Az energiasá energiasáv modell
Félvezetık
Kvantummechanikai számítások arra az eredményre vezetnek, hogy egy véges mérető kristály, periodikus potenciálterében mozgó elektron energiaspektruma megengedett és tiltott tartományokból (energiasávokból) áll. megengedett sáv tiltott sáv
megengedett sáv
Összeállította: CSISZÁR IMRE
megengedett sáv
SZTE, Ságvári E. Gyakorló Gimnázium SZEGED, 2007. április
Egy-egy megengedett sávon belül a lehetséges energianívók kvázifolytonosan helyezkednek el.
Az energiasá energiasáv modell Szemléletes modell: • Tekintsünk egy agyag N számú egymástól nagyon távol lévı atomját. • Ezen atomoknak azonos, diszkrét energianívói vannak
Az energiasá energiasáv modell • Az atomokat egymáshoz közelítve, közöttük egyre növekvı kölcsönhatás lép fel. • A közeledés elıtt azonos szerkezető nívórendszer a közeledés következtében megváltozik: Egy adott nívó egymáshoz nagyon közel elhelyezkedı nívóra hasad fel, sávot hoz létre.
1
Az energiasá energiasáv modell A sávszerkezet meghatározó az adott anyag elektromos tulajdonságainak szempontjából vegyérték (valencia) sáv: a legfelsı teli sáv (valence band, v) vezetési sáv: a fölötte lévı sáv (conduction band, c)
Az energiasá energiasáv modell
Az elektronoknak a megengedett sávokban történı elhelyezkedése alapján, a szilárd testek két (három) nagy csoportba sorolhatók 1. csop.
a teljesen betöltött alacsonyabb sávok fölött egy részben betöltött sáv helyezkedik el. (fémek)
3s 2p
2. csop. 2p
a teljesen betöltött alacsonyabb sávok fölött teljesen üres sávok helyezkednek el.
3p
2s dielektrikumok E > 3eV
3s félvezet k E < 1eV ı
E
A sávszerkezet meghatározó az anyagok elektromos tulajdonságainak szempontjából. A vezetés feltétele, hogy legyen „közelben levı” szabad (be nem töltött) energiaszint, amit az elektronok elfoglalhatnak és így lényegében szabadon elmozdulhatnak.
• Ennek következtében az e–-ok energiája változik, azaz magasabb vagy alacsonyabb energiájú állapotba igyekszik az e– átmenni.
Fémes vezet k: van részben betöltött energiasáv (vezetési sáv), így egy elektronnak az üres energianívókra könnyedén át tudnak lépni.
• Ilyen átmenet csak akkor jöhet létre, ha a sáv belsejében van betöltetlen állapot.
Szigetel k: nincs részben betöltött energiasáv, (üres a vezetési sáv), a tiltott energiasáv széles, a hımozgás energiája nem elég ahhoz, hogy az elektron az üres sávba kerüljön.
• Tehát ha az anyag sávszerkezete olyan, hogy van benne részben betöltött sáv, akkor vezetı, ha nincs benne akkor nemvezetı.
Félvezet k: nincs részben betöltött energiasáv, (üres a vezetési sáv), a tiltott energiasáv keskeny, a hımozgás energiája elegendı a keskeny tiltott sáv leküzdésére.
ı
ı
ı
ı
ı
ı
ı
Vizsgáljuk meg miként viselkednek a részben és a teljesen betöltött sávok elektronjai külsı elektromos tér hatására! • Ha egy kristályra E elektromos teret kapcsolunk, akkor az e–-okra ható E·e erı az e–-ok sebességeloszlásának szimmetriáját igyekszik megbontani.
ı
Vezet k, fé félvezet k, szigetel k ı
Az energiasá energiasáv modell
2
ı
ı
ő
ı
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben 1. Sajátvezetés (intrinsic) félvezet k:
Megjegyzés:
T>0
T=0
• A félvezetık vezetıképessége a hımérséklet emelkedésével növekszik. • Az áramvezetésben az elektronok mellett a pozitív töltéső ún. lyukak is részt vesznek.
kicsi
elektron A vegyérték sáv teljesen betöltött, a vezetési sáv teljesen üres.
nemvezetı
A vegyérték sáv e – -jai gerjesztıdnek, közülük néhány képes legyızni a tiltott sávszélességet, így a vezetési sáv részben betöltött.
lyuk
A lyukak helyére ugráló elektronok mozognak, de ez azzal egyenértékő, mintha a pozitív töltéső lyukak mozognának.
vezetı
ı
ı
ı
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben 2. Adalékolt vagy szennyezéses (extrinsic) félvezet k: • A félvezetı kristály rácspontjaiban helyet foglaló atomok egy részét olyan idegen (ún. szennyezı) atomokkal helyettesítünk, melyek vegyérétke – rendszerint eggyel – eltér az eredeti atomok vegyértékétıl. • A szennyezı atomok következtében az eredeti kristály tiltott energiasávjában ún. szennyezési nívók jelennek meg. • A szennyezésnek két típusa van: n-típusú vezetés (elektronok) Donor szennyezés p-típusú vezetés (lyukak) Akceptor szennyezés • A megfelelı vezetés kialakításához a szennyezı atomok aránya: 1 : 100 millió
a) n-típusú vezetés: (elektronok) • Amikor a szennyezı atomok vegyérétke nagyobb, mint a kristály eredeti atomjainak vegyértéke. • Pl. a négy vegyértékő Ge (germánium) atom helyébe öt vegyértékő P (foszfor) atom épül be. • A P atom ötödik elektronjának energianívója a Ge atom tiltott sávjában, a vezetési sáv alsó szélének közelében helyezkedik el. (ún. donornívó) • Ennek következtében ugrásra kerülnek a vezetési sáv közelébe.
