Półprzewodnikiem samoistnym (właściwym) jest m.in. grafit. Ma on całkowicie wypełnioną pierwszą strefę Brillouina i małą przerwę energetyczną do strefy drugiej. Ze wzrostem temperatury następuje wzbudzenie coraz większej liczby elektronów o energiach bliskich powierzchni Fermiego do strefy drugiej, gdzie spełniają rolę elektronów przewodnictwa. To tłumaczy wzrost przewodnictwa ze wzrostem temperatury, typowy dla przewodników.
11.Co to są półprzewodniki domieszkowe?
Do półprzewodników domieszkowych należą german i krzem. Zawdzięczają one swoje przewodnictwo wpływowi domieszek. W tym przypadku pierwsza strefa jest całkowicie wypełniona i oddzielona od drugiej strefy małym skokiem energii, 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).
12.Jak działa półprzewodnik typu n?
Działanie półprzewodnika typu n polega na tym, że pod wpływem temperatury elektrony z poziomów energetycznych domieszek, które są zlokalizowane w przerwie energetycznej między strefami (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.
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 tego 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.
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 rozczepieniu i nakładają się. Na 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.
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 w urządzeniach przeciwpożarowych. Mogą one także być zastosowane w przyrządach do pomiaru ciśnienia lub natężenia pola magnetycznego (przez wykorzystanie efektu Halla).
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. 2.12a, a wypadkowy ładunek elektrostatyczny w pobliżu złącza będzie taki, jak na rys. 2.12b. Powstanie więc po lewej stronie bariera dla elektronów 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 bateria ulega powiększeniu, co blokuje przepływ prądu. Przy przeciwnym dołączeniu baterii, bateria potencjału ulegnie obniżeniu, co zwiększa przepływ prądu. W ten sposób złącze p-n może spełniać rolę prostownika prądu zmiennego (diody).
17. Jak jest zbudowana i jak działa bateria słoneczna ?
Dla zwiększenia efektywności baterii słonecznej wykonuje się je w taki sposób, aby złącze miało możliwie dużą powierzchnię i było bezpośrednio poddane promieni słonecznych. Dlatego warstwa kryształu nad złączem ma grubość rzędu 1mm. 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.
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 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 się przemieszczać 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 kierunku baterii BB wypełniają 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 obydwóch baterii przyciąga elektrony z emitera (E), dzięki czemu liczba dziur w tym obszarze nie maleje. Dlatego w obwodzie drugim płynie prąd o natężeniu IC. O natężeniu prądu płynącego w tym obwodzie decyduje nie tylko napięcie UEC, ale także prąd płynący w obwodzie pierwszym (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 przepływającego przez złącze BC. Dla zapewnienia przepływu prądu przez złącze BC wystarcza niewielkie napięcie UEB (ok. 0,1 do 0,2V). Natomiast bateria BC może mieć znacznie większe napięcie i w obwodzie drugim zmiany natężenia prądu mogą być znacznie większe niż w obwodzie pierwszym. Dzięki tym własnościom tranzystor może spełniać rolę wzmacniacza impulsów.
19. Co to jest obwód scalony?
Składa się on z wielu złącz półprzewodniko-wych zawartych w bardzo małej objętości połączonych ze sobą wg określonego systemu. Obwód scalony wykonuje się na płytce monokryształu krzemu o powierzchni 2 do 3 cm 2. Mieszczą się na niej setki oddzielnych obwodów o wielkości kropki, które są wytwarzane drogą naparowywania w próżni warstw z odpowiednio dobranych atomów o założonej grubości poddanych następnie dyfuzji. Do naparowywania stosuje się specjalne maski zapobiegające nałożeniu atomów w nieodpowiednich miejscach. W kolejnych operacjach naparowuje się krzem i odpowiednią domieszkę, tak aby wytworzyły się złącza p-n, a wewnętrzne połączenia (ścieżki) wykonuje się przez naparowanie warstewki aluminium. Warstwy izolacyjne sporządza się z krzemu , który następnie zostaje utleniony. Ostatnią operacją jest pocięcie płytki na fragmenty o wymiarach 0,5x 0,5 mm, dołączenie drucików kontaktowych ze złota i zalanie żywicą epoksydową. W produkcji elementów półprzewodnikowych metodą naparowywania i dyfuzji jest niezwykle ważne wykorzystanie wyłącznie monokryształów pozbawionych dyslokacji, ze względu na możliwość dyfuzji naparowywanych atomów przez dyslokacje.
Rozdział 3:
1.Co to są materiały dielektryczne?
Materiały dielektryczne cechują się dużą opornością elektryczną. Są one stosowane do wyrobu izolatorów i kondensatorów. Dielektrykiem jest zarówno plastyk na przewodzie elektrycznym, jak i porcelanowy izolator na słupie wysokiego napięcia. Dielektryki stosowane do wyrobu kondensatorów muszą ulegać łatwej polaryzacji przy zachowaniu dużej oporności elektrycznej, aby zapobiec przebiciu. Powinny one mieć wysoką stała dielektryczną, podczas gdy izolatory niską.
