POLOVODIČE

POLOVODIČE

Elektronové pásy – pásy pro elektrony dovolených energií

Zakázané energetické pásy – pásy zakázaných energií

Šířka těchto pásů závisí na vazební energii mezi elektronem a jádrem.

Parametr P – vypovídá o šířce pásma

Pásy mohou být zcela zaplněny elektrony, nebo jen částečně, nebo vůbec.

Valenční pás – nejvyšší energetický pás zaplněný elektrony

- odpovídá vnější hladině izolovaného atomu.

Vodivostní pás– je nejblíže valenčnímu pásu – umožňuje vlastní vodivost

Vzájemná poloha těchto pásů určuje charakter látky kterou určujeme.

Kovové vodiče – mají valenční pás zcela zaplněn, valenční pás se většinou překrývá s

vodivostním pásem.

Polovodiče – valenční a vodivostní pás jsou odděleny zakázaným pásem

s šířkou <3eV běžně 1eV

Izolanty – valenční a vodivostní pás jsou odděleny zakázaným pásem

s šířkou >3eV běžně 10eV

eV

3eV 1eV

0 p

izolant polovodič kov

Při pokojové teplotě je střední hodnota nábije elektronu 0,04 eV.

Rekombinace – návrat elektronů z vodivostního pásu do valenčního pásu.

Pokud je v látce nějaká příměs tak vznikají nové energetické hladiny.

POLOVODIČE

Existence homopolární (kovalentní) vazby v molekule může být částečně nahrazeno iontovou.

Sloučeninové polovodiče:

V sloučeninách roste podíl iontové vazby s roztoucím počtem elektronegativních prvků.

Jsou to látky s elektrickou vodivostí. Rozhodující je konduktivita která bývá při

. Vyznačují se tepelnou závislostí konduktivity.

Optické záření vyvolává vnitřní fotoefekt,

působení vnějších sil vyvolává změnu elektrické vodivosti,

při nízkých teplotách nepřechází do suprevodivého stavu.

Jsou ovlivněny i množstvím příměsi, výskytem strukturálních poruch v krystalové mřížce – typ vodivosti, konduktivitou, dobou života elektronů.

Vlastní polovodiče

Neobsahují žádné aktiví příměsy v krystalické mřížce. Volné nosiče elektrického náboje jsou generovány různým typem energií. Při teplotě blízké absolutní nuly jsou všechny elektrony vázány ke svým atomům (je tedy ideální izolant).

Při vyšších teplotách se mohou některé valenční elektrony vlivem tepelné energie uvolnit a stanou se volnými nosiči, přemístí se do vodivostního pásu. Ve vodivostním pásu vznikne díra (místní porucha neutrality), která se projevuje jako přebytek kladného náboje. Tato díra se může pohybovat – princip děrové vodivosti polovodičů.

Nevlastní polovodiče (Příměsové polovodiče).

Obsahují ve své krystalové mřížce poruchy (substituční, strukturní), nebo příměsi.

Poruchy elektricky aktivní – způsobují změnu velikosti, typu vodivosti polovodiče.

Je to změna v pásové struktuře polovodiče.

Poruchy elektricky neaktivní – neprojevují žádnou změnu.

S rostoucím počtem příměsí (poruch) se budou zvětšovat šířky hladin v zakázaném pásu a může dojít až k překrytí tzv. Degeneraci polovodiče.

PN – přechod – prostorová změna typu polovodiče

Polovodič typu P

Dotace trojmocným prvkem (bor, indium, hlinik

příměsové substituční atomy), zůstane tam

nenasycená kovalentní vazba.

Akceptory jsou trojmocné příměsové prvky které se chovají jako záporné ionty.

Aktivační energie akceptorů – je to energie kterou musí získat elektron aby mohly zaplnit nenasycené vazby (přestoupit z valenčního pásu do akceptované energetické hladiny) koncentrace volných děr.

Polovodič typu N

Příměsi tvoří pětimocné prvky (fosfor, arzen …)

Donory – atomům přebývá jeden elektron který přestoupí do vodivostního pásu.

