Elektronika | Felsőoktatás » Tiszta és szennyezet félvezetők

Tiszta és szennyezet félvezetők Tiszta és szennyezett félvezetők, n és p típusú kristályszerkezet. Áramok a félvezetőben: diffúziós és drift áram. Félvezetők: a szilárd testek csoportjába tartozó kristályos szerkezetű anyagok. Fajlagos vezetőképességük szerint a vezetők és a szigetelők között foglalnak helyet. A fajlagos vezetőképességük a hőmérséklettel egyenesen arányosan növekszik. Tiszta félvezetők (intrinsic): elméletileg egyáltalán nem, gyakorlatilag csak elenyésző számban tartalmaz szennyező anyagot (n i , p i ). A szerkezetből egy e- kell, hogy kiszakadjon, hogy az áramvezetés létrejöhessen. e- e- Si e-e Si Wti kT ahol W ti = tiltott energia, mely a kiszakadáshoz szükséges energia ni p i  k  T 3  e   Si e-e Si Hőmérséklet hatására e- szakadhat ki e- e- Si Az e- hiány vándorolhat, vagyis elektron-lyuk pár generálódik, töltéshordozó pár rekombinálódik. Ha az atomot megfelelő

nagyságú energiával gerjesztjük, akkor is kiszakadhat az elektron a kötésből, és szabad töltéshordozóként viselkedik, az atomok közötti térben mozogva növeli az anyag vezetőképességét. A W ti = [eV], azaz a tiltott energia, megadja a kiszakadáshoz szükséges energiát. 1eV=1,6·10-19J Vezetők esetén a tiltott sáv szélessége gyakorlatilag nulla, ezért már szobahőmérsékleten is sok vezetési elektronnal rendelkeznek (<0,2eV). Félvezetők esetén a zóna szélessége nagy (0,7-1,2eV), így szobahőmérsékleten és vegytiszta állapotban közel szigetelők. A kristályban, ha egy véletlen szerűen mozgó elektron egy lyukkal találkozik, a kovalens kötés újra létrejön, az elektron és a lyuk, mint szabad töltéshordozó megszűnik, azaz újra egyesül (rekombinálódik). N típusú szennyezés A szilícium kristályt a periódusos rendszer V. főcsoportjának egyik elemével szennyezzük, mely 5 vegyértékelektronnal rendelkezik. Ez a szennyező

lehet N, P, As, Sb és Bi n·p változatlan, az n i ·p i =n·p Si e- e- e- Az ötödik elektron nem tud rácskötést létrehozni, csak lazán kötődik, így csekély energiaközléssel vezetési elektronná válik. As Si Si e e Az elektronok száma nő, a lyukak száma csökken. Az idegen - atommal a töltéshordozók számát növeltük meg. Az öt e e vegyértékű As atomot donor atomnak is nevezzük, mivel Si elektront ad le. Az idegen atom beültetést, pedig szennyezésnek nevezzük (adalékolás). Az n típusú szennyezésnél az elektronok a többségi töltéshordozók, a lyukak a kisebbségiek. e-- e-- P típusú szennyezés A p típusú szennyezésnél a szilíciumot a periódusos rendszer III. főcsoportjának elemével szennyezzük (B, Al, Ga, In, Ti) amely 3 vegyértékelektronnal rendelkezik. Ebben az esetben 3 kovalens kötés jöhet létre, a negyedik elektron helyén lyuk keletkezik. Már kis energiaközléssel elérhető, hogy egy közeli elektron atomja

erre a helyre „beugorjon”. Az így keletkezett következő lyuk helyére egy másik elektron tud „beugrani” és a lyuk így vándorolhat a kristályban. Ebben az esetben a Ga a befogadó, vagyis az akceptor. Si e-e e- e- Si e-e Ga Si e- e- e- Si A három vegyértékű szennyező atomok a lyukak létrehozásánál elektronokat vesznek fel, ezért akceptornak nevezzük. A P típusú félvezetőknél a lyukak a többségi, az elektronok a kisebbségi töltéshordozók e- e- Si Áramvezetés félvezetőkben A töltéshordozók a hőmozgás miatt véletlenszerűen mozognak a kristályban, amely homogén szennyezettségű. Az inhomogén szennyezettségű félvezetőkben a töltéshordozók mozgása arra irányul, hogy egyenletesen kitöltsék a rendelkezésre álló teret. + + + + + + + + + + q Az elektronok diffúziója miatt felborul a töltések egyensúlya. q + x - x Diffúziós áram: létrehozója a koncentráció különbség, a sűrűbb töltés felől

a kevésbé sűrű felé vándorolnak a töltések. P P x ahol D p és D n a diffúziós állandó. P  q  Dn  x J p diff   q  D p  J n diff x Drift áram: ha a félvezetőkben a töltéshordozók mozgása külső, vagy belső elektromos tér hatására jön létre (áramot kapcsolok rá) akkor drift áramról beszélünk (drift=sodródás). A drift áram, tehát elektromos tér hatására létrejövő áram. v   p  E ahol µ p a mozgékonyság lyukaknál V v    n  E ahol µ n a mozgékonyság elektronnál Áramsűrűség: J p  qpv  qp p E a lyukak esetén J n  (q)nv  qn p E reverzibilis irreverzibilis E Elektronok sebességének és térerősségének viszonya elektronok esetén az irreverzibilis esetnél a kristályrács tönkremegy J  q(n   n  p   p )  E U A differenciális Ohm törvény szerint J    E R A félvezetők vezetési tulajdonságai a hőmérséklettől

nagyban függenek. Ohm törvénye szerint: I 