Półprzewodniki są to substancje zachowujące się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli przedmiot nie przewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w pewnym zakresie półprzewodnik staje się przewodnikiem, czyli posiada małą oporność i wolne elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego. Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury. Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu które w czystej postaci nie przewodzą prądu. Wszystkie półmetale są półprzewodnikami. Mechanizm przepływu prądu przez półprzewodnik zostanie przedstawiony na przykładzie kryształu germanu. Jest to pierwiastek czterowartościowy, jego atomy zawierają na swoich zewnętrznych orbitach po cztery elektrony. W krysztale germanu każdy atom jest związany w przestrzennej siatce krystalicznej z czterema jednakowo oddalonymi atomami. Takie wiązanie nazywa się wiązaniem kowalencyjnym, a elektrony- elektronami walencyjnymi. W krysztale czystego germanu, w temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego wszystkie elektrony walencyjne biorą udział w wiązaniach międzyatomowych. Oznacza to, że w krysztale tym nie ma elektronów swobodnych i umieszczenie go w polu elektrycznym nie spowoduje przepływu prądu. Wraz ze wzrostem temperatury kryształu energia cieplna jest magazynowana przede wszystkim w postaci energii drgań atomów. Część elektronów walencyjnych otrzymuje energię dostateczną do przezwyciężenia sił powiązań z atomami. W rezultacie pojawiają się elektrony swobodne, a w miejscach zwolnionych przez elektrony- tzw. dziury. Elektrony swobodne są ładunkami ujemnymi, a dziury zachowują się jak ładunki dodatnie. W krysztale czystego pierwiastka liczba elektronów swobodnych jest zawsze równa liczbie dziur. Z chwilą umieszczenia rozpatrywanego kryształu w polu elektrycznym następuje uporządkowany ruch elektronów i pozorny ruch dziur, przy czym kierunek ruchu dziur jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów. Prąd jest więc spowodowany zarówno ruchem elektronów, jak i dziur. Ma on jednak bardzo małą wartość, gdyż elektrony swobodne stanowią niewielką część elektronów walencyjnych. Ważną cechą półprzewodników jest to, że nośniki ładunków elektrycznych w sieci krystalicznej mogą się przemieszczać nie tylko pod wpływem pola elektrycznego, ale także pod wpływem cieplnych drgań sieci krystalicznej. Przemieszczając się w ten sposób z jednego obszaru (gdzie jest ich dużo ) do drugiego obszaru (gdzie jest ich mało ) tworzą prąd dyfuzyjny. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego. Półprzewodniki dzielą się na domieszkowe i samoistne.
Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe - negative (występuje tu przewodnictwo elektronowe). Taką warstwę uzyskuje się poprzez dodanie do krzemu lub germanu niewielkiej ilości pierwiastka pięciowartościowego (donoru) np.: arsenu. Wtedy w skutek wiązań pojawiają się wolne elektrony. Drugi typ półprzewodników jest oznaczany jako p - inaczej niedomiarowy - positive (przewodnictwo dziurowe). Aby uzyskać taką warstwę należy do germanu lub krzemu dodać pierwiastka trójwartościowego (akceptoru) np.: glinu. Taki układ spowoduje powstanie tzw. dziur elektronowych czyli takich miejsc w których brakuje elektronów.
Z połączenia warstw n i p powstał najpopularniejszy półprzewodnik na świecie zwany potocznie diodą, który wyparł przestarzałe, duże i szybko zużywające się lampy elektronowe. Od tego czasu nastąpił szybko postępujący rozwój elektroniki, która jest w dzisiejszych czasach wszechobecna, a nie mogła by istnieć bez warstw n i p.
Najpopularniejsze przyrządy oparte na półprzewodnikach:
1) Dioda półprzewodnikowa
Jest to element elektroniczny wykorzystujący właściwości złącza p-n. Gdy biegun dodatni źródła prądu połączymy z warstwą p, a ujemny z warstwą n, wówczas obniży się bariera potencjału co umożliwi dyfuzję elektronów z obszaru n do obszaru p. Taki układ nazywamy polaryzacją w kierunku przewodzenia. Jeżeli zmienimy biegunowość źródła prądu to dioda przejdzie w stan zaporowy tzn. praktycznie nie będzie przewodziła prądu w odwrotnym kierunku. Szczególnym rodzajem diody jest dioda zenera. Drastycznie zmienia swoją oporność po przekroczeniu pewnej wartości napięcia np.: 12V. Diody znalazły szczególne zastosowanie w układach prostujących służących do zmiany prądu przemiennego w stały.
2) Tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne. Składa się on z trzech warstw i dwóch złącz. Całość jest umieszczona w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami. Wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje tranzystorów typu n-p-n i p-n-p. W tranzystorach n-p-n pierwszy z obszarów n połączony jest ze stykiem nazywanym emiterem (w bezpośrednim sąsiedztwie styku znajduje się duża koncentracja domieszek), obszar p z tzw. bazą, a drugi obszar n z tzw. kolektorem. Działanie tranzystora polega na tym, że prąd płynący z emitera do kolektora sterowany jest przez prąd bazy.
Tyrystor przewodzi prąd tylko w jednym kierunku od anody do katody. Jeżeli wartość prądu spadnie do wartości bliskiej zeru lub gdy zmieni się kierunek prądu to tyrystor przechodzi w stan zaporowy. Aby tyrystor zaczął przewodzić tona anodzie powinien pojawić się biegun dodatni oraz impuls dodatni na bramkę.
Tyrystor inaczej jest nazywany diodą sterowaną. Stosowany jest w urządzeniach sterujących, regulatorach obrotów i regulatorach poboru mocy. Podłączony do prądu przemiennego przepuszcza prąd połowy sinusoidy i blokuje się przy zmianie kierunku prądu. Regulując moment impulsu na bramkę możemy wykorzystywać całą lub tylko część energii. Oprócz tyrystorów klasycznych buduje się również tyrystory symetryczne typu TRIAC, które zastępują dwa tyrystory i umożliwiają prostowanie dwópołówkowe. Tyrystor jest prostownikiem jednopołówkowym. Jego praktyczne znaczenie można zobaczyć w ściemniaczach światła, zmienia jego natężenie bez dodatkowych strat energii.
4) Fotodioda półprzewodnikowa jest to półprzewodnik spolaryzowany w kierunku zaporowym, w której pod wpływem natężenia oświetlenia padającego przez mały otwór w obudowie zmienia się prąd wsteczny i fotodioda zaczyna wytwarzać napięcie. Moc tego ogniwa jest jednak niewielka i główne zastosowanie znalazła ona w układach pomiarowych fotometrycznych.
5) Termistor jest to opornik półprzewodnikowy którego oporność zależy w głównym stopniu od temperatury. Półprzewodnik ten jest stosowany głównie jako czujnik temperatury, np.: w elektronicznych przyrządach pomiarowych, które można spotkać w samochodach, pralkach bądź piekarnikach.
6) Układ scalony jest to również jeden z rodzaju półprzewodników. Jest zminiaturyzowanym zespołem bardzo wielu tranzystorów, diod rezystorów. Może być wykonany z jednego kryształu półprzewodnika lub naniesiony warstwowo na izolujące podłoże.
-||-
Istnieje grupa krystalicznych przewodnikow elektronowych, do której należą krzem, german, selen i reszta związków np:potlenek miedzi
Wszystkie te substancje przewodzą elektrycznoścznacznie gorzej niż metalei dlatego nazywanesą półprzewodnikami.W temperaturze zera bezwzględnegosubstancje nie przewodząi są dialektrykami.Ich przewodnictwo, w odróżniniu od metali ma charakter cieplny.Na przykład w krysztale dolna krawędz pasma pustego leży bardzo blisko górnej krawędzi pasma zapełnionego.Wtedy juz energia wzbydzenia cieplengo wystarcza by elektron mógł przeskoczyćz całkowicie zapełnionego pasma dolnego do niezajętego pasma górnego. W temperaturze zera bezwzgędnego nie ma wzbudzeń cieplnych, do górnego pasma nie trafia ani jeden elektron a kryształ jest dialektrykiem. Przy wzroście temparatury do pasma górnego dostaje się coraz więcej elektronów.W tych warunkach zdolność przewodzenia kryształu bedzie oczywiście rosnąć,a odporność maleć.
Ładunek w półprzewodniku opuszczajac dolne pasmo elektrony pozostawiają w nim nie zajęte miejsca.Pozostałe elektrony natomiast mogą być teraz przyspieszane i mogą przechodzic na opróznione miejsca.Gdy elektron przechodzi na niezajęte miejsca przesuwajac się z lewej na prawą,a dziura przemieszcza się z prawa na lewo.Pęcherzyk powietrza w cieczy unosi się w górę, podczas gdy środek ciężkości całej cieczy obniża się.Elektron porusza sie w strone anody(bieguna dodatniego). Dziura porusza się w kierunku katody(zachowuje sie jak ładunek dodatni)dziury rózżniąsie od elektronów nie tylko znakiem ładunku. Przyczynki pochodzą od dziur i elektronów moz na rozróznić fizycznie .Wystarczy umieścic półprzewodnikz płynącym prądem magnetycznym do kierunku prądu. Odchylenie ładunków w polu magnetycznym powoduje powstanie dodatkowej róznicy potencjałów w kierunku prostopadłymdo kierunkuzarówno pola,jak i prądu.
Różnice mozna wykryc galwanometrem.Wychyleniom galwanometru w jedną lub drugą stronę odpowiada przewaga elektronówlub dziur.
Efekty Halla o róznych znakach obserwuje się także w metalach.Dziury moga równieżdawać wkład do przewodnictwa elektrycznego.
Większość półprzewodników ma przewodnictwo dziurowe albo elektronowe.Różne doświadczenia zaweraja domieszki innych pierwiastków.
Rola ich polega:
Kryształ zawierający domieszki nie jest już kryształem idealnym.W kryształach nieidealnych, jak wynika to z teorii, oprócz dozwolonych pasm wartosci energii elektronów wystaepują jeszcze dodatkowe pojedyńcze poziomy rozmieszczone pomiedzy pasmami.Poziomy te moga byc zajęte lub wolne.
Gdy załozymy ze poziomy leża bardzo blisko dolnej krawędzipustaego pasma.Wtedy ruchcieplny zmusza cześć elektronowdo przejścia do pasma niezajętegoi otrzymujemy półprzewodniko czystoelektronowym przewodnictwie.Jesli wolne poziomy znajdują sie w pobliżu górnej krawedzi pasma zapełnionego, to ruch cieplny przerzuca częśc elektronow na te poziomy. W paśmie zapełnionympojawiają sie wtedy dziuryi otrzymujemy półprzewodnik dziurowy.Są to tak zwane poziomy dyskretne!
Przy naświetlaniu półprzewodników światłem widzialnym lub nadfioletowym, elektrony mogą pochłoniąwszy energię świetlną,przechodzić do pasma przewodnictwa lub opuszczaćpasmo zapełnione, zostawiając po sobie ruchliwe dziury.Bywaja takze w czasie naswietlania , w niskich temepraturach, półprzewodniki którw przewodza prąd elektryczny.
Zjawisko to nazywamy fotoprzewodnictwem.