Aktivační energie donorů – energie potřebná k uvolnění přebývajícího elektronu. Koncentrace volných elektronů je větší než koncentrace volných děr.

vodivostní pás

valenční pás

Kompenzovaný polovodič – obsahuje vodivost P i N

Základní jevy v polovodičích

Polovodiče v rovnovážném stavu

Podmínky pro stav termodynamické rovnováhy: elektrická neutralita (celkový elektrický

náboj se rovná 0), tepelná rovnováha

Generace nosičů elektrického náboje – část elektronů získá tepelnými kmity energii a

začnou přestupovat z valenčního pásu do vodivostního pásu.

Rekombinace- ve stavu termodynamické rovnováhy má stejnou rychlost generace i

rekombinace.

Koeficient rekombinace – pravděpodobnost rekombinace nosičů

R – počet rekombinací

n – koncentrace valenčních elektronů

p – koncentrace děr

Polovodiče v nerovnovážném stavu:

Odchylka od rovnovážných koncentrací minoritních a majoritních nosičů elektrického náboje.

Majoritní porucha – porucha elektrické rovnováhy a v důsledku toho se vytváří prostorový

náboj který vede ke vzniku vnitřního elektrického pole, není stálé (s časem se zmenšuje) a

doba než dojde k zániku se nazývá relaxační čas.

Minoritní porucha – přechod PNP, NPN – nadbytečná koncentrace minoritních nosičů

poruší tepelnou rovnováhu, protože se změní elektrické uspořádání, zvýší se rekombinace,

vyskytuje se rozdíl mezi generovaným a rekombinovaným počtem.

Doba je tím menší čím je větší koeficient rekombinace nosičů nábojů.

Transportní jevy v polovodičích

Pohyb volných elektronů krystalovou mřížkou se uskutečňuje střední termickou rychlostí, která je při pokojové teplotě asi 100 km/s.

Máme dva druhy rozptylu – izotropní rozptyl – jednorázový mřížkový proces, po srážce

elektron získá zcela náhodný směr a rychlost.

- anyzotropní rozptyl – narozdíl od izotropního je to vícenásobný

srážkový proces kdy se už výrazně změní rychlost I směr pohybu.

Je typický pro srážky s iontovými příměsi.

Mechanismus rozptylu – závisí na druhu poruchy, nebo částici se kterou se elektron srazil.

Mřížkový rozptyl – dochází k němu při pružných nárazech elektronu s mřížkou krystalu (izotropní), nebo při vyšších teplotách kdy elektrony mají vyšší termickou energii.

Rozptyl na ionizovaných příměsích – dochází zde k silovým působením coulombovského pole ionizované příměsi.

Rozptyl na neionizovaných příměsích - i na strukturních plochách, nehrají příliš velkou roli.

Každý z těchto mechanismů je charakterizován relaxační dobou.

Pohyblivost nosičů nábojů

Když necháme na polovodič působit elektrické pole o určité intenzitě, tak vyvolá přírůstek rychlosti pohybu elektronu za určitou dobu.

Unášivá (driftová) rychlost elektronu

Vzhledem k tomu, že se elektrony a díry liší svými hmotnostmi tak se budou lišit růyné vodivosti polovodičů.

Při nízké teplotě je energie fotonů nízká a převládá rozptyl na ionizačních nosičích, pohyblivost bude vzrůstat.

Při vysoké teplotě – je energie fotonů vysoká a převládá mřížkový rozptyl, pohyblivost bude klesat. Čím je větší koncentrace elektronů, tím klesá jejich pohyblivost.

Platnost ohmova zákona pro polovodiče

Podmínky: polovodič bude mít konstantní teplotu,

dostatečně nízká intenzita elektrického pole

aby unášivá rychlost nosičů byla zanedbatelná proti termické rychlosti.

