większościowych przez złącze. Jest to tzw stan przewodzenia złącza p-n.

6

FOTOPRZEWODNICTWO Gdy energia fotonów promieniowania świetlnego padającego na półprzewodnik jest większa niż szerokość pasma zabronionego następuje przechodzenie elektronów do pasma przewodnictwa i zwiększenie się konduktywności półprzewodnika. Największa dł. fali promieniowania wywołującego efekt fotoprzewodnictwa nazywa się dł. progową fali i jest zależna od szerokości pasma zabronionego półprzewodnika.

LUMINESCENCJA tzw. zimne świecenie, jarzenie - zjawisko emisji fal świetlnych przez ciała, wywołane inną przyczyną niż rozgrzanie ich do odpowiednio wysokiej temperatury.

Ze względu na czynnik wzbudzający do świecenia, rozróżnia się następujące zjawiska:

chemiluminescencja - wytworzona w trakcie niektórych reakcji chemicznych

elektroluminescencja - świecenie pod wpływem stałego lub zmiennego pola elektrycznego

elektronoluminescencja (katodoluminescencja) - świecenie pod wpływem elektronów przyspieszanych napięciem między elektrodami (ten rodzaj wzbudzania ma liczne zastosowania w kineskopach, oscyloskopach, mikroskopach elektronowych itp.)

fotoluminescencja - wywołana uderzaniem przez strumień fotonów, czyli wytworzona poprzez pochłonięcie energii świetlnej i zamianę tej energii na emisję światła własnego danego ciała (a więc nie jest to emisja światła odbitego)

rentgenoluminescencja - wywołana promieniowaniem rentgenowskim

radioluminescencja - świecenie pod wpływem promieniowania alfa α, beta β, gamma γ (istotne znaczenie w badaniach jądrowych)

sonoluminescencja - wywołana ultradźwiękami

termoluminescencja - wywołana podniesieniem temperatury, jednak do niższej wysokości niż początek żarzenia

tryboluminescencja - wywołana czynnikiem mechanicznym, np. tarciem, zginaniem, ściskaniem

Wyróżnia się również bioluminescencję, czyli zjawiska emitowania w ciemności fal świetlnych przez organizmy żywe, które to zjawiska są jednak w rzeczywistości niektórymi z powyżej wymienionych form luminescencji (najczęściej jest to chemiluminescencja).

Ze względu na czas trwania, luminescencję dzieli się na dwa rodzaje:

fluorescencja - zjawisko trwające wyłącznie podczas działania czynnika wzbudzającego

fosforescencja - zjawisko trwające również przez pewien czas po ustąpieniu czynnika wzbudzającego

Substancje zdolne do:

luminescencji nazywamy luminoforami,

fluorescencji - scyntylatorami,

fosforescencji nazywane są niekiedy fosforami.

7a

ELEMENTY SWIATLOCZULE Grupa ta obejmuje takie półprzewodnikowe urządzenia fotoczułe, w których promieniowanie widzialne, podczerwone lub nadfioletowe wywołuje, na zasadzie wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego, zmiany oporności lub wytwarza siłę elektromotoryczną.

- przewodnościowe komórki fotoelektryczne (fotorezystory) Komórki te stosuje się w wykrywaczach ognia, w światłomierzach do automatycznych aparatów fotograficznych, do liczenia poruszających się obiektów, w automatycznych precyzyjnych urządzeniach dozujących, w instalacjach do automatycznego otwierania drzwi itp.

- komórki fotowoltaiczne stosuje się je głównie w urządzeniach sterujących i regulujących do wykrywania impulsów świetlnych, w światłowodowych układach komunikacyjnych itp.

- ogniwa słoneczne zrodla energii

- fotodiody Fotodiody stosuje się w automatycznych urządzeniach do przetwarzania danych (w czytnikach kart i taśm dziurkowanych, pamięciach danych), jako fotokatody w niektórych lampach elektronicznych, w pirometrach radiacyjnych itp.

- sprzęgacze optyczne i fotoprzekaźniki

b

Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu (prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie" nie powoduje uszkodzenia złącza.