Źrudło:Biblioteka problemów
Elaktrony,fonony,magnony... M.I.Kaganow
Warszawa 1978 r Państwowe Wydawnictwo Naukowe
-||-
Zastosowanie półprzewodników. PÓŁPRZEWODNIKI Półprzewodniki to substancje o przewodności elektrycznej mniejszej niż przewodność metali a większej niż przewodność dielektryków. Cechą charakterystyczną półprzewodników jest silna zależność przewodnictwa elektr. od warunków zewnętrznych (temperatury, oświetlenia, elektrycznych pól, napromieniowania, i innych), przy czym (odwrotnie niż w przypadku metali) przewodnictwo półprzewodników rośnie ze wzrostem temperatury. Według pasmowej teorii ciała stałego w temp. 0º K pasmo walencyjne półprzewodników jest całkowicie wypełnione elektronami i pole elektryczne nie może zmienić ani położenia, ani pędu poszczególnych elektronów, a więc wywołać przepływu prądu. Półprzewodniki są otrzymywane w postaci monokrystalicznej lub polikrystalicznej. Znajdują zastosowanie w elektronice - złącza prostujące diody, tranzystory, układy scalone itp.; najszersze zastosowanie mają: krzem, arsenek galu, a także german. BUDOWA I DZIAŁANIE LASERA Laser (skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) to urządzenie do wytwarzania spójnej, słabo rozbieżnej i monochromatycznej wiązki światła. Podstawą działania lasera jest emisja wymuszona fotonów. Emisja wymuszona zachodzi, gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, (zgodne w fazie) fotony o tej samej energii i częstotliwości (proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 r.) W rezultacie otrzymujemy strumień spójnego światła o stosunkowo dużym natężeniu. Wyróżniamy dziewięć typów lasera, w których ośrodkiem czynnym są różne typy gazów, bądź ich mieszaniny, lub też monokryształy. Typami tymi są: laser argonowy, azotowy, barwnikowy, helowo-neonowy, molekularny, neodymowy, półprzewodnikowy, rubidowy i tytanowy. Najstarszym typem jest laser rubinowy, który pracuje w trybie impulsowym, ma kolor czerwony; to lampa ksenonowa „pompuje” energię - fotony do rubinu. Z kolei w laserze gazowym (helowo-neonowym) tryb pracy jest ciągły, a głównym czynnikiem powodującym akcję laserową jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych. ZASTOSOWANIE TECHNIK LASEROWYCH Lasery znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki: • w technologii materiałów i budownictwie (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, dynamiczne wyważanie, zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.); • do sterowania pracą maszyn roboczych, wytyczania torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, do precyzyjnego pozycjonowania złożonych konstrukcji (teodolit i dalmierz laserowy); • w medycynie i biologii (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, oczyszczanie zębów z próchnicy, zabiegi kosmetyczne); • do precyzyjnych pomiarów długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu, prędkości ruchu obrotowego (giroskop optyczny) itp.; • w technice wojskowej (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania; • do zapisywania i odtwarzania dźwięków i obrazów (gramofon cyfrowy, magnetowid) na nośnikach cyfrowych - płytach CD, DVD itp.; • w telekomunikacji optycznej (łącze laserowe, telekomunikacja światłowodowa); • w holografii - tworzenie trójwymiarowych obrazów, map, konstrukcji. Użycie laserów zrewolucjonizowało spektroskopię atomową i cząsteczkową i powiększyło m.in. dokładność pomiarów stałych atomowych, a przez to i uniwersalnych stałych fizycznych. Do badania ultraszybkich procesów i reakcji chemicznych w układach molekularnych i w fizyce ciała stałego służą impulsy światła o czasie trwania rzędu pikosekund, otrzymywane w układach laserowych tzw. metodą synchronizacji modów. Rozwój techniki laserowej zmierza m.in. w kierunku: uzyskania większych mocy i energii promieniowania, zwiększenia sprawności i niezawodności działania, uzyskania promieniowania spójnego w , zastosowania w trójwymiarowym filmie i telewizji*zakresie rentgenowskim i oraz do realizowania kontrolowanej syntezy termojądrowej. Duże nadzieje wiąże się z laserami elektronowymi, w których spójne promieniowanie o dużej mocy wysyła hamowana w polu magnet. wiązka elektronów przyspieszonych do prędkości (bliskich prędkości światła). Również technika kosmiczna interesuje się zastosowaniem lasera w celu napędzania pojazdów kosmicznych W tym wypadku strumień lasera emitowany jest w środek dysku zbudowanego w specyficzny sposób. Laser podgrzewa i jonizuje powietrze pod dyskiem i unosi go coraz wyżej i wyżej. Statek taki może być wynoszony pod górną granicę atmosfery, gdzie zostanie uruchamiany inny napęd. Zastosowań laserów jest coraz więcej i coraz więcej jest także urządzeń wyposażanych w ten typ półprzewodnika.. Lasery służą do odczytywania płyt kompaktowych. Laserowy promień ślizga się po wyrytych na płycie dołkach. Im mniejsza jest długość jego światła, tym mniejsze mogą być dołki. Można ich wtedy więcej „upchać” na powierzchni płyty, a tym samym zwiększyć pakowność. Dziś stosuje się lasery czerwone, lecz fale niebieskie są krótsze - gdyby udało się skonstruować niebieskie lasery zapisujące, pojemność dysków wzrosłaby czterokrotnie. W Centrum Wysokich Ciśnień "Unipress" Polskiej Akademii Nauk stworzono niebieski laser, co rozwinie techniki zapisu, przesyłu danych w światłowodach itp.; świat potrzebuje tego typu odkryć.
www.portalnaukowy.edu.pl/laser_teoria_1.htm
-||-
W laserach wykorzystuje się dwoisty charakter światła, które zachowuje się i jak fala, i jak cząsteczki. Najmniejsza cząstka światła nosi nazwę fotonu.
Fotony zachowują się trochę jak fale, trochę jak cząstki. Każdy foton niesie pewną ilość energii. W laserze atomy lub cząsteczki oddają część swojej energii w postaci fotonów świetlnych. Ale żeby ją oddać, muszą zostać najpierw wzbudzone, czyli wprowadzone na wyższy poziom energetyczny. W laserze uprzednie doprowadzanie energii odbywa się na przykład przez włączenie prądu elektrycznego. Nazywa się to "pompowaniem" lasera.
Doprowadzona energia gromadzi się w ośrodku laserującym i zostaje zużyta do wzbudzenia, czyli wprowadzenia na wyższy poziom energetyczny jego atomów. Atomy zawsze mają skłonność do przechodzenia do najniższego poziomu energetycznego, wkrótce więc niektóre z nich oddadzą nadmiar energii przez wysłanie fotonu. Fotony te zderzają się z innymi atomami, pobudzając je z kolei do emisji następnych fotonów, których liczba szybko narasta w lawinowej reakcji. Reakcję tę potęgują lustra na obu końcach rury, odbijając fotony tam i z powrotem, pobudzając coraz więcej atomów do emisji światła.
www.eszkola.pl/czytaj/Laser_zastosowanie/5372
-||-
Pomiary za pomocą laserów
Mimo, że każdy rodzaj światła rozchodzi się prostoliniowo, światło lasera nadaje się szczególnie do wytyczania prostych linii. Jego intensywna, wąska wiązka nie rozprasza się nawet na bardzo długich dystansach.
Podczas drążenia tuneli, czy pod Alpami, czy pod kanałem La Manche, inżynierowie posługiwali się laserami do tyczenia kierunku na duże odległości. Lasery służą także w stoczniach do precyzyjnego dopasowania wielkich fragmentów kadłubów statków, co ułatwia późniejszy montaż. Przy pomiarach bardzo dużych i bardzo małych odległości laserowe urządzenia pomiarowe coraz częściej stają się dla inżynierów i techników niezastąpione.
Pomiar bliski i daleki
Geodeci używają przyrządów zwanych dalmierzami laserowymi do bardzo dokładnych pomiarów odległości - od kilku metrów do około 3 km. Wiązka dalmierza laserowego jest kierowana na odbijający cel. A gdy natrafi na lustro, zostaje obita z powrotem do niego. Instrument rejestruje czas, który upłynął od wysłania impulsu świetlnego do jego odbioru, i oblicza z niego odległość do celu.
Na tej samej zasadzie działa LIDAR, rodzaj radaru, w którym zamiast fal radiowych stosuje się światło lasera. W tym systemie do pomiaru odległości oddalonych obiektów używa się impulsowych wiązek laserowych. LIDAR zastał wykorzystany do kilku efektownych doświadczeń. W roku 1969, gdy amerykańscy astronauci umieścili odbłyśniki laserowe na powierzchni Księżyca, za pomocą tego systemu zmierzono odległość do Księżyca z dokładnością do kilku centymetrów.
Na drugim końcu skali
Do pomiarów bardzo małych odległości przydatne okazały się interferometry laserowe. W urządzeniach tych wykorzystuje się inną właściwość światła laserowego, jego spójność i synchronizację fal.
W interferometrii laserowej wiązka laserowa jest rozszczepiana na dwie. Każdą z nich kieruje się na inną powierzchnię odbijającą. Obie wiązki maja do przebycia różne drogi, więc gdy spotykają się po odbiciu, są nieco przesunięte w fazie. W wyniku tego powstają naprzemienne układy linii światła i cienia, zwane prążkami interferencyjnymi, na podstawie których można bardzo dokładnie zmierzyć odległość pomiędzy dwoma punktami.
Zastosowanie interferometrów laserowych są bardzo liczne. W przemyśle używa się ich do pomiaru średnicy bardzo cienkich drucików lub do sprawdzania, czy wymiary produkowanych detali są dokładnie takie jak potrzeba. Interferometry laserowe służą także geologom w badaniach przyczyn trzęsień ziemi przez pomiary bardzo małych przesunięć wzdłuż uskoków pęknięć skorupy ziemskiej.
Satelity i samoloty rozpoznawcze zbierają z dalekiej odległości informacje o powierzchni Ziemi. Niektóre ze służących do tego przyrządów opierają się na technice laserowej i korzystają z wysyłanych przez nie wiązek światła o ściśle określonej długości fali i dużym zasięgu.
Analizując pochłanianie światła o różnych długościach fali przez chemikalia zawarte w powietrzu, można mierzyć skażenie atmosfery. Niektóre związki chemiczne, pobudzone energia lasera, emitują charakterystyczne dla siebie światło. Zjawisko to nosi nazwę fluorescencji. Posługując się podniebnym laserem o odpowiedniej długości fali świetlnej i rejestrując wywołaną przez niego fluorescencję, naukowcy mogą badać tak różne zjawiska, jak stan zdrowia lasów czy rozmiary plamy ropy naftowej na morzu.
pl.shvoong.com/exact-sciences/physics/202518-pomiary-za-pomocą-laserów/
-||-
Co to jest laser?
Laser jest wzmacniaczem promieniowania świetlnego działającym na zasadzie wymuszonej emisji, a jego nazwa pochodzi od skrótu nazwy angielskiej - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Światło, które wpada do cylindrycznego wnętrza lasera, zostaje przechwycone przez dwa zwierciadła. Odbijając się od nich, przekazuje swoją energię wypełniającej cylinder substancji (gazu lub kryształu). Atomy kryształu lub gazu zostają wzbudzone poprzez absorpcję fotonów światła. Kiedy wzbudzone atomy zderzają się z kolejnymi fotonami, emitują energię w postaciświatła. Wyemitowane światło ma jednakową częstotliwość fali, stąd nazywa się je światłem spójnym. Długość takiej fali zależna jest od materiału z jakiego laser został wykonany.
Zjawisko wymuszonej emisji odkrył w drodze teoretycznych rozważań Albert Einstein, analizując prawa promieniowania świetlnego. Możliwość otrzymania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na drodze eksperymentalnej uzasadnił w 1940 roku radziecki uczony W. A. Fabrikant.
W latach 1952 - 53 z koncepcją budowy wzmacniacza mikrofal działającego na zasadzie wymuszonej emisji wystąpili, niezależnie od siebie, Charles H. Townes i jego współpracownicy w Stanach Zjednoczonych.
Pierwsze takie urządzenie, noszące nazwę lasera, zostało zbudowane w 1954 roku. Wynalazek lasera polegał na rozszerzeniu wykorzystania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na zakres fal świetlnych. Z pierwszym projektem tego rodzaju urządzenia wystąpił w 1958 roku ponownie Townes wraz z innym fizykiem amerykańskim Arthurem L. Schawlowem. Rok później Townes zbudował model lasera, lecz próby nie wypadły pomyślnie. Pierwszy czynny laser został zbudowany po kilku dalszych miesiącach.
W maju 1960 roku młody amerykański badacz Theodor H. Maiman z laboratorium Hughes Aircraft Company zademonstrował laser rubinowy, wytwarzający niezwykle spójną i monochromatyczną wiązkę światła.
Wkrótce po laserze rubinowym, w którym akcja laserowa zachodzi w jonach chromu krystalicznego rubinu, został zbudowany laser gazowy (akcja laserowa przebiega w nim w mieszaninie helu i neonu), a następnie w 1962 roku laser półprzewodnikowy i w 1963 roku laser cieczowy.
Sciaga.pl
-||-
Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też konduktancją właściwą) jest rzędu 10-8 do 106 S/m (simensa na metr), co plasuje je między przewodnikami a dielektrykami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.
W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku.
samoistne
domieszkowe
fotoprzewodniki
Struktura pasmowa krzemu. J.R.Chelikowsky,M.L.Cohen, Phys.Rev. B10(1974)5095
Półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej. Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur.
Przyjmuje się, że w temperaturze 0 kelwinów w paśmie przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w T>0K ma miejsce generacja par elektron-dziura; im wyższa temperatura, tym więcej takich par powstaje.
Półprzewodniki samoistne nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych (co objawia się dużym oporem właściwym, czyli małą przewodnością właściwą), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoistnymi lub półprzewodnikami domieszkowanymi.
Domieszkowanie polega na wprowadzeniu do struktury kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Na przykład domieszka krzemu (Si) w arsenku galu (GaAs). Ponieważ w wiązaniach kowalencyjnych bierze udział ustalona liczba elektronów podmiana któregoś z jonów atomem domieszki może spowodować wystąpienie nadmiaru lub niedoboru elektronów.
Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu n, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką donorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom donorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko dna pasma przewodnictwa, lub w samym paśmie przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie pustego w przypadku półprzewodników samoistnych) w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie elektronowym, lub przewodnictwie typu n (z ang. negative - ujemny).
Wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu p, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką akceptorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom akceptorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka pasma walencyjnego, lub w samym paśmie walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym (prawie zapełnionym w przypadku półprzewodników samoistnych) powodując powstanie w nim wolnych miejsc. Takie wolne miejsce nazwano dziurą elektronową. Zachowuje się ona jak swobodna cząstka o ładunku dodatnim i jest zdolna do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie dziurowym, lub przewodnictwie typu p (z ang. positive - dodatni). Dziury, ze względu na swoją masę efektywną, zwykle większą od masy efektywnej elektronów, mają mniejszą ruchliwość a przez to oporność materiałów typu p jest z reguły większa niż materiałów typu n.
Rolę domieszki może pełnić również atom międzywęzłowy (atom umiejscowiony poza węzłami sieci) oraz wakans (puste miejsce w węźle sieci w którym powinien znajdować się atom).
-||-
MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Półprzewodniki to materiały powszechnie stosowane do produkcji elementów i układów elektronicznych.