kész
elektronok
3
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben ı
ı
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben
b) p-típusú vezetés: (lyukak) • Amikor a szennyezı atomok vegyérétke kevesebb, mint a kristály eredeti atomjainak vegyértéke. • Pl. a négy vegyértékő Si (szilícium) atom helyébe három vegyértékő B (bór) atom épül be. • A B atom három vegyértékelektronja nem elegendı a szomszédos négy szilíciummal való kötés kialakítására. Ezek az elektronok pl. termikus gerjesztés hatására a vezetési sávba juthatnak. Részben betöltött vezetési sáv Az anyag vezetıvé válik
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben ı
ı
ı
Áramvezeté ramvezetés fé félvezet kben • A hiányzó kötési helyek „nagy hajlandóságot mutatnak” elektronok befogására. • Ez a sávszerkezet nyelvén megfogalmazva azt jeleni, hogy a Si atom tiltott sávjában, a vegyérék sáv felsı szélének közelében egy ún. akcepor energianívó jelenik meg. • Ennek következtében a vegyérték sáv elektronjai számára „könnyen” elérhetı helyek jelennek meg. • A vegyérték sáv elektronjai pl. termikus gerjesztés hatására ezekre a helyekre juthatnak.
Nem ezek az elektronok vesznek részt a vezetésben, hanem a vegyértéksáv válik részben betöltötté. Az anyag vezetıvé válik (A vezetésben a lyukak vesznek részt.)
4
p - n átmenet Tekintsünk egy félvezetı kristályt, amely az eltérı jellegő adalékolás (szennyezés) miatt az egyik részén n-típusú, a másik részén p-típusú.
p - n átmenet A p-n átmenet termikus egyensúlyi állapota: p típusú adalékolás
n típusú adalékolás
lyukak
Egy kristályban az n-típusú és a p típusú vezetési tartományt elválasztó határréteget p-n átmenetnek nevezzük. Egy félvezetı anyagban létrehozott adalékeloszlás:
elektronok
–
+
–
+
–
+
–
+ Donor atomok
Akceptor atomok
• Az n tartományból a nagy elektronkoncentráció miatt elektronok diffundálnak a p tartományba, ahol a lyukakkal rekombinálódva megsemmisülnek. (és ford.)
p - n átmenet • A p-n átmenetnél egy töltéshordozókban elszegényedett nagy ellenállású réteg alakul ki, melynek n oldalán a pozitív töltéső donor ionok, a p oldalán a negatív töltéső akceptor ionok vannak. • Ennek következtében egy elektromos kettısréteg alakul ki, melynek iránya olyan, hogy az elektronokat a p oldalról az n oldal felé, a lyukakat pedig n oldalról p felé húzza.
p - n átmenet p típusú adalékolás
n típusú adalékolás
lyukak
elektronok
–
+
–
+
–
+
–
+
UC A pozitív töltéshordozókat elmozdítani igyekv hatás iránya ı
• A p és n rétegek között UC ún. kontakatpoteciálkülönbség lép fel, mely akadályozza az elektronoknak az n rétegbıl a p rétegbe való átjutását. (a potenciálkorlát kb. 0,5eV)
5
p - n átmenet
p - n átmenet
A p-n átmenet viselkedése küls feszültség hatására: • Kapcsoljunk a p-n átmenetre egy külsı feszültségforrást úgy, hogy annak pozitív pólusa a p tartománnyal legyen összekapcsolva. (Ez az ún. nyitó irányú kapcsolás.) p tart.
ı
ı
ı
ı
• Kapcsoljunk a p-n átmenetre az el z vel ellentétes irányban egy küls feszültségforrást azaz úgy, hogy annak pozitív pólusa az n tartománnyal legyen összekapcsolva (Ez az ún. záró irányú kapcsolás.) p tart.
n tart.
n tart. +
+
+
+
UC U
UC U – +
+ –
• Ebben az esetben nem folyik áram a p-n átmeneten keresztül.
• Ha a rákapcsolt U feszültség eléri az UC értéket, akkor töltéshordozók mozgását a p-n átmenet nem korlátozza, azaz keresztül folyik rajta az áram.
Tehát a p-n átmenet egyenirányító tulajdonsággal rendelkezik.
Félvezet dió diódák ı
ı
ı
p - n átmenet
ı
ı
ı
Félvezet dióda: Azok a p és n rétegb l felépül félvezet eszközök, amelyeknek két kivezetésük van és egyenirányító tulajdonsággal rendelkeznek. ı
Rajzjele: A háromszög csúcsa az átereszt állapotban érvényes áramirányba mutat ı
ı
A p-n átmenet feszültség – áramer sség karakterisztikája Si kristály esetén:
F bb diódatípusok: • teljesítmény dióda, kapcsolódióda • Zener-dióda • kapacitás dióda • fotodióda • világító dióda – Light Emitting Diode (LED)
6
ı
ı
Félvezet dió diódák Egyenirányító kapcsolás:
7