W silnie domieszkowanym złączu p-n szerokość obszaru ładunku przestrzennego jest niewielka. Jeśli napięcie polaryzacji wstecznej takiego złącza będzie większe od napięcia Zenera, to górna krawędź pasma walencyjnego obszaru typu P znajdzie się wyżej niż dolna krawędź pasma przewodzenia obszaru typu N. Dlatego jeśli elektron znajdujący się na poziomie walencyjnym w obszarze typu P przejdzie przez obszar ładunku przestrzennego do obszaru typu N, to bez zmiany energii stanie się tam swobodnym nośnikiem - elektronem znajdującym się w paśmie przewodzenia półprzewodnika typu N. Takie przejście nazywane jest przejściem tunelowym.

Ilustracja zjawiska Zenera; U_D - napięcie bariery potencjału, U - napięcie polaryzacji, q - ładunek elementarny

Pojawienie się tych swobodnych nośników w obszarze N powoduje zwiększenie prądu płynącego w obwodzie. Nawet niewielki wzrost napięcia polaryzującego (przekraczającego napięcie Zenera) daje bardzo duży przyrost prądu.

Zjawisko Zenera występuje dla napięć polaryzujących nie większych niż 5-6V.

c

efekt polowy polega na zmianie charakteru przypowierzchniowej warstwy półprzewodnika pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego. Zmiana ta może mieć zarówno charakter ilościowy � polegający na zmianie koncentracji nośników w tzw. kanale przypowierzchniowym, jak i charakter jakościowy (utworzenie się warstwy inwersyjnej). Rys. przedstawia schemat budowy tranzystora polowego z bramka palladową, którego źródło

i dren przykryto ochronną warstwą tlenku.

Schemat czułego na wodór tranzystora MOS. Grubość warstwy ochronnej tlenku
w obszarze bramki wynosi 10 nm, w pozostałym obszarze 200 nm, szerokość kanału 20 mm, długość kanału 100 mm.

d

Warystor to rezystor półprzewodnikowy którego rez. zależy od przyłożonego napięcia. Mimo zmian prądu napięcie nie wzrasta powyżej napięcia charakterystycznego U_h. W układach niskiego napięcia warystory znalazły zastosowanie w układach stabilizacji napięcia, gaszenia iskrzeń na stykach, zabezpieczenia przepięć komutacyjnych. W układach wysokiego napięcia znalazły warystory w zaworach odgromników iskiernikowych

e

Hallotrony zwane również czujnikami Halla są elementami służącymi przede wszystkim do pomiaru indukcji magnetycznej. Działanie ich opiera się na zjawisku Halla. Czujnik H stanowi cienka płytka o grubości ułamka milimetra i wymiarach boków od 1..3 mm. Dzięki temu można go umieszczać i mierzyć indukcję nawet w bardzo wąskich szczelinach obwodów magnetycznych. Przepuszczając prąd I z pomocniczego źródła prądu stałego przez płytkę, mierzy się powstające napięcie Halla U_h a z zależności:

oblicza się indukcje mierzonego pola magnetycznego znając grubość płytki h oraz stałą Halla R_H materiału płytki. Czujników Halla używa się do pomiaru innych wielkości elektrycznych. Wykonuje się je z arsenku galu i antymonku indu.

8a

KRZEM. W skali laboratoryjnej mozna otrzymac krzem z krzemionki redukujac ja magnezem, w skali zas przemyslowej przez prazenie w piecu elektrycznym krzemionki, wegla i zelaza

GERMAN Bardzo czysty german wytwarzany jest metodą topienia strefowego. German ma właściwości fizyczne i chemiczne bardzo podobne do krzemu.