Każdy materiał ma pewną wartość rezystywności. W zależności od tej wartości dzielimy je na metale i niemetale (dielektryk, półprzewodnik),
różniące się właściwościami fizykochemicznymi.
Półprzewodniki obejmują obszerną grupę materiałów, które ze względu na przewodnictwo elektryczne zajmują pośrednie miejsce pomiędzy metalami a izolatorami. Półprzewodniki stanowią oddzielną klasę substancji, gdyż ich przewodnictwo ma szereg charakterystycznych cech. Należy podkreślić odwrotną niż dla metali zależność przewodnictwa elektrycznego od temperatury. W dostatecznie niskich temperaturach półprzewodnik staje się izolatorem. W szerokim zakresie temperatur przewodnictwo przewodników szybko rośnie wraz ze wzrostem temperaturą. Drugą ważną cechą półprzewodników jest zmiana przewodnictwa elektrycznego w wyniku niewielkich zmian ich składu.
2.1. MODEL PASMOWY
Teoria pasmowa - jest to teoria kwantowa opisująca stany energetyczne elektronów w krysztale. W odróżnieniu od atomów, w których dozwolone stany energetyczne elektronów stanowią zbiór poziomów dyskretnych, dozwolone elektronowe stany energetyczne w kryształach mają charakter pasm o szerokości kilku elektronowoltów.
Elektronowolt (eV) jest to energia, jaką uzyskuje elektron w wyniku zmiany swojego potencjału o 1 V.
Rys. 2.1. Model energetyczny pasmowy półprzewodnika.
W temperaturze zera bezwzględnego (T = 0K) najmniejszą energię mają elektrony walencyjne. Pasmo odpowiadające temu stanowi energetycznemu nosi nazwę pasma walencyjnego lub podstawowego i jest najniżej położonym pasmem energetycznym (rys. 2.1). Powyżej tego pasma leży pasmo przewodnictwa, w którym znajdują się swobodne elektrony wyrwane z sieci krystalicznej. Pomiędzy tymi pasmami jest odstęp, który nazwany jest pasmem zabronionym lub przerwą zabronioną i oznacza się przez Wg. Wartość Wg określa minimalną wartość energii, która musi być dostarczona elektronom, aby zostały one wyrwane z wiązań atomowych sieci krystalicznej. Szerokość tą mierzy się w elektronowoltach (eV).
2.2. PÓŁPRZEWODNIK SAMOISTNY
Półprzewodnik samoistny jest to monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawierają obcych atomów w sieci krystalicznej.
W półprzewodnikach już w temperaturze 300 K (a nawet niższej) pewna część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa, pozostawiając miejsca nie obsadzone w paśmie podstawowym. Miejsca te mogą być zajmowane przez elektrony usytuowane na niższych poziomach w tym paśmie (po otrzymaniu z zewnątrz odpowiedniej energii).
Proces pojawiania się elektronów w paśmie przewodnictwa i wolnych miejsc (dziur) w paśmie podstawowym pod wpływem wzrostu temperatury nosi nazwę generacji termicznej par dziur-elektron (rys. 2.2).
Dziurą nazywa się dodatni nośnik ładunku, będący brakiem elektronu. W półprzewodnikach o małych szerokościach pasma zabronionego generacja termiczna par dziura-elektron jest ułatwiona. Liczbę nośników w ciałach stałych wyraża się za pomocą gęstości lub koncentracji (liczba nośników na jednostkę objętości.
Liczba generowanych par, czyli ich koncentracja, jest tym większa, im jest węższe pasmo zabronione danego półprzewodnika oraz im temperatura monokryształu jest wyższa. Po pewnym czasie pobudzony elektron powraca do stanu podstawowego z wyemitowaniem kwantu promieniowania. Taki proces nazywamy rekombinacją (rys. 2.2).
Średni czas jaki upływa między procesem generacji a procesem rekombinacji nazywamy czasem życia ၴ danego nośnika (elektronu, dziury).
Rys. 2.2. Proces generacji i rekombinacji pary elektron - dziura.
WV - wierzchołek pasma podstawowego, Wc - dno pasma przewodnictwa, Wpr - energia wyjścia elektronu z półprzewodnika.
W półprzewodniku samoistnym mamy do czynienia z generacją par elektron-dziura, w związku z czym koncentracja elektronów i dziur jest taka sama i nosi nazwę koncentracji samoistnej. Zależność koncentracji samoistnej od temperatury przedstawiona jest na rysunku 2.3. Na tej charakterystyce zaznaczono również szerokość przerwy zabronionej danego półprzewodnika.
Rys. 2.3. Zależność koncentracji samoistnej półprzewodnika od temperatury.
2.3. PÓŁPRZEWODNIK TYPU n I TYPU p
(półprzewodniki niesamoistne)
Półprzewodnik niesamoistny jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryształu zamiast atomów pierwiastka materiału półprzewodnikowego znajduje się inny atom (np. w sieci krystalicznej krzemu znajduje się fosfor).
Powstaje wówczas tzw. półprzewodnik domieszkowany, a ten inny atom nazywamy domieszką. Rozróżniamy dwa rodzaje domieszek: donorową i akceptorową.
Jeśli na skutek nieregularności sieci krystalicznej w półprzewodniku będą przeważać nośniki typu dziurowego, to półprzewodnik taki nazywać będziemy półprzewodnikiem typu p (niedomiarowy). A gdy będą przeważać nośniki elektronowe, będziemy nazywać je półprzewodnikami typu n (nadmiarowy).
Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie - w procesie wzrostu kryształu krzemu - domieszki pierwiastka pięciowartościowego (np. antymon, fosfor). Niektóre atomy krzemu zostaną zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami (rys. 2.4).
Rys. 2.4. Model sieci krystalicznej z domieszką atomów fosforu.
Każdy atom domieszki ma pięć elektronów walencyjnych, z których cztery są związane z sąsiednimi atomami krzemu. A piąty elektron jest wolny i może być łatwo oderwany od atomu domieszki - jonizując dodatnio. Elektron wówczas przechodzi do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Atomy domieszki w modelu pasmowym półprzewodnika znajdują się na tzw. poziomie donorowym, który występuje w pobliżu dna pasma przewodnictwa półprzewodnika (rys. 2.5).
Rys. 2.5. Model pasmowy półprzewodnika krzemowego z domieszkami donorowymi.
W temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy domieszkowe zostały zjonizowane. Oznacza to, że na poziomach donorowych nie ma już elektronów, gdyż wszystkie przeszły do pasma przewodnictwa. Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest znacznie większa niż dziur w paśmie podstawowym. Dlatego też te pierwsze noszą nazwę nośników większościowych, a te drugie nośników mniejszościowych.
Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, galu). Na rysunku 2.6 przedstawiono model sieci krystalicznej krzemu z domieszką atomów indu.
Rys. 2.6. Model sieci krystalicznej krzemu z domieszką atomów indu.
Atom tej domieszki ma trzy elektrony walencyjne, związane z sąsiednimi atomami krzemu. Do wypełnienia czwartego wiązania sąsiadującego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej jednego elektronu i zostaje on uzupełniony przez pobranie elektronu z jednego z sąsiednich wiązań, w którym powstaje dziura. Atom pierwiastka trójwartościowego, zwanego akceptorem, po uzupełnieniu elektronu w „nieprawidłowym” wiązaniu (na skutek niedostatku ładunków dodatnich w jądrze) staje się jonem ujemnym, wywołując lokalną polaryzację kryształu.
Elektron ten przechodzi z pasma podstawowego półprzewodnika na poziom akceptorowy, jonizując tym samym ujemnie atom domieszki. Poziom akceptorowy znajduje się w pobliżu wierzchołka pasma podstawowego półprzewodnika (rys.2.7).
Rys. 2.7. Model pasmowy półprzewodnika krzemowego z domieszkami akceptorowymi.
W temperaturze pokojowej wszystkie poziomy akceptorowe są zapełnione elektronami, które przeszły z pasma podstawowego. Na skutek tego liczba dziur w paśmie podstawowym jest wielokrotnie większa niż elektronów w paśmie przewodnictwa. W półprzewodniku typu p dziury w paśmie podstawowym są nośnikami większościowymi, a elektrony w paśmie przewodnictwa - nośnikami mniejszościowymi.
W każdym półprzewodniku (niezależnie od koncentracji domieszek) w stanie równowagi termicznej jest spełniony warunek neutralności, tzn. w każdym punkcie półprzewodnika wypadkowy ładunek elektryczny jest równy zeru. Wszelkie zaburzenia warunku neutralności powodują powstanie pola elektrycznego, które przywraca stan równowagi elektrycznej.
Ustalenie się koncentracji nośników na odpowiednim poziomie zachodzi w wyniku rekombinacji, który równoważy też generację termiczną nośników.
www.forum.elektronika.xorg.pl/index.php?showtopic=324&mode=threaded
-||-
Złącze p-n
Przepływ prądu elektrycznego przez złącze p-n
Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n
Zjawiska zachodzące przy dużych gęstościach prądu i dużych natężeniach pola elektrycznego - przebicie złącza
Pojemność barierowa złącza
Właściwości impulsowe złącza p-n
Wpływ temperatury na przepływ prądu przez złącze p-n
Modele złącza
Złącze metal-półprzewodnik (m-s)
Charakterystyka złącza m-s
Model złącza m-s
Diody półprzewodnikowe
Konstrukcja, podstawowe właściwości i schematy zastępcze diod
prostowniczych
stabilizacyjnych
pojemnościowych
impulsowych
tunelowych
Szumy diod półprzewodnikowych
Podstawowe zastosowania
Tranzystor bipolarny
Zasada działania - superpozycja dwóch złącz z krótką bazą
Efekt Early'ego
Wzmocnienie prądowe
Model Ebersa-Molla
Charakterystyki statyczne
Konstrukcja tranzystora epiplanarnego
Zależność wzmocnienia prądowego od polaryzacji
Napięcie przebicia i obszar bezpiecznej pracy
Model ładunkowy i jego zastosowania - impulsowa praca tranzystora bipolarnego i małosygnałowy schemat zastępczy
Ograniczenia częstotliwościowe
Model Gummela-Poona
Właściwości szumowe tranzystorów bipolarnych
Rodzaje tranzystorów bipolarnych
Podstawowe zastosowania
Przyrządy przełącznikowe
Budowa, zasada działania, parametry i właściwości
tyrystorów
triaków
dynistorów
diaków
Charakterystyka anodowa i bramkowa tyrystorów
Sposoby włączania i wyłączania tyrystorów
Zastosowanie elementów przełączających
Tranzystor polowy
Rodzaje tranzystorów polowych
Tranzystory złączowe i z izolowaną bramką
konstrukcja
zasada działania
charakterystyki i parametry statyczne
zależność napięcia progowego od technologii
praca dynamiczna
układy pracy
Małosygnałowy schemat zastępczy
Podstawowe zastosowania
Elementy optoelektroniczne
Zjawisko fotoelektryczne
Rekombinacja promienista
Homozłącze i heterozłącze p-n
Emisja wymuszone i spontaniczna
Fotoemitery (dioda elektroluminescencyjna LED, dioda laserowa LD)
budowa
zasada działania
podstawowe parametry
charakterystyka widmowa
zastosowania
Fotodetektory (fotodioda ze złączem p-n fotodioda lawinowa, fotodioda p-i-n, fototranzystor)
konstrukcja
zasada działania
podstawowe parametry i charakterystyki
szumy
prądy ciemne
zastosowania
Separacja galwaniczna
Transoptor
www.semi.ps.pl/wyklady.php3
-||-
Pólprzewodniki to ciała stałe których
Pólprzewodniki to ciała stałe których opór elektryczny własciwy jest wiekszy niz metali. Przewodnictwo elektryczne zalezy od warunków zewnetrznych tj. temperatura, napromieniowania. Np. krzem wykazuje słaba przewodnośc elektryczną w niskich temperaturach, ale zwiększa sie ona pod wpływem swiatła, ciepła oraz napięcia. Z tego powodu krzem jest stosowany w tranzystorach, prostownikach i układach scalonych (krzemowe układy scalone).
Największe zastosowanie znalazły półprzewodniki głównie w elektronice w postaci złącz typu n-p jako diody lub baterie słoneczne oraz n-p-n i p-n-p jako tranzystory. Prócz tego półprzewodniki mogą być stosowane jako termistory tj. urządzenia do pomiaru temperatury (musi być znana charakterystyka zależności oporności danego półprzewodnika od temperatury) lub jako urządzenia alarmowe sygnalizujące wzrost temperatury np.w łożyskach lub urządzeniach przeciwpożarowych. Mogą one także być zastosowane w przyrządach do pomiaru ciśnienia lub natężenia pola magnetycznego (przez wykorzystanie efektu Halla).
Krzemowy układ to układ scalony w którym mikroskopijnej wielkosci elementy elektronów wbudowane sa w kryształ krzemu o wielkosci kilku mm kwadratowych. Jeden układ może zawierać ponad milion wbudowanych elementów.Jest on montowany w prostokatnej plastikowej obudowie i połaczony za pomoca drucików wykonanych ze złota. Za pomoca tych łaczy montowany jest do płytki z obwodem drukowanym i wykorzystywany w urzadzeniach elektronicznych np. komputerach, kalkulatorach, telewizorach, elektronowych układach samochodowych i jako element innych urzadzeń.