2. Jakie materiały posiadają największą oporność elektryczną?
Do materiałów mających największą oporność elektryczną należą polietylen (106 Wm) i parafinowy wosk (1012-1017 Wm). Niższą oporność (rzędu 1014 Wm)ma szkło pyrex i PCW amorficzny. Szkło sodowo-wapniowe ma oporność rzędu 1013,a bakelit 1010Wm. Najbardziej odporne na przebicie są mika i amorficzny PCW. Własności elektroizolacyjne mogą jednak być obniżane przez obecność w materiale domieszek wytwarzający poziomy akceptorowe lub donorowe i ułatwiających wzbudzanie elektronów do pasm przewodnictwa lub przez wady powierzchniowe (np. porowatość pochłaniająca wilgoć i zanieczyszczenia). Specjalne glazury na izolatorach mają na celu zapobiegać ich powierzchniowym zanieczyszczeniom.
3.Co to jest piezoelektryczność i elektrostrykcja?
Polaryzacja elektryczna w materiale wywołuje zmiany wymiarowe, czyli efekt zwany elektrostrykcją. Niektóre dielektryki wykazują jednakże odwrotne zjawisko, tzn. że jeżeli zostaną wywołane zmiany wymiarowe, następuje polaryzacja i na powierzchniach pojawiają się ładunki elektryczne. Materiały, które wykazują te odwracalne właściwości nazywamy piezoelektrykami. Najbardziej znanym piezoelektrykiem jest kryształ kwarcu, jednakże niektóre związki, jak np. BaTiO3 lub PbZrTiO6 wykazują ten efekt w znacznie większym stopniu (50¸100 razy). Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w urządzeniach zmieniających impulsy elektryczne na fale akustyczne i odwrotnie (telefonia, radiofonia, generowanie i odbiór fal ultradźwiękowych).
4.Co to jest ferroelektryczność?
Ferroelektrycznością nazywamy obecność polaryzacji w materiale dielektrycznym po usunięciu pola elektrycznego, które ją wywołało. Jest to związane z trwałym uszeregowaniem dipoli elektrycznych. Materiały, które wykazują ten efekt nazywamy ferroelektrykami. Przykładem takiego materiału jest tytanian baru (BaTiO3). Możliwość zachowania polaryzacji pozwala materiałowi na zatrzymanie informacji, dzięki czemu staje się on użyteczny o obwodach komputerowych. Zdolność do zmiany polaryzacji pod wpływem zmiennego pola elektrycznego przedstawiona jest na rys. 3,1. Jak widać powstaje pętla histerezy, co oznacza, że dla odwrócenia dipoli konieczne jest pole większe od korekcyjnego pola xc (pole xc usuwa polaryzację i powoduje przypadkowość dipoli). Powierzchnia pętli histerezy ferroelektrycznej jest miarą energii wymaganej do przejścia z jednego kierunku dipoli na przeciwny. Efekt ferroelektryczny jest zależny od temperatury i przy pewnej j krytycznej temperaturze znika (np. w BaTiO3 przy 120 °C), co oznacza zniknięcie trwałych dipoli. Materiały ferroelektryczne wykazują również efekt piezoelektryczny i mają wysoką stałą dielektryczną, co powoduje stosowanie ich w kondensatorach i przetwornikach piezoelektrycznych.
5. Co to jest efekt termoelektryczny i jak działa termopara?
Ze wzrostem temperatury coraz większa liczba elektronów metalu jest wzbudzana do wyższych stanów energii. Jeśli materiał jest nagrzany nierównomiernie, to elektrony ze strefy o wyższej temperaturze, mające wyższą energię, będą przemieszczały się w kierunku strefy o niższej energii. Wywołuje to różnicę potencjałów pomiędzy strefami. Jeśli połączymy ze sobą druty wykonane z dwóch metali, wówczas w każdym z nich różnica potencjałów pomiędzy złączem nagrzanym a „zimnymi” końcami będzie inna. Po dołączeniu „zimnych” końców do miliwoltomierza możemy stwierdzić różnicę potencjałów proporcjonalną w przybliżeniu do różnicy temperatur pomiędzy nagrzanym złączem a „zimnymi” końcami. Z tego względu zjawisko to jest wykorzystywane do pomiaru temperatury. Przyrządy takie zwane termoparami lub termoelementami, złożone np. z drutów: platyny i platynarodu (10%), żelaza i konstantanu, niklu i chromu lub stopów chromel-alumel są powszechnie stosowane w technice do pomiaru temperatury.
6. Co to jest nadprzewodnictwo?
Niektóre materiały ochłodzone do temperatur bliskich 0 K nie wykazują oporności elektrycznej, co umożliwia przepływ prądu o dużym natężeniu bez strat na ciepło. Osiągnięcie temp. bliskich 0 K jest jednak bardzo trudne i kosztowne, wymaga bowiem stosowania ciekłego helu. Uniemożliwia to praktyczne wykorzystanie tego efektu. Jednakże w ostatnich latach odkryto materiały, które wykazują efekt nadprzewodnictwa przy temp. znacznie wyższych od 0 K, tzn. już przy temp. ciekłego azotu (77 K0. Są to tzw. wysokotemperaturowe nadprzewodniki. Wyróżnia się pod tym względem tlenek talowo-barowo-wapniowo-miedziowy (Tl2Ba2Ca2Cu10O7). Zachowuje on właściwości nadprzewodzące do 125 K. Najczęściej stosowanym obecnie nadprzewodnikiem jest tlenek irytowo-barowo-wapniowo-miedziowy (Yba2Cu3O7). Temperatura przejścia tego materiału w stan nadprzewodnictwa (temp. krytyczna) wynosi 92 K. Największym obecnie problemem jest otrzymywanie długich drutów z tych materiałów, które cechują się dużą kruchością.
7. Na czym polegają własności magnetyczne metali?...
Chester11-86