b

TOPIENIE STREFOWE metoda otrzymywania czystych materiałów ze stopów. Stop poddawany topieniu strefowemu odlany jest w kształcie pręta, wzdłuż niego przesuwa się pierścieniowy grzejnik, powodując lokalne topienie stopu, a następnie jego krzepnięcie.
Kryształy wydzielające się w strefie krzepnięcia wykazują wyższą czystość aniżeli wyjściowy stop, tymczasem zanieczyszczenia przesuwają się wraz ze strefą topioną do jednego z końców pręta. Wielokrotne powtarzanie tej operacji, z zachowaniem kierunku przesuwania grzejnika pozwala na uzyskanie materiału o wysokiej czystości.
Topienie strefowe jest stosowane do otrzymywania materiałów półprzewodnikowych

KRYSTALIZACJA KIERUNKOWA

c

MONOKRYSTALIZACJA Monokryształ, materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej.
Procesem, w którym uzyskuje się monokryształ nazywany jest monokrystalizacją.
Znane są następujące metody monokrystalizacji: metoda wyciągania z roztworu (metoda Czochralskiego)

Metoda Czochralskiego - polega na precyzyjnym kontrolowaniu temperatury, a więc szybkości krystalizacji. Krzem po roztopieniu w tyglu ochładzany jest do temperatury krzepnięcia, ale nie w całej jego objętości lecz jedynie w niewielkim obszarze przy powierzchni roztopu. Wewnątrz musi być zachowany odpowiedni gradient (rozkład) temperatury, tak aby proces krystalizacji nie został zakłócony przec przypadkowe ruchy cząstek wywołane różnicą temperatur. Po uzyskaniu odpowiedniego gradientu do powierzchni roztopu przykłada się niewielki zarodek krystalizacji (odrobina monokrystalicznego materiału o zadanej orientacji, czyli sposobie ułożenia atomów i cząstek w przestrzeni). Następnie zarodek zaczyna się obracać wokół własnej osi i wyciągany jest ze stopu w ściśle określonym, stale kontrolowanym tempie, tak aby nie zakłócić procesu krystalizacji ani nie urwać rosnącego kryształu...
Jest to najszybsza z metod hodowli monokryształów i wynosi od 1 do 40 mm/h

d

DOMIESZKOWANIE wprowadzanie obcych jonów/atomów do sieci krystalicznej metalu, półprzewodnika lub materiału ceramicznego tworzących roztwory stałe. Domieszkowanie stosowane jest w celu modyfikacji wybranych właściwości materiału np.: optyczne, elektryczne, magnetyczne czy mechaniczne. Ilość wprowadzanej domieszki nie przekracza zazwyczaj kilku procent atomowych (kilka atomów domieszki na 100 atomów sieci macierzystej).

Wprowadzana domieszka, w zależności od wielkości jonu/atomu, może wbudowywać się:w pozycje węzłowe lub miedzywezlowe atomówW zależności od stosunku ilości elektronów walencyjnych domieszki do ilości elektronów walencyjnych podstawianego jonu/atomu rozróżnia się domieszkowanie:

-donorowe - jony/atomy wprowadzanej domieszki charakteryzują się wyższą wartościowością niż jon/atom podstawiany; w ten sposób w paśmie energii wzbronionej powstaje pasmo donorowe położone poniżej dna pasma przewodnictwa;

-akceptorowe - jony/atomy wprowadzanej domieszki charakteryzują się niższą wartościowością niż jon/atom podstawiany; w ten sposób w paśmie energii wzbronionej powstaje pasmo akceptorowe położone powyżej krawędzi pasma walencyjnego,

-jonami o tej samej wartościowości.

e

KRZEM POLIKRYSTALICZNY popularnie zwany polikrzemem - to duże bloki polikrystalicznego krzemu, stosowanego przy produkcji krzemu monokrystalicznego oraz układów scalonych. Technicznie "polikrzem", to zlepek monokryształów krzemu o rozmiarach od 1 µm do nawet 100 µm, między którymi nie występuje niemal wcale amorficzny krzem. Żywotność polikrzemu sięga 15 lat. Bloki krzemu, w którym występują monokryształy krzemu o rozmiarach rzędu 10 nm - 1 µm, które są poprzedzielane amorficznym krzemem jest nazywany mikrokrystalicznym krzemem, lub czasami nanokrystalicznym krzemem.

---