W 1991 roku firm IBM zastosowała układ krzemowy do produkcji szybkiego komputera o dużej pojemnosci pamięci. SRAM (Static Random Access Memory) jest w stanie wysłac lub odebrać 8 mld bitów informacji na sekundę. W przeciwieństwie do innych układów, dla których sa to oddzielne procesy, układ scalony moze wczytywać i wysyłać dane do swoich obwodów w tym samym czasie.
Dioda ze złaczem p-n, (dioda warstwowa) jest urzadzeniem pólprzewodnikowym o dwóch końcówkach, umozliwiajace przepływ pradu elektrycznego tylko w kierunku przewodzenia. Przepływ w przeciwnym kierunku uniemozliwia wysoka opornośc. Dioda ta jest uzywana jako prostownik przekształcający prąd zmienny (AC) na stały (DC). Jest wycinana z pojedynczego kryształu pólprzewodnikowego (np. Krzemowego) do którego podczas wytwarzania dodano specjalne zanieczyszczania w taki sposób, że wytworzyły się w nim dwie oddzielne warstwy. Jedna składa się typu p, który zawiera więcej nośników ładunków dodatnich niz ujemnych. Druga z materiału pólprzewodnikowego typu n, który zawiera wiecej nośników ładunków ujemnych niz dodatnich. Obszar styku tych dwóch warstw nosu nazwę złacza p-n i działa jako bariera przeciwdziałająca pzrepływowi prądu w kierunku zaporowym.
Odpowiedz.pl
-||-
Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: P i N.
W obszarze typu N(Negative) występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory). Analogicznie w obszarze typu P(Positive) nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim oraz atomy domieszek (akceptory). W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.
W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów P i N swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu P, natomiast dziury do obszaru typu N (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwóch swobodnych nośników.
Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, czego skutkiem jest pojawienie się nieruchomych jonów: ujemnych akceptorów i dodatnich donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, nazywana też warstwą zubożoną (tj. praktycznie nieposiadającą swobodnych nośników) lub warstwą zaporową. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie N hamuje przepływ dziur z obszaru P, natomiast ładunek ujemny po stronie P hamuje przepływ elektronów z obszaru N. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje.
Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu mikroamperów (10 − 6), a nawet pikoamperów (10 − 12).
Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0.8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2-0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 mV/K.
Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:
w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru P;
w kierunku zaporowym, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru N.
Bez względu na polaryzację dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze zubożonym.
W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru N do P i z P do N. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ale ze źródła zasilania dopływają wciąż nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny. Jego wartość opisuje przybliżone równanie, zwane równaniem Shockley'a:
Isat - prąd nasycenia złącza, który zależy od konstrukcji złącza i parametrów materiałów
T - temperatura (w Kelwinach)
UT - potencjał termodynamiczny , który wynosi ok. 26mV dla T=300K (temperatura pokojowa).
W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.
Złącze PN spolaryzowane w kierunku zaporowym charakteryzuje pewna pojemność elektryczna, która (nieliniowo) zależy od szerokości obszaru zubożanego - jest to tzw. pojemność złączową (ozn. Cj). Szerokość obszaru zubożanego zależy od przyłożonego zewnętrznego napięcia, dzięki czemu pojemność może być regulowana napięciem - jest to wykorzystywane w diodach pojemnościowych.
Zależność pojemności złączowej od napięcia
Zależność ta opisana jest przybliżonym wzorem
gdzie:
Cj0 - pojemność złączowa przy zerowym napięciu,
- wartość bariery potencjału,
n - wartość zależna od rodzaju złącza i materiału, w granicach 0.3-0.5.
Oprócz pojemności złączowej istnieje również pojemność dyfuzyjna związana z występowaniem nadmiarowych nośników mniejszościowych; zależy od natężenia prądu płynącego przez złącze.
Jeśli napięcie polaryzujące jest odpowiednio duże (a więc obszar zubożony szeroki), to nośniki przechodzące przez obszar zubożony uzyskują dużą energię. Zderzając się z węzłami siatki krystalicznej (z atomami) przekazują im część swojej energii, co powoduje przejście elektronów do pasma przewodnictwa, a co za tym idzie również "utworzenie" dziur - innymi słowy ma miejsce jonizacja. Pojawiają się w ten sposób nowe nośniki, które również są przyspieszane, zderzają się z węzłami siatki itd. Proces ten nabiera charakteru lawinowego i nazywany jest przebiciem lawinowym - jednak wbrew nazwie nie powoduje uszkodzenia złącza. Efektem tego procesu jest gwałtowny wzrost prądu w obwodzie; prąd ten zwie się prądem jonizacji lawinowej.
Przebicie lawinowe zachodzi dla napięć wstecznych większych niż 7V.
Przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych, tzn. takich w których koncentracja domieszek (akceptorów i donorów) jest bardzo duża i zachodzi dla napięć wstecznych mnieszych od 5-6V.
Zależność prądu płynącego przez złącze od napięcia polaryzującego
Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami:
czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < UD, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;
niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > UD, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;
zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd unoszenia;
żółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub Zenera, prąd gwałtownie rośnie.
www.wikipedia.pl
-||-
Ciekawostka:
"W 1989 roku firma IBM wyprodukowała, wykozystując układ scalony z arsenku galu, najmniejszy na swiecie laser w formi cylindra z pólprzewodnika o wymierze dziesieciokrotnie mniejszym niż grubośc ludzkiego włosa."
-||-
Brakuje diody Schottkiego, o złączu metal-półprzewodnik, która może pracować z większymi częstotliwościami. Oraz diody pojemnościowej.
termistory - elementy półprzewodnikowe, których rezystancja zależy od temperatury
element wykorzystujący zjawisko halla to halotron. Jeśli przez płytkę półprzewodnikową umieszczoną w polu magnetycznym przepuścimy prąd, to na bokach płytki będzie generowane napiecie, którego wartość zależy od prądu i natężenia pola magnetycznego.
Tranzystory dzielą się nie tylko na npn i pnp, ale:
I Bipolarne
- npn
- pnp
II unipolarne (polowe)
a) złączowe JFET
- z kanałem typu n
- z kanałem typu p
b) z izolowaną bramką JGFET lub MOSFET
- z kanałem wbudowanym
- z kanałem zaindukowanym
-------------------------------------------------------------------
co do treści pytania:
- wzmacniacze napięcia/prądu/mocy
- elementy logiczne
- sterowanie układami automatyki
Krzemowy układ to układ scalony w którym mikroskopijnej wielkosci elementy elektronów wbudowane sa w kryształ krzemu o wielkosci kilku mm kwadratowych. Jeden układ może zawierać ponad milion wbudowanych elementów.Jest on montowany w prostokatnej plastikowej obudowie i połaczony za pomoca drucików wykonanych ze złota. Za pomoca tych łaczy montowany jest do płytki z obwodem drukowanym i wykorzystywany w urzadzeniach elektronicznych np. komputerach, kalkulatorach, telewizorach, elektronowych układach samochodowych i jako element innych urzadzeń.
obudowa jest zazwyczaj prostokątna. Jlość elementów zależy od stopnia integracji. a wyprowadzenia są co najwyżej pozłacane.
www.odpowiedz.pl
-||-
10. Jak interpretuje się działanie półprzewodnika samoistnego?
Półprzewodnikiem samoistnym (właściwym) jest m.inn. grafit. Ma on całkowicie wypełnioną I strefę Brillouina i małą przerwę energetyczną do strefy II (rys.2.9)(rys.2.9). Ze wzrostem temperatury następuje wzbudzenie coraz większej liczby elektronów o energiach bliskich powierzchni Fermiego do strefy drugiej, gdzie spełniają one rolę elektronów przewodnictwa. To tłumaczy wzrost przewodnictwa ze wzrostem temperatury, typowy dla półprzewodników. Spis treści
11. Co to są półprzewodniki domieszkowe?
Do półprzewodników domieszkowych należą german i krzem. Zawdzięczają one swoje przewodnictwo wpływowi domieszek. W tym przypadku I strefa jest całkowicie wypełniona i jest oddzielona od II strefy małym skokiem enrgii, ale większym niż w przypadku półprzewodnika właściwego. W zależności od rodzaju domieszek rozróżniamy półprzewodniki typu n (negatywny) i typu p (pozytywny). Własności półprzewodnikowe wykazują także liczne związki jak ZnS, GaS, InSb, ZnO, ZnS, PbS i inne. Są one dzielone na dwie grupy: stechiometryczne i niestechiometryczne (defektowe - np.ZnO z nadmiarem Zn). Spis treści
12. Jak działa półprzewodnik typu n?
Działanie półprzewodnika typu n polega na tym, że pod wpływem tempertury elektrony z poziomów energetycznych domieszek, które są zlokalizowane w przerwie energetycznej między strefami (rys.2.10)(rys.2.10) zostają wzbudzone do wolnych poziomów II strefy, gdzie spełniają rolę elektronów przewodnictwa. W tym przypadku atomy oddające swoje elektrony nazywamy donorami. Rolę donorów spełniają pierwiastki pięciowartościowe z grupy V A (np.P lub As). German i krzem są pierwiastkami mającymi sieć diamentu, w której wiązania są kowalencyjne. Wiązania te następują za pomocą par elektronów należących do sąsiednich atomów, których liczba w przypadku krzemu i germanu wynosi 4. Wprowadzenie atomów domieszek pięciowartościowych, które mają 5 elektronów wartościowości wnosi dodatkowe elektrony przewodnictwa, które pod wpływem przyłożonego pola będą się przemieszczać wywołując przepływ prądu. Uwalnianiu elektronów sprzyja wzrost temperatury. Poza tym przewodnictwo rośnie ze zwiększaniem stężenia atomów domieszek. Spis treści
13. Jak działa półprzewodnik typu p?
Działanie półprzewodnika typu p polega na termicznym wzbudzeniu elektronów z najwyższych stanów I strefy do stanów energetycznych domieszek zlokalizowanych w przerwie energetycznej między strefami, dzięki czemu w I strefie pewne stany są nieobsadzone (zwane dziurami) i istnieje możliwość przesunięcia się sfery Fermiego pod wpływem przyłożonego pola, co jest jednoznaczne z przepływem prądu. Do domieszek tworzących dziury należą pierwiastki trójwartościowe z grupy III A (np.B, Al) mające trzy elektrony wartościowości. Wprowadzenie takiego atomu do sieci powoduje, że w jednej parze wiążącej brak będzie elektronu (czyli powstanie dziura). Dziury podobnie jak elektrony przewodnictwa będą przemieszczać się pod wpływem przyłożonego pola, z tym że kierunek ich ruchu będzie przeciwny. Domieszki wywołujące przewodnictwo dziurowe nazywamy akceptorami. Przewodnictwo to będzie rosło, podobnie jak w przypadku półprzewodników typu n ze wzrostem temperatury i stężenia atomów domieszkowych. Spis treści
14. Na czym polega istota pasmowej teorii ciała stałego?
Podstawą do zaproponowania tej teorii były badania widm miękkich promieni rentgenowskich. Stwierdzono, że widmo atomów swobodnych (par) jest inne niż kryształów. Dla par linie widmowe są ostre, natomiast w kryształach następuje rozmycie niektórych poziomów energetycznych w pasma. Na przykład w sodzie stany 3s i 3p ulegają rozszczepieniu i nakładają się. Na (rys.2.11)rys.2.11 przedstawiono schemat rozczepienia się poziomów energetycznych elektronów w funkcji odległości międzyatomowej. Linią przerywaną oznaczono odległość równowagową rk. Szerokie pasmo energetyczne umożliwia elektronom wartościowości wzbudzanie do wyższych energii pod wpływem przyłożonego pola, co jest warunkiem przewodnictwa elektrycznego. Jeśli wystąpiłaby przerwa energetyczna przy odległości rk między poziomami wartościowości i wyższymi i jednocześnie wszystkie poziomy byłyby wypełnione, to przewodnictwo elektryczne nie byłoby możliwe. W przypadku dużej przerwy energetycznej mamy do czynienia z izolatortami, a małej - z półprzewodnikami. Spis treści
15. Jakie jest zastosowanie półprzewodników?
Największe zastosowanie znalazły półprzewodniki głównie w elektronice w postaci złącz typu n-p jako diody lub baterie słoneczne oraz n-p-n i p-n-p jako tranzystory. Prócz tego półprzewodniki mogą być stosowane jako termistory tj. urządzenia do pomiaru temperatury (musi być znana charakterystyka zależności oporności danego półprzewodnika od temperatury) lub jako urządzenia alarmowe sygnalizujące wzrost temperatury np.w łożyskach lub urządzeniach przeciwpożarowych. Mogą one także być zastosowane w przyrządach do pomiaru ciśnienia lub natężenia pola magnetycznego (przez wykorzystanie efektu Halla). Spis treści