Proudová hustota:

- unášivá rychlost elektronu

q - elektrický náboj

n - koncentrace volných elektronů

pro elektrony i díry:

ohmův zákon:

- konduktivita polovodiče [S/m]

- pohyblivost elektronů

- pohyblivost děr

Hallův jev v polovodičích

Označujeme proces generace hallova elektrického pole za současného působení vnějšího elektrického a magnetického pole.

Pokud vložíme polovodič do magnetického pole s indukcí B, potom polovodičem protéká proud j a dochází k vychylování přímého směru nosičů nábojů k jedné straně vzorku. V polovodiči vznikne hallovo elektrické pole které se snaží překonávat toto pole – vyvolává sílu opačnou tak dlouho, dokud nedojde k vyrovnání těchto sil.

Intenzita hallova pole:

Hallovo napětí

- hallova konstanta ] (pro stanovení typu vodivosti)

Pro polovodiče s děrovou vodivostí je tato konstanta >0

Pro polovodiče s elektronovou vodivostí je tato konstanta <0

Je platný pro příměsový polovodič P, N nesmí však obsahovat příliš velké množství příměsi.

Měření hallova jevu se používá pro stanovení typu vodivosti, rezistivity, koncentrací a pohyblivostí nosičů, bezkontaktího měření proudu, magnetického pole.

Termoelektrické jevy

Sebeckův jev – generace termoelektrických napětí v obvodu tvořeného dvěma kovy, když

mezi nimi existuje rozdíl teplot. Příčinou vzniku jsou:

Transport nosičů nábojů jako důsledek jejich difuze (z důvodu rozdílu teplot).

Rozdíl kontaktních potenciálů chladného a teplého spoje (různé polohy fermiho hladin).

Fermiho hladina – udává dělící čáru mezi hladinami zcela zaplněnými a nezaplněnými.

Využívá se pro stanovení typu vodivosti, měření teplot, měření tepelnými ampérmetry, zjišťování vakua, v tepelných generátorech.

Peltierův jev – generace popřípadě absorbce tepla ve spoji dvou různých materiálů (třeba kov a polovodič) když těmito materiály protéká proud z vnějšího zdroje.

Použití: chladicí články, termostaty …

Optické a fotoelektrické jevy

1. Absorbce světelného záření

Když světelné záření dopadá na polovodič tak část záření je pohlceno (pokles intenzity záření)

- intenzita dopadajícího světla

- součinitel absorbce

- hloubka od povrchu polovodiče

- součinitel reflexe

Typy absorbce mohou být: když absorbují: valenční elektrony, příměsové atomy, volné elektrony, mřížkou spojené s generací excitoru.

2.Fotoelektrická vodivost

Interakce světelného záření s prostředím které vede ke vzniku volných nosičů elektrického náboje.

vnější - je případ když volný elektron opustí velmi rychle krystal polovodiče

vnitřní – je případ, že volné elektronu zůstanou uvnitř v polovodiči.

Fotoelektrická vodivost – dochází k pohybu volných elektronů – je definována jako rozdíl konduktivity při osvětlení a za tmy.

Využití: fotoelektrická čidla, detekce záření v infra- a viditelné oblasti záření.

3.Elektroluminiscence

Opak fotoelektrického jevu – je to důsledek rekombinace a projevení se emisí elektromagnetického záření a je způsobena přestupem přebytečných nosičů z vyšší energetické hladiny na nožší energetickou hladinu.

Použití: při konstrukci strojů koherentního záření, polovodičové lasery, světloemitující diody.

Gunnův jev

Vznik vysokofrekvenčních oscilací vysokého kmitočtu (GHz) v homogenním polovodiči, ve kterém je vytvořeno elektrické pole vysoké intenzity až 300 keV.

Podmínkou je pásová struktura polovodiče s místními minimi ve vodivostním pásu, ve kterých mají volné elektrony vyšší efektivní hmotnost a nižší pohyblivost.

Nábojová doména – obsahuje elektrony s nižší pohyblivostí, ale tato doména se jako celek dokáže pohybovat vysokou rychlostí po celém krystalu. Na konci tohoto krystalu zaniká. Při zániku se vytvoří proudový impuls a opakovací frekvence dosahuje řádově GHz.