16. Jak działa złącze n-p?
Złącze n-p powstaje, jeśli półprzewodniki typu n i p zostaną połączone. W tym przypadku dla utworzenia par wiążących, akceptory (np.atomy Al) będą dołączały dodatkowe elektrony, stając się jonami ujemnymi, natomiast donory (np.atomy As) będą uwalniały elektrony stając się jonami dodatnimi. Wystąpi więc tendencja do wyrównania stężenia dziur i elektronów w obu częściach złącza poprzez dyfuzję. Wyrównanie spowodowałoby jednak nadmierny wzrost ładunków jonów w każdej z części, w wyniku tego tylko część dziur i elektronów przejdzie przez złącze i w jego pobliżu zostanie osiągnięty stan równowagi. W złączu powstanie rozkład ładunków podobny do przedstawionego na (rys.2.12)rys.2.12a, a wypadkowy ładunek elektrostatyczny w pobliżu złącza będzie taki, jak na (rys.2.12)rys.2.12b. Powstanie więc po lewej stronie bariera dla eklektronów i po prawej bariera dla dziur. Bariery te przeciwdziałają dalszej dyfuzji dziur i elektronów. Jeśli do złącz p-n przyłączymy pole elektryczne (np.baterię), to zarazem dziury, jak i elektrony uzyskają dodatkową prędkość w kierunku pola i zaczną się przesuwać w przeciwnych kierunkach. Jednocześnie jednak przyłożone pole elektryczne zmienia wysokość bariery potencjału. W przypadku gdy biegun dodatni baterii zostanie przyłożony do części n, a ujemny do części p, wówczas bariera ulega powiększeniu, co blokuje przepływ prądu. Przy przeciwnym dołączeniu baterii, bariera potencjału ulegnie obniżeniu, co zwiększa przepływ prądu. W ten sposob złącze p-n może spełniać rolę prostownika prądu zmiennego (diody). Spis treści
17. Jak jest zbudowana i działa bateria słoneczna?
Dla zwiększenia efektywności baterii słonecznej wykonuje się je w taki sposób, aby złącze miało możliwie dużą powierzchnię i było bezpośrednio poddane działaniu promieni słonecznych. Dlatego warstwa kryształu nad złączem ma grubość rzędu 1 mm. Kwanty światła absorbowane w obszarze złącza zwiększają koncentrację dziur i elektronów skutkiem czego powstaje różnica potencjałów po obu stronach złącza. Po zamknięciu zewnętrznego obwodu elektrycznego popłynie w nim prąd. Łącząc ogniwa szeregowo można uzyskać wyższe napięcia konieczne do zasilania różnych urządzeń. Spis treści
18. Jak działa złącze n-p-n lub p-n-p?
Złącza takie występują w tranzystorach. Są w nich trzy strefy zwane emiterem (E), bazą (B) i kolektorem (K). Jak w przypadku diod, początkowo dziury są zlokalizowane w strefie p, a elektrony przewodnictwa w strefie n. Na (rys.2.13)rys.2.13 pokazano obwód tranzystora p-n-p. Impuls elektryczny, który ma być wzmocniony jest dołączony między bazę i emiter. Wyjście z tranzystora lub wzmocniony impuls jest odbierany między emiterem i kolektorem. W tranzystorze powstają dwa złącza p-n i n-p. Mogą one przewodzić prąd w przeciwnych kierunkach. Biegun ujemny baterii Bc jest dołączony do kolektora, a dodatni do bazy. Dzięki temu elektrony z bazy są odpychane i złącze B-C blokuje przepływ prądu. Złącze E-B jest dołączone w taki sposób, że elektrony mogą przez nie przepływać bez przeszkód. Dzięki temu elektrony będą przemieszczać się z B do E, a dziury z B do C. Ponieważ baza jest bardzo cienka, dziury mogą łatwo dojść do warstwy zaporowej B-C, a następnie przejść przez to złącze do kolektora. Z kolei elektrony z B przechodzą do E, a dziury w kierunku przeciwnym. Elektrony z ujemnego bieguna baterii BB wypełnieją częściowo dziury w bazie i w obwodzie I płynie prąd o natężeniu IB, natomiast pozostałe dziury przenikają przez złącze do kolektora (C). Dziury te są wypełniane przez elektrony dopływające z ujemnego bieguna baterii BC. Dodatni biegun obydwu baterii przyciąga elektrony z emitera (E), dzięki czemu liczba dziur w tym obszarze nie maleje. Dlatego w obwodzie II płynie prąd o natężeniu IC. O natężeniu prądu płynącego w tym obwodzie decyduje nie tylko napięcie UEC, ale także prąd płynący w obwodzie I (IB). Im większy jest IB, tym większy jest IC. Dzieje się tak dlatego, że UEB wpływa nie tylko na IB, ale także na wielkość prądu przepływające go przez złącze BC. Dla zapewnienia przepływu prądu przez złącze BC wystarcza niewielkie napięcie UEB (ok.0,1-0,2 V). Natomiast bateria BC może mieć znacznie większe napięcie i w obwodzie II zmiany natężenia prądu mogą być znacznie większe niż w obwodzie I. Dzięki tym własnościom tranzystor może spełniać rolę wzmacniacza impulsów.
www.tu.kielce.pl/~wdep/r2.htm
-||-
PÓŁPRZEWODNIKI- WIADOMOŚCI OGÓLNE
Półprzewodniki- są to ciała stałe, których opór elektryczny właściwy (rezystywność elektryczna) mieści się w przedziale 10-4 - 108 Ωm,
a więc jest większy niż metali a mniejszy niż dielektryków.
Do cech charakteryzujących półprzewodniki zaliczamy:
- silna zależność właściwości od oddziaływań zewnętrznych (oświetlenia, ogrzewania, pola elektrycznego itp.)
- ujemny współczynnik temperaturowy oporności elektrycznej zakresie wysokich temperatur,
- przewodnictwo elektronowe,
- oporność właściwa w temperaturze pokojowej rzędu 10-3-10-6 Ωcm
Według pasmowej teorii ciała stałego w temperaturze 0 K pasmo walencyjne półprzewodników jest całkowicie wypełnione elektronami i pole elektryczne nie może zmienić ani położenia, ani pędu poszczególnych elektronów, a więc wywołać przepływ prądu elektrycznego. Aby elektron mógł uczestniczyć w przepływie prądu, musi zostać przeniesiony do pasma przewodnictwa (następnego pasma pustego lub niecałkowicie zapełnionego), oddzielonego od pasma walencyjnego tzw. pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną); ilość energii potrzebna do przeniesienia elektronu w półprzewodniku z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa wynosi od 2∙10-3 do 3 eV (wielkość przerwy energetycznej).
Zatem już w temperaturze pokojowej pewna liczba elektronów zostaje przeniesiona do pasma przewodnictwa liczba ta rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Nośnikami ładunków biorącymi udział przepływie prądu są oprócz elektronów tzw. dziury, które powstają w paśmie walencyjnym w wyniku przejścia elektronów z tego pasma do pasma przewodnictwa, które zachowują się jak cząstki o elementarnym ładunku dodatnim. O wartości przewodnictwa właściwego decyduje zarówno koncentracja jak i ruchliwość nośników ładunków.
Pod pojęciem ruchliwości nośników ładunków rozumiemy zachowanie się nośników prądu elektrycznego w danym materiale pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, liczbowo równą średniej prędkości nośników prądu przemieszczających się pod wpływem pola elektrycznego o natężeniu 1V/cm. Ruchliwość nośników zależna jest od rodzaju materiału (metal, półprzewodnik), rodzaju nośnika (elektrony, jony, dziury) i innych czynników takich jak np. temperatura, czy stężenie elektrolitu.
MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Ciała stałe krystaliczne, bezpostaciowe oraz ciecze wykazujące właściwości półprzewodnikowe (patrz półprzewodniki). Właściwości oraz powstawanie zależą od położenia ich składowych pierwiastków chemicznych w układzie okresowym. Półprzewodniki typu diamentu występują pośród pierwiastków skłonnych do kształtowania struktury krystalicznej tetraedrycznej o liczbie koordynacyjnej równej 4 (struktura diamentu); istotną rolę odgrywają tutaj parametry energetyczne tych pierwiastków a zwłaszcza powinowactwo elektronowe.
Pierwiastki IV grupy: C (diament), Si, Ge oraz Sn są półprzewodnikami i krystalizują w strukturze diamentu. Pierwiastki innych grup niewykazujące własności półprzewodników, wiążą się w pary, z których każda złożona jest z pierwiastków równo oddalonych od IV grupy. Uzyskane w ten sposób półprzewodnikowe związki chemiczne typu A3B5 lub A2B6 (A,B- pierwiastki; cyfry oznaczają numery grup) są krystalochemicznymi analogonami półprzewodników IV grupy i krystalizują głównie w strukturze siarczku cynku ZnS. W związkach tych każdy atom posiada 4 elektrony walencyjne, co jest przyczyną wspólnych właściwości z pierwiastkami IV grupy. Z drugiej strony obecność 2 rodzajów atomów zakłóca symetrię sieci i powoduje występowanie wiązania jonowego obok kowalentnego, co z kolei doprowadza do pewnych różnic w ich właściwościach. Półprzewodniki typu diamentu są stosowane w radioelektronice, odznaczają się, bowiem dużą ruchliwością nośników, stosunkowo wysoką temperaturą topnienia, wytrzymałością mechaniczną i chemiczną.
Krystaliczne nieorganiczne materiały półprzewodnikowe
Pierwiastki IV grupy. Poza Germanem i Krzemem interesujący jest względem zastosowania diament: diament typu IIb ma oporność właściwą 0,5-12 Ωm, zaś typu I i IIa ( w temperaturze pokojowej) 1012-1014 Ωm. Na styku diamentu typu IIb z wolframem obserwuje się prostowanie, przy czym znak prostowania wskazuje na przewodnictwo typu p. W temperaturze 100- 600 oC diament staje się zwykłym półprzewodnikiem typu p. W krysztale diamentu obserwuje się zjawisko fotoelktryczne i fotoprzewodnictwo. Ze względu na dużą wartość pasma wzbronionego (5,4-5,6 eV) a także stabilność chemiczną oraz cieplną diament stosuje się do budowania urządzeń półprzewodnikowych pracujących w wysokich temperaturach (do 500oC). Diament stosuje się w tranzystorach półprzewodnikowych oraz termistorach.
Półprzewodniki typu A3B5 trudno rozpuszczają się w wodzie i są odporne na działanie tlenu w wilgotnym powietrzu (z wyjątkiem związków Al, poddanych hydrolizie). A3B5 stanowią jedyne związki danych pierwiastków ze sobą, przy czym nie obserwuje się odstępstw od składu stechiometrycznego. W stanie równowagi fazę gazową nad A3B5 stanowi lotny składnik B5. Syntezę A3B5 przeprowadza się z uprzednio oczyszczonych A3 i B5, zazwyczaj w zamkniętych kwarcowych naczyniach w temperaturze dobranej z uwzględnieniem dużego ciśnienia pary nasyconej B5 szczególnie (As i P) nad roztopionym materiałem; po syntezie następuje krystalizacja monokryształów półprzewodnika. Połączenie procesów syntezy i krystalizacji monokryształów pozwala uzyskać czystsze półprzewodniki. W półprzewodnikach A3B5 domieszki pierwiastków II grupy stanowią akceptory, zaś pierwiastki VI grupy- donory. Półprzewodniki A3B5 odznaczają się poza tym dużą ruchliwością elektronów, niską ruchliwością dziur oraz małą efektywną masą nośników prądu (tabela 1). Najważniejsze zastosowanie półprzewodników A3B5:
InSb, InAs- odbiorniki w zakresie podczerwieni, czujniki oparte na efekcie Halla;
InP, GaAs, GaP- prostowniki pracujące w podwyższonych temperaturach (diody półprzewodnikowe);
AlSb, GaAs- baterie słoneczne;
GaSb, GaAs- diody tunelowe;
InAs, GaAs, GaP- generatory optyczne;
Półprzewodniki typu A2B6 są trwałymi związkami chemicznymi trudno rozpuszczalnymi w wodzie i odpornymi na działanie powietrza. Substancje typu A2B6 odznaczają się wysoką temperaturą topnienia i dużą prężnością pary nad częścią stopioną. Dlatego też synteza A2B6 zachodzi głównie w fazie gazowej (np. drogą jednoczesnej destylacji wyjściowych składników); niektóre związki takie jak CdTe, HgTe można otrzymywać przez bezpośrednie stopienie. Odchylenie od składu stechiometrycznego (A2B6 mogą rozpuszczać nadmiar A2 i B6) zmienia typ przewodnictwa podobnie jak wprowadzenie regulujących domieszek. Najważniejsze własności półprzewodników typu A2B6 przedstawia tabela 2. Zastosowanie półprzewodników typu A2B6 wiążą się z ich czułością na promieniowanie elektromagnetyczne (fotooporniki, fotokomórki, warstwy fotoczułe w przyrządach elektronowych, dozymetrach, licznikach, itp).
Materiały półprzewodnikowe termoelektryczne i fotoelektryczne
Związki niektórych metali z S, Se i Te tworzą grupy chalkogenidów półprzewodnikowych, charakteryzujące się niewielkimi wartościami szerokości pasma wzbronionego niskimi temperaturami topnienia i dobrymi własnościami termoelektrycznymi (tabela 3). Niektóre spośród określonych powyżej materiałów półprzewodnikowych odznaczają się dużą wartością fotoprzewodnictwa w zakresie podczerwonej części widma fal elektromagnetycznych (np. związki Pb)Syntezę półprzewodników tego typu przeprowadza się przez stopienie w zamkniętych naczyniach kwarcowych lub w otwartych tyglach z topnikiem. Związki Pb mają wykorzystuje się w przyrządach fotoelektrycznych, natomiast Sb2S3 (antymonit) służy do sporządzania warstw światłoczułych. Półprzewodnikami będące pierwiastkami innych grup. Prócz pierwiastków IV grupy półprzewodnikami są także Te, B oraz metaliczny(szary) Se, który wykazuje zawsze przewodnictwo dziurowe, co wiąże się z dużą liczbą defektów sieci krystalicznych (nawet w monokryształach). Selen silnie zmienia przewodnictwo pod wpływem oświetlenia i w związku z tym stosuje się go do budowy prostowników, fotokomórek oraz fotooporników, używa się go także w elektrografii. Przewodność elektryczna telluru prawie nie zależy od oświetlenia; w postaci czystego pierwiastka nie stosuje się go. Bor jest materiałem trudnotopliwym wyróżnia się poza tym stabilnością chemiczną i nie utlenia się nawet podczas ogrzewania w powietrzu do temperatury 700 oC. Przewodność elektryczna boru wzrasta 106 razy przy podgrzewaniu do 800 oC, przy czym ulega zmianie także typ przewodnictwa (w niskich temperaturach- elektronowe, w wysokich- dziurowe).
Półprzewodniki tlenkowe są to trudno topliwe tlenki niektórych (głównie przejściowych) metali takich jak:
Cr2O3 - tlenek chromu (III) MnO - tlenek manganu (II)
Mn3O4 - tlenek manganu Fe2O3 - tlenek żelaza (III)
CoO - tlenek kobaltu (II) NiO - tlenek niklu (II)
Cu2O- tlenek miedzi (I)
oraz związki typu ZnFe2O4, MgCr2O4, LaMnO3, stanowiące mieszaniny różnych tlenków (np. ZnFe2O4→ ZnO + Fe2O3). Ich przewodność elektryczna jest mała (10-5- 10-9 Ω-1m-1) za wyjątkiem magnetytu Fe3O4 (1Ω-1m-1). Przewodnictwo półprzewodników tlenkowych jest typu elektronowego. Produkcja ich jest podobna do produkcji ceramiki. Największe zastosowanie znalazły w budowie termistorów. Tlenek miedzi stosuje się poza tym w prostownikach miedziowych.
Związki metali grup przejściowych z B, C, N, Si, np. krzemki (MoSi2, CrSi2, ReSi2) a także związki B4C, Si3N2, Si3N4, i inne oraz ich stopy tworzą grupę wysokotemperaturowych półprzewodników, wyróżniających się dużą stabilnością chemiczną i cieplną ( np. ReSi2 jest odporny na utlenianie do temperatury 1600 oC). Takie półprzewodniki stosuje się jako materiał do bezpośredniego pomiaru wysokich temperatur w szkodliwych środowiskach. Można je także wykorzystywać do budowy generatorów termoelektrycznych pracujących w wysokich temperaturach.
Związki metali grup przejściowych oraz pierwiastków ziem rzadkich (Eu, Gd, La, itd; również związki U) prócz własności półprzewodnikowych mają cechy typowych materiałów magnetycznych. Półprzewodniki te wykazują szereg anomalnych własności szczególnie w pobliżu temperatury przejścia od stanu uporządkowania magnetycznego do stanu paramagnetycznego.
Krystaliczne organiczne materiały półprzewodnikowe
Do półprzewodników organicznych należą policykliczne węglowodory aromatyczne (naftalen, antracen, Iren i inne), barwniki organiczne, pigmenty (chlorofil, karoten i pigmenty krwi) oraz niektóre polimery (poliazyny, polimery acetylenowe, polizasady Schiffa).
Półprzewodniki organiczne powstają podczas obróbki termicznej i napromieniania wielu polimerów niezawierających wiązań sprzężonych (poliakrylonitryl, polichlorek winylu, polietylen). Do półprzewodników organicznych należą również pewne układy donorowo- akceptorowe 2 związków organicznych oraz związki organiczne tzw. Kompleksy z przeniesieniem ładunku (z ang. charge transfer). Przewodność właściwa półprzewodników organicznych zawiera się w granicach 10-13- 10-1
Ω-1m-1 (kompleksów z przeniesieniem ładunków do 104 Ω-1m-1) w temperaturze pokojowej i zmienia się wraz z temperaturą. Większość półprzewodników organicznych odznacza się fotoprzewodnictwem. Przy natężeniu oświetlenia 100- 1000 lx ( w temperaturze pokojowej) przewodnictwo błonek wykonanych z niektórych barwników wzrasta 100- 1000 razy (w porównaniu z przewodnictwem ciemnym). Półprzewodnikowy charakter przewodnictwa elektrycznego półprzewodników organicznych jest wynikiem dużej ruchliwości elektronów w cząsteczce w granicach sprzężenia łańcucha i stosunkowo niewielkiej energii wzbudzenia elektronów w związkach o rozwiniętym układzie wiązań sprzężonych. W barwnikach organicznych wartość przewodnictwa mieści się w przedziale od 10-11 do 10 Ω-1m-1 a szerokość pasma wzbronionego wynosi od 0,1 do 1 eV, zaś ruchliwość nośników jest bardzo mała rzędu 10-11-10-1 cm2/Vs ze względu na duże odległości między molekułami. Charakterystyczny przykład stanowi ftalocyjanin miedzi CmHnNeCu, którego przewodnictwo wynosi 10-11 Ω-1m-1 i wzrasta pod wpływem światła od 100 do 1000 razy, a nośnikami prądu są dziury. To właśnie dla ftalocyjaninu miedzi po raz pierwszy zaobserwowano zjawisko Halla. Stosuje się go jako materiał na fotoelektrony w widikonach. Styk barwnika z metalem może działać jako fotokomórka prostownicza.
Półprzewodniki polimerowe wykazują zwykle przewodnictwo dziurawe, natomiast ich szerokość pasma wzbronionego wynosi 0,32 - 0,6 eV, a przewodnictwo mieści się w przedziale od 10-8 do 10 Ω-1m-1. Przedstawicielem tego typu półprzewodników jest poliakrylonitryl, którego właściwości zależą od obróbki cieplnej; jego przewodnictwo waha się w granicach od 1,4 x 10-2 do 90 Ω-1m-1, a szerokość pasma wybronionego wznosi 0,75 + 9,2 eV. Półprzewodniki polimerowe stosuje się jako katalizatory heterogeniczne.
Bezpostaciowe (amorficzne) materiały półprzewodnikowe są jedno- dwu, trzy i wieloskładnikowymi substancjami o strukturze bezpostaciowej. Kowalentne wiązania ich sieci są całkowicie wysycane. W bezpostaciowych materiałach półprzewodnikowych najczęściej występują: Si i Ge z IV grupy, P, As, Sb i Bi z grupy V oraz s, Se i Te z grupy VI (chalkogenki). Bezpostaciowym materiałem półprzewodnikowym może być objętościowy Se i Te oraz B; cienkie warstwy Si i Ge; związki As2Te3; wieloskładnikowe stopy chalkogenkowe oraz stopy tlenkowe. Właściwości elektryczne bezpostaciowych materiałów półprzewodnikowych są charakterystyczne dla półprzewodników samoistnych o małej ruchliwości. W modelu pasmowym tych materiałów wyróżnia się energie rozgraniczające stany rozciągłe i zlokalizowane. Gęstość stanów zlokalizowanych jest szybkozmienną funkcją energii (ogony stanów zlokalizowanych). Wiele bezpostaciowych materiałów półprzewodnikowych wykazuje bardzo szybko odwracalną przemianę ze stanu wysokooporowego do stanu niskooporowego (efekt przełączania). Efekt ten znalazł zastosowanie w układach logicznych. Inne materiały bezpostaciowe przechodzą przy przekroczeniu określonego pola elektrycznego w stan o dużo większej przewodności, prawdopodobnie wskutek rekrystalizacji.
Ciekłe materiały półprzewodnikowe
Ważną a jednocześnie najlepiej zbadaną grupą materiałów półprzewodnikowych są stopione tlenki, siarczki, Helenki i tellurki. Wykazują one przewodnictwo elektronowe albo dziurawe. Typowym przykładem ciekłego materiału półprzewodnikowego o przewodnictwie dziurowym jest stopiony selen. W stopionych tlenkach, selenkach, siarczkach i tellurach metali ciężkich (poczynając od metali grupy przejściowej) dominuje zwykle przewodnictwo elektronowe. W dostatecznie wysokich temperaturach może nastąpić zmiana własności cieczy półprzewodnikowych na metaliczne, co jest związane z odpowiednimi zmianami struktury cieczy i charakteru wiązań międzyatomowych. Np. w dwuskładnikowym układzie Te Se obserwuje się zmiany strukturalne ciekłego stopu i zmiany właściwości elektrycznych zarówno przy zmianach składu od czystego Te do czystego Se, jak przy ogrzewaniu. Zmiany temperaturowe wyraźnie wskazują na decydujący wpływ bliskiego uporządkowania na własności półprzewodnikowe. Wszystkie stopy Te- Se mają w stanie ciekłym właściwości elektryczne półprzewodnikowe. W zależności od składu przejścia w stan ciekły różnie wpływa na własności tych stopów. Oporność elektryczna czystego telluru i stopów bogatych w Te po stopieniu i dalszym ogrzewaniu bardzo szybko maleje; w dostatecznie wysokiej temperaturze wykazują one typowe cechy ciekłych metali. W tej grupie stopów obserwuje się w stanie ciekłym wyraźny związek między zmianą właściwości z półprzewodnikowych na metaliczne a zmianą struktury stopionej substancji. Zmiana ta polega na zerwaniu (dysocjacji) wiązań homeopolarnych wzdłuż łańcuchów i wzmocnieniu wiązań metalicznych. Różnica między temperaturą tej zmiany a temperaturą topnienia wzrasta od 80 oC dla czystego Te do kilkuset stopni dla stopów z zawartością 20 - 40 % Se. Zmiany strukturalne tych stopów odbijają się szczególnie widocznie na przebiegu temperaturowym lepkości, która w dostatecznie wysokich temperaturach ma charakter typowo metaliczny, podczas gdy w pobliżu temperatury topnienia obecność cieczy struktury łańcuchowej jest zupełnie wyraźna. Analiza zjawiska wskazuje na konieczność uwzględniania zmiany charakteru wiązań (statystyka bliskiego uporządkowania) podczas nagrzewania. Tłumaczy to również anomalny przebieg temperaturowy gęstości ciekłych stopów o znacznej zawartości Telluru. Obserwowane maksymalne gęstości tych stopów i zmiana charakteru zależności jej od temperatury związane są z szybko postępującą „metalizacją” wiązań w czasie ogrzewania i towarzyszącym jej zagęszczeniem średniego upakowania, zachodzącym szybciej niż normalne zjawisko rozszerzalności cieplnej.
Stopy o dużej zawartości selenu zachowują się zachowują się zupełnie inaczej niż stopy bogate w tellur. Oporność elektryczna ciekłych stopów bogatych w Se jest znacznie większa niż ich oporność w stanie stałym. Zależność od temperatury oporności takich ciekłych stopów jest typowo półprzewodnikowa. Lepkość ich nawet w wysokiej temperaturze jest znacznie większa niż ciekłych metali. Do 800 oC właściwości metaliczne właściwie się nie objawiają. Przejściu ze stanu stałego w ciekły towarzyszy znaczny wzrost objętości wynikający z rozluźnienia wiązań między łańcuchami, których zbudowana jest sieć krystaliczna tych substancji. Innymi przykładami zmian właściwości półprzewodnikowych przy przechodzeniu w stan ciekły jest są zmiany przewodności elektrycznej i gęstości Si, Ge, GaSb, Inst., HgSe, Hg,Te .
Zależność od temperatury T(w oC) przewodności elektrycznej (w Ω-1 cm-1 ) i gęstości d (w gcm-3) krzemu, germanu, GaSb, Inst., HGTe, HgSe w stanie stałym i ciekłym; Tm temperatura zmiany właściwości półprzewodnikowych na metaliczne.
W Si stwierdzono doświadczalnie wzrost gęstości przy topnieniu. Topnieniu Si, Ge, GaSb, i Inst. Towarzyszy znaczny wzrost przewodności elektrycznej do wartości typowych dla dla ciekłych metali oraz odpowiednia zmiana współczynnika termicznego oporności. Substancje te są, zatem w stanie stałym półprzewodnikami, a w stanie ciekłym metalami. Charakter dominujących wiązań zmienia się, więc z homeopolarnego na metaliczny. Gęstość Si, Ge, GaSb, InsSb w stanie ciekłym jest większa niż w stanie stałym, co jest związane ze zmianą bliskiego uporządkowania w kierunku zwiększenia liczby koordynacyjnej. Dane te znajdują potwierdzenie w badaniach struktury tych substancji metodami rentgenograficznymi i elektronograficznymi.
-||-
DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Złącze PN stanowi podstawę diod półprzewodnikowych. Rozpatrzmy właściwości złącza poddanego napięciu. Na poniższym rysunku pokazano złącze PN, którego półprzewodnik typu N został połączony z dodatnim, a półprzewodnik typu P z ujemnym biegunem źródła napięcia. Dodatkowo pole elektryczne wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane zgodnie z polem ładunków przestrzennych - bariera potencjału zostaje przez to zwiększona, co jeszcze bardziej utrudnia dyfuzję.
Rysunek przedstawia działanie zaporowe złącza:
a) układ połączeń (1 - jon donorowy, 2 - jon akceptorowy); b) wykres potencjału przy wyłączniku w otwartym (3) i zamkniętym (4)
Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że biegun dodatni źródła odciąga elektrony obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza, wobec czego w strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego, pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku. Mówimy, że przy takim połączeniu złącze działa zaporowo. W kierunku zaporowym może płynąć minimalny prąd, zwany prądem wstecznym. Gdy na odwrót połączymy półprzewodnik typu P z dodatnim, a półprzewodnik typu N z ujemnym zaciskiem źródła napięcia, wówczas pole wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane przeciwnie do pola do pola warstwy zaporowej.
Rysunek przedstawia złącze w stanie przewodzenia:
a) układ połączeń (1 - jon donorowy, 2 - jon akceptorowy); b) wykresy potencjału przy włączniku w otwartym (3) i zamkniętym (4)
Wtedy bariera potencjału zostanie obniżona, co wyraźnie ułatwia dyfuzję. Elektrony półprzewodnika typu P są odpychane przez biegun ujemny źródła w kierunku warstwy zaporowej i mogą łatwo przekroczyć barierę potencjału. Natomiast dziury półprzewodnika typu N są odpychane przez biegun dodatni źródła w kierunku złącza. Szerokość warstwy jonów ulega zmniejszeniu. Przy takim połączeniu złącza przepływ prądu jest ułatwiony. Kierunek od obszaru P do N nazywamy kierunkiem przewodzenia, a kierunek od obszaru N do P - kierunkiem zaporowym lub wstecznym. Przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, jeżeli obszar ładunku przestrzennego jest szeroki, to nośniki ładunku przechodząc przez ten obszar nabierają dużej energii. Przy odpowiednio dużej wartości napięcia wstecznego, poruszające się nośniki zderzają się z elektronami znajdującymi się w siatce krystalicznej, przekazując im swoją energię. W wyniku tego elektrony te opuszczają siatkę krystaliczną, stając się elektronami swobodnymi. Są one znów przyspieszane i mogą wygenerować dalsze. Proces nabiera charakteru lawinowego. Wskutek jonizacji lawinowej następuje bardzo duży wzrost liczby przepływających elektronów, a więc bardzo duży wzrost prądu.
Rysunek przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową diody krzemowej
Widać, że złącze PN umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku - w kierunku przewodzenia. Po przekroczeniu tzw. napięcia progowego U(TO) (dla krzemu wynosi ono ok. 0,7V, a dla germanu ok. 0,2V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko. Natomiast przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały - wiele tysięcy razy mniejszy niż w kierunku przewodzenia. Mówimy, że złącze PN ma wartości prostownicze. Przy dużym napięciu wstecznym (po przekroczeniu tzw. napięcia przebicia U(BR)) rozpoczyna się zjawisko przebicia lawinowego, a więc szybkie narastanie prądu przy prawie stałym napięciu na diodzie. Może to spowodować zniszczenie diody, jeżeli nie ograniczy się prądu przez włączenie szeregowo dodatkowej rezystancji.
Charakterystyki złączy PN znacznie zależą od temperatury. Przede wszystkim ze zmianami temperatury zmienia się prąd wsteczny. W przybliżeniu zwiększa się on ok. dwukrotnie przy wzroście temperatury o 10K. Zmiany prądu są rzędu 5% przy zmianach temperatury o 1K. Obecnie diody półprzewodnikowe wykonuje się prawie wyłącznie z krzemu, rzadziej z germanu, jako diody ostrzowe i warstwowe.
Diody ostrzowe mają małą obciążalność prądową, ale mogą pracować przy wielkich częstotliwościach (do kilkunastu gigaherców).
Diody warstwowe wytwarzane są głównie z krzemu. Prądy przewodzenia tych diod wynoszą nawet do kilku tysięcy amperów, a napięcie wsteczne do kilku tysięcy woltów.
Diody uniwersalne charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć wstecznych (do kilkuset woltów) i prądów przewodzenia (do kilkuset miliamperów). Częstotliwość ich pracy nie przekracza kilkudziesięciu megaherców. Łącząc taką diodę z rezystorem otrzymuje się najprostszy stabilizator napięcia.
Diody pojemnościowe (warikap) wykorzystują pojemność złącza PN przy jego polaryzacji w kierunku zaporowym. Pojemność ta, rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu pikofaradów, zależy od napięcia. Diody te stosuje się np. w odbiornikach radiowych do dostrajania częstotliwości (układy tzw. automatycznej regulacji częstotliwości ARCz), w głowicach telewizyjnych do zmiany i dostrajania kanałów itp.
TRANZYSTOR
Tranzystor bipolarny jest to element półprzewodnikowy o dwóch złączach PN i np., wykonanych w jednej płytce półprzewodnika.
Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury, o czym świadczy przymiotnik : bipolarny. Możliwe jest przy tym dwojakie uszeregowanie obszarów o różnym typie przewodnictwa: PNP (pierwszy rysunek) i NPN (drugi rysunek), dające dwa przeciwne typy tranzystorów.
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji PNP
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji NPN
Zasada ich działania jest jednakowa, różnice występują tylko w kierunku zewnętrznych źródeł napięcia i w kierunkach przepływu prądów.
W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika stykające się z elektrodami są oznaczone: E- emiter, C- kolektor, B- baza.
Rozpatrzmy działanie tranzystora bipolarnego kożystając z poniższych rysunków.
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji PNP
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji NPN
Na rysunkach tych pokazano strukturę tranzystora NPN wraz z zewnętrznymi źródłami zasilania, miliamperomierzami w gałęziach emitera i kolektora oraz mikroamperomierzem w gałęzi bazy.
emitera i kolektora oraz mikroamperomierzem w gałęzi bazy. Przy zamkniętym tylko wyłączniku w1 płynie jednakowy prąd przez miliamperomierz mA1 i mikroamperomierz μA1 tak jak w diodzie półprzewodnikowej. Elektrony z obszaru N emitera przechodzą przez obniżoną barierę potencjału, a następnie ich ubytek jest uzupełniany przez biegun ujemny źródła napięcia UBE. Jeżeli teraz zamkniemy włącznik w2, to stwierdzimy nie zmienione odchylenie wskazówki miliamperomierza mA1, znaczne zmniejszenie odchylenia wskazówki mikroamperomierza μA2 i jednoczesne odchylenie wskazówki miliamperomierza mA3. Na rysunkach tych zaznaczono prądy IE w gałęzi emitera, IB w gałęzi bazy oraz IC w gałęzi kolektora. Zwroty strzałek prądów są oczywiście przeciwne do kierunków ruchu elektronów. Zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa
Przedstawione powyżej zjawisko tłumaczy w ten sposób, że elektrony przeskakują obniżoną barierę potencjału złącza emiter-baza i rozpędzone przechodzą łatwo niewielką grubość bazy, dostając się do złącza baza-kolektor, skąd zostają wychwytane przez kolektor połączony z biegunem dodatnim UCB.
Praktycznie od 90% do 98% nośników ładunku oddanych przez emiter do bazy dochodzi do kolektora: IC = 0,90 ÷ 0,98 IE. Prąd w gałęzi bazy
Małym zmianom prądu bazy odpowiadają wielokrotnie większe zmiany prądu kolektora. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywa się wielkosygnałowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie ze wspólnym emiterem OE (WE)
Podobny wzór obowiązuje również dla małych zmian prądu kolektora ∆IC i małych zmian prądu bazy ∆IB, czyli:
Współczynnik β0 nazywa się małosygnałowym współczynnikiem wzmosnienia prądowego tranzystora w układzie WE (OE). Współczynnik β i β0 nie różnią się zbytnio od siebie i często są nazywane w skrócie wzmocnieniami prądowymi tranzystora. Wartości ich wynoszą od kilkunastu (tranzystory dużej mocy) do kilkuset, a nawet kilku tysięcy (tranzystory małej mocy).
Tranzystor bipolarny jest zatem elementem wzmacniającym, gdyż małe zmiany prądu bazy powodują duże zmiany prądu kolektora.
W układzie o wspólnym emiterze - oznaczanym WE lub OE sygnał jest doprowadzony między emiter i bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i emiter. Emiter stanowi elektrodę wspólną dla źródła sygnału i obciążenia.
Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o wspólnym emiterze OE
W układzie o wspólnym kolektorze - oznaczanym WC lub OC sygnał jest doprowadzony między bazę i kolektor, a obciążenie jest włączone między emiter i kolektor. Kolektor stanowi elektrodę wspólną dla źródła sygnału i obciążenia
Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o wspólnym kolektorze OC
W układzie o wspólnej bazie - oznaczanym WB lub ob. sygnał jest doprowadzany między emiter i bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i bazę. Baza stanowi elektrodę wspólną dla źródła sygnału i obciążenia.
Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o wspólnej bazie OB
Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczona w hermetycznie zamkniętej obudowie metalowej, ceramicznej lub plastykowej. Obudowa ta nie tylko chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale spełnia również inne funkcje. Na przykład w tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia skuteczne odprowadzanie ciepła.
W tranzystorach unipolarnych - nazywanych też tranzystorami polowymi - wykorzystuje się zmiany prądu płynącego przez płytkę półprzewodnika typu N lub P, wywołane poprzecznym polem elektrycznym
Tranzystory te dzieli się na dwie zasadnicze grupy: tranzystory polowe złączowe FET (z ang. Field-Effect Transistor - co znaczy tranzystor wykorzystujący efekt polowy) i tranzystory polowe z izolowaną bramką MOS, MOSFET (z ang Metal-Oxide Semiconductor - co znaczy metal-tlenek półprzewodnik).
Rozpatrzmy zasadę działania tranzystora FET.
Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: przepływ prądu przez płytkę półprzewodnikową
Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: zwężenie kanału i zmiana jego konduktancji przez napięcie bramki
Płytka półprzewodnika typu P (lub N) po dołączeniu źródła napięcia przewodzi prąd, a jej konduktancja jest tym większa, im więcej jest atomów domieszki. Jeżeli dołączymy do elektrody S, zwanej źródłem, dodatni biegun źródła napięcia UDS, a do elektrody D, zwanej drenem, biegun ujemny, to dziury będą się przemieszczać w kierunku drenu. Warstwa półprzewodnika, w której odbywa się przepływ ładunków nazywa się kanałem. Gdyby płytka była wykonana z półprzewodnika typu N, to prąd byłby wywołany przepływem elektronów. Należałoby wówczas zamienić biegunowość źródła napięcia UDS. Zgodnie z prawem Ohma, przy stałej wartości napięcia UDS, prąd płynący przez płytkę można zmienić przez płytkę można zmieniać przez zmianę konduktancji kanału. Konduktancję tę zmienia się za pomocą pola elektrycznego. Na powierzchnię płytki nakłada się elektrodę sterującą G, zwaną bramką. Jeżeli do bramki G doprowadzimy napięcie dodatnie względem źródła S, to złącze PN, powstałe między bramką a kanałem, będzie odpychać dziury zdążające do drenu, gdyż jest ono polaryzowane zaporowo. Nastąpi zwężenie kanału, co utrudni przepływ dziur. Napięcie bramki UGS zwęża więc kanał i zwiększa jego rezystancję.
TYRYSTORY
Tyrystor jest to element półprzewodnikowy o trzech złączach wykonanych w jednej płytce półprzewodnika typu P lub N. Ma on trzy elektrody: katodę K, bramkę G i anodę A
Rysunek przedstawia symbol graficzny tyrystora
Pod względem działania można go uważać za diodę półprzewodnikową sterowaną. Przewodzi on prąd jednokierunkowo, tj. od anody do katody. Elektrodą sterującą jest bramka. Z punktu widzenia użytkownika tyrystor jest wyłącznikiem w, zamykanym za pomocą dodatniego prądu bramki.
Rysunek przedstawia schemat zastępczy tyrystora
Schemat budowy tyrystora przedstawiono poniżej. Na płytkę półprzewodnikową typu P, oznaczoną na rysunku przez P1, nałożono warstwy półprzewodnikowe N1, N2, a następnie na N2 warstwę P2. Złącza między nimi oznaczono przez z1 (N1P1), z2 (P1N2) i z3 (N2P2). Elektroda zewnętrzna P2 stanowi anodę, a elektroda N1 - katodę.
Rysunek przedstawia budowę tyrystora i schemat jego włączania
Jeżeli do anody doprowadzimy zacisk (-) ze źródła napięcia, a do katody zacisk (+), to prąd w tym obwodzie nie popłynie, bo złącza z1 i z3 będą działać zaporowo. Jeżeli natomiast anodę połączymy z zaciskiem (+), a katodę z zaciskiem (-) źródła napięcia przez zamknięcie wyłącznika w1 (na powyższym rysunku) przy otwartym wyłączniku w2, to złącze z2 będzie działać zaporowo i prąd również nie popłynie. Układ złączy możemy traktować jako tranzystor o bazie P1. doprowadzając niewielkie napięcie między bazę P1 a katodę N1, która odgrywa rolę emitera, możemy zniweczyć zaporowe działanie warstwy z2. Po zamknięciu wyłącznika w2, przy zamkniętym wyłączniku w1, zaobserwujemy odchylenie wskazówki amperomierza.
Na tym polega działanie sterujące tyrystora. Elektroda P1, nazywana bramką, jest elektrodą sterującą
Zjawisko wzmocnienia prądu przez urządzenie oparte na krzemie zaobserwował William Shockley 29 grudnia 1939r. A 24 grudnia 1946 Walter Brattain i John Bardeen opisali jak działa tranzystor
Zostało to odkryte dośc przypadkowo. Badając przepływ prądu między igłą ze złota a germanem pokrytym tlenkiem, Brittain przez nieuwagę uszkodził warstwę tlenku powodując nagły wzrost prądu - co Bardeen obecny przy doświadczeniu natychmiast wyjaśnił zjawisko jako injekcję dziur.
FOTODIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA
Jest to półprzewodnik spolaryzowany w kierunku zaporowym, w której pod wpływem natężenia oświetlenia padającego przez mały otwór w obudowie zmienia się prąd wsteczny i fotodioda zaczyna wytwarzać napięcie. Moc tego ogniwa jest jednak niewielka i główne zastosowanie znalazła ona w układach pomiarowych fotometrycznych.
TERMISTOR
Jest to opornik półprzewodnikowy którego oporność zależy w głównym stopniu od temperatury. Półprzewodnik ten jest stosowany głównie jako czujnik temperatury, np.: w elektronicznych przyrządach pomiarowych, które można spotkać w samochodach, pralkach bądź piekarnikach.
UKŁAD SCALONY
To mikrominiaturowy układ elektroniczny odznaczający się tym, że wszystkie, lub znaczna część jego elementów są wykonane nierozłącznie w jednym cyklu technologicznym, wewnątrz lub na powierzchni wspólnego podłoża którym jest obecnie najczęściej płytka monokrystalicznego krzemu o wymiarach milimetrowych. Układ scalony który można nabyć w handlu, zawarty jest w obudowie chroniącej go przed wpływem czynników zewnętrznych (zanieczyszczenia, wilgoć, czynniki mechaniczne).
Układy scalone można różnie klasyfikować.
Pod względem cech technologiczno-konstrukcyjnych dzieli się je na półprzewodnikowe i warstwowe.
Półprzewodnikowym układem scalonym jest układ, w którym zarówno elementy czynne (dioda, tranzystor) jak i bierne (rezystor, kondensator, cewka), są wytworzone w monokrystalicznej płytce półprzewodnikowej za pomocą odpowiednich procesów fizyko-chemicznych z zachowaniem ciągłości mechanicznej kryształu - elementy są nierozłączne, jeden przechodzi w drugi i nie można układu naprawić.
Warstwowym układem scalonym nazywa się taki układ, który zawiera elementy bierne w postaci warstw różnych materiałów naniesionych na bierne podłoże izolacyjne - najczęściej na podłoże ceramiczne. Elementy czynne (półprzewodnikowe), są do układu warstwowego dolutowywane zewnętrznie.
W zależności od stopnia rozbudowania, układy scalone dzieli się na:
1. SSI (small scale integration) - zawierający do 10 komórek elementarnych
2. MSI (medium ...) - układ zawiera do 100 komórek (wymiary się nie zmieniają),
3. LSI (large ...) od 100 do 1000 komórek w jednej strukturze,
4. VLSI (very large ...) ponad 10 000 do 1 mln komórek (powiązania z mikroprocesorem).
Z pewnością możliwości wykorzystania półprzewodników wzrosły dzięki odkryciu dokonanym przez polskiego uczonego Jana Czochralskiego.
Jest to sposób otrzymywania dużych kryształów półprzewodników np. krzemu lub arsenku galu. Mały zarodek kryształu jest powoli wyciągany z tygla, który zawiera stopioną substancję. Podczas takiego wyciągania kolejne warstwy atomów dołączają do zarodka, oblepiają go, zastygają na nim i powiększają. W ten sposób tworzy się coraz większy, idealny kryształ. Po upływie 80 lat, mimo opracowania innych metod, metoda Czochralskiego króluje w laboratoriach i fabrykach. Dzisiaj wytwarza się kryształy krzemu o wadze kilkudziesięciu kilogramów i średnicy kilkudziesięciu centymetrów.
Tylko w materiale, który jest zbudowany z idealnej sieci krystalicznej, można zapanować nad zjawiskami elektrycznymi, które dzieją się w skali mikrometrów. Duże kryształy krzemu i arsenku galu, czyli tzw. monokryształy, są tworzywem współczesnej elektroniki. Tnie się je na cieniutkie płytki, a na nich umieszcza tranzystory i ścieżki dla prądu. W ten sposób powstają układy scalone i procesory, które znajdują się w niemal wszystkich dzisiejszych urządzeniach, m.in. silnikach samochodowych, komputerach, kuchenkach mikrofalowych itp.
Bez metody Czochralskiego nie byłoby współczesnej elektroniki.
-||-
Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).
Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest prostowanie (tj. umożliwianie przepływu prądu tylko w jedną stronę) prądu przemiennego, jednak ich gama zastosowań jest o wiele szersza, w związku z tym rozróżniamy następujące rodzaje diod:
Laser półprzewodnikowy (laser diodowy, dioda laserowa) - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n i obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny.
Spis treści [ukryj] |
Lasery złączowe:
struktura biheterozłączowa
Lasery bezzłączowe:
Pierwsze lasery półprzewodnikowe powstały niemal równocześnie w 1962 w czterech laboratoriach amerykańskich [1] [2] [3] [4] i jednym radzieckim[5]. W większości z tych laserów złącze wykonane było z arsenku galu. W jednym przypadku był to fosforo-arsenek galu. Pierwszy laser półprzewodnikowy w Polsce został wykonany w 1966 przez Bohdana Mroziewicza w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN. [6] Pierwsze lasery półprzewodnikowe oparte były na strukturze homozłączowej i pracowały wyłącznie w niskich temperaturach.
W 1963 Herbert Kroemer[7] i Żores Alfierow[8] niezależnie zaproponowali zastosowanie struktury heterozłączowej w celu polepszenia sprawności emisji wymuszonej.
Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysoką wydajność, lasery półprzewodnikowe są dzisiaj najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów, znajdują zastosowanie między innymi w napędach CD, DVD, wskaźnikach laserowych, łączności światłowodowej.
Laser półprzewodnikowy w obudowie przy monecie jednocentowej
Tranzystor - trójelektrodowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Według oficjalnej dokumentacji z Laboratoriów Bella nazwa urządzenia wywodzi się od słów transkonduktancja (transconductance) i warystor (varistor), jako że "element logicznie należy do rodziny warystorów i posiada transkonduktancję typową dla elementu z współczynnikiem wzmocnienia co czyni taką nazwę opisową"[1].
Spis treści [ukryj] |
Pierwsze trzy patenty tranzystora zostały udzielone w 1928 r. w Niemczech Juliusowi Edgarowi Lilienfeldowi. On jednak prawdopodobnie nie wykorzystał swoich projektów i tranzystora nie skonstruował - dopiero eksperyment przeprowadzony w latach 90. XX wieku wykazał, że jeden z nich działałby prawidłowo.
Pierwszy tranzystor został skonstruowany 16 grudnia 1947 roku w laboratoriach firmy Bell Telephone Laboratories. Wynalazcami są John Bardeen, Walter Houser Brattain oraz William Bradford Shockley, za co otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1956.
Pierwszym tranzystorem produkowanym w małych ilościach w Polsce był tranzystor ostrzowy TC1. Pierwszymi produkowanymi na skalę przemysłową przez Tewę były germanowe tranzystory stopowe TG1 i TG2.
Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w elektronice, zastąpił on bowiem duże, zawodne lampy elektronowe, dając początek coraz większej miniaturyzacji przyrządów i urządzeń elektronicznych.
Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania.
Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje bardzo szerokie zastosowanie. Jest oczywiście wykorzystywany do budowy wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy (akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki czy generatory.
Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie, co stało się motorem do bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu latach. Tranzystory są także podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych (RAM, ROM, itp.).
Dzięki rozwojowi technologii oraz ze względów ekonomicznych większość wymienionych wyżej układów tranzystorowych realizuje się w postaci układów scalonych. Co więcej, niektórych układów, jak np. mikroprocesorów liczących sobie miliony tranzystorów, nie sposób byłoby wykonać bez technologii scalania.
W roku 2001 holenderscy naukowcy z Uniwersytetu w Delft zbudowali tranzystor składający się z jednej nanorurki węglowej, jego rozmiar wynosi zaledwie jeden nanometr (10 − 9 m), a do zmiany swojego stanu (włączony / wyłączony) potrzebuje on tylko jednego elektronu. Naukowcy przewidują, że ich wynalazek pozwoli na konstruowanie układów miliony razy szybszych od obecnie stosowanych, przy czym ich wielkość pozwoli na dalszą miniaturyzację elektronicznych urządzeń. [2]
replika pierwszego tranzystora
Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury. Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu i litu. Od rodzaju i proporcji użytych tlenków zależą właściwości termistora.
NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji;
PTC - (pozystor) o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive temperature coefficient), wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji;
CTR - o skokowej zmianie rezystancji (ang. critical temperature resistor) - wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek rezystancji. W termistorach polimerowych następuje szybki wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe), a w ceramicznych zawierających związki baru, spadek.
R - rezystancja nominalna, znormalizowana podawana jest zazwyczaj w temperaturze 25°C jako R25
a - TWR - Temperaturowy Współczynnik Rezystancji (dla termistorów typu CTR podaje się temperaturę krytyczną)
P - dopuszczalna moc
Dla termistorów (z wyjątkiem typu CTR) dla niezbyt dużych różnic temperatur zależność rezystancji od temperatury można uznać za liniową, co można wyrazić wzorem:
R = R0 * [1 + a * (T − T0)]
gdzie
R - rezystancja termistora w temperaturze T
R0 - rezystancja w temperaturze odniesienia T0
a - główny współczynnik temperaturowy termistora.
Dla termistorów PTC współczynnik a jest większy od zera, a dla NTC mniejszy od zera.
Zmiana temperatury wewnętrznej termistora, a tym samym i jego rezystancji może być powodowana zmianą temperatury otoczenia lub też zmianą natężenia prądu płynącego przez termistor (wydzielanej mocy elektrycznej).
Temperatura termistora zależy od wydzielanej w nim mocy zgodnie z zależnością:
T = K * PT + Ta
gdzie
T - temperatura termistora
Ta - temperatura otoczenia
PT - moc wydzielana w termistorze
Zależność oporu R termistora typu NTC od temperatury T (w kelwinach) wyraża się wzorem:
gdzie
R0 - stała termistora,
czujniki temperatury (KTY), w układach kompensujących zmiany parametrów obwodów przy zmianie temperatury, w układach zapobiegających nadmiernemu wzrostowi prądu, do pomiarów temperatury,
elementy kompensujące zmianę oporności innych elementów elektronicznych np. we wzmacniaczach i generatorach bardzo niskich częstotliwości.
ograniczniki natężenia prądu (bezpieczniki elektroniczne) - termistory typu (CTR), np. w układach akumulatorów telefonów, zapobiegając uszkodzeniu akumulatorów w wyniku zwarcia lub zbyt szybkiego ładowania.
Czujniki tlenu.
Hallotron jest urządzeniem, którego zasada działania opiera się na (klasycznym) efekcie Halla. Najpopularniejszym jego zastosowaniem jest pomiar pola magnetycznego.
Hallotrony wykonywane są na bazie materiałów półprzewodnikowych (najczęściej arsenek indu InAs, antymonek indu InSb), z materiałów litych (german) oraz w technologii warstwowej. Ze względu na potrzeby metrologiczne (np.: pomiary pól w szczelinach), jak i racjonalnej konstrukcji określającej ich wysoką czułość, wykonywane są jako możliwie cienkie - ułamek milimetra, oraz wąskie - od 1 do 3 mm.
Zastosowanie:
do pomiaru wielkości innych niż elektryczne, np. kąt obrotu (na części wirującej zamocowany jest magnes współpracujący z nieruchomym hallotronem), przesunięcie, drgania mechaniczne, ciśnienie,
w układach wykonujących operacje matematyczne i logiczne,
jako kompas.
Zastosowanie hallotronu umożliwiło budowę tanich silniczków prądu stałego np. do wentylatorków, używanych np. w komputerach. Silniczek taki jest wykonany jako silnik prądu przemiennego i charakteryzuje się brakiem komutatora, oraz łatwością regulacji obrotów. Wirnik silnika jest magnesem, natomiast cewki stojana są zasilane poprzez układ elektroniczny. Hallotron wykrywa położenie magnesu i tak steruje załączaniem poszczególnych uzwojeń, aby nadać wirnikowi ruch obrotowy.
Andrzej Kobus, Janusz Tuszyński, Lech Zygmunt, Technika hallotronowa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1980 r.
W. Giriat, J. Raułuszkiewicz Hallotrony. Zastosowanie zjawiska Halla w praktyce, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1961 r,
Pasmo przewodnictwa |
Pasmo zabronione |
Pasmo podstawowe |
Wg |
X |
W |
Rekombinacja |
Generacja |
Wpr |
Wc |
Wv |
X |
0 |
L |
W |
T >0 K |
Foton
|
Foton
|
1000/T |
0,5 |
3,5 |
1/K |
1013 |
1017 |
1015 |
1019 |
1021 |
1023 |
1025 |
ni |
1,5 |
1 |
2,5 |
2 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
P +5 |
Elektron nadmiarowy |
Pasmo podstawowe |
Poziom donorowy |
Pasmo przewodnictwa (nadmiar elektronów) |
Elektrony
|
X |
W |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
Si +4 |
In +3 |
Dziura
|
Pasmo podstawowe (nadmiar dziur)
|
Poziom akceptorowy |
Pasmo przewodnictwa |
Dziury
|
X |
W |
Wyszukiwarka