Półprzewodniki i urządzenia półprzewodnikowe

Prezentacja na temat: "Półprzewodniki i urządzenia półprzewodnikowe"— Zapis prezentacji:

1 Półprzewodniki i urządzenia półprzewodnikowe
Klaudia Szczerbowska Roland Grabowski rok IV, GiG grupa 4

2 Teoria przewodnictwa Przewodnictwo elektryczne to zjawisko skierowanego przenoszenia ładunków elektrycznych przez dodatnie lub ujemne nośniki prądu (np. elektrony, jony) w ośrodku pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego.

3 PÓŁPRZEWODNIK Półprzewodniki − najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10^-8 do 10^3 S/cm) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie bądź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków. S- Simens (S) – jednostka przewodności elektrycznej w układzie SI (jednostka pochodna układu SI), odwrotność oma. Nazwa jednostki pochodzi od nazwiska niemieckiego inżyniera Wernera Siemensa. Źródło:

4 PÓŁPRZEWODNIK Wartość rezystancji półprzewodnika maleje na ogół ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV, AlN 6,2 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 czy rozciąganie. Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje bądź traci elektron, który przemieścił się w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 woltowi. Źródło:

5 PÓŁPRZEWODNIK W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup III i V (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub III VI(tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku. Obecnie otrzymywane są również półprzewodniki organiczne, na ogół wielocykliczne związki aromatyczne np. poli (pfenyleno-winylen). Źródło:

6 RODZAJE PÓŁPRZEWODNIKÓW
Samoistne 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. Źródło: Domieszkowane Półprzewodniki samoistne mają mało ładunków swobodnych (co objawia się dużą rezystywnością), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoistnymi lub półprzewodnikami domieszkowanymi.

7 PÓŁPRZEWODNIK SAMOISTNY
W półprzewodniku poziom Fermiego położony jest podobnie jak w przypadku izolatorów, jednak przerwa energetyczna (szerokość pasma wzbronionego) jest niewielka (umownie za półprzewodnik przyjmuje się ciało, w którym szerokość pasma wzbronionego jest mniejsza niż 2 eV W półprzewodnikach spontanicznych część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa dzięki energii termicznej, lub np. wzbudzeń fotonowych. Przewodnictwo w półprzewodnikach spontanicznych ma charakter pół na pół elektronowo-dziurowy. 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. 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 .

8 PÓŁPRZEWODNIK TYPU n Półprzewodniki typu n są półprzewodnikami domieszkowanymi donorami tj. atomami które mają większą wartościowość od atomów półprzewodnika samoistnego. Półprzewodniki typu n mają więc w swojej budowie znacznie więcej elektronów niż dziur, czyli wolnych miejsc po elektronach.

9 PÓŁPRZEWODNIK TYPU p Półprzewodniki typu p są półprzewodnikami domieszkowanymi akceptorami tj. atomami które mają mniejszą wartościowość od atomów półprzewodnika samoistnego. Półprzewodniki typu p mają więc w swej budowie znacznie więcej dodatnich dziur, które zachowują się jak dodatni ładunek elementarny, niż elektronów.

10

11 PÓŁPRZEWODNIK TYPU p-n
Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n. W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi są elektrony (ujemne). Atomy domieszek (donory) pozostają unieruchomione w siatce krystalicznej. Analogicznie w obszarze typu p (positive) nośnikami większościowymi są dziury oładunku elektrycznym dodatnim. Atomy domieszek są tu akceptorami. W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych. Obszar o mniejszej koncentracji domieszek znajdujący się pomiędzy kontaktem złącza a warstwą zubożoną nazywany jest bazą.

12 URZĄDZENIA PÓŁPRZEWODNIKOWE
Diody: -prostownicza -Zenera (stabilizacyjna) -tunelowa -pojemnościowa -elektroluminescencyjna –LED -laserowa -mikrofalowa -detekcyjna -fotodioda -stałoprądowa -wsteczna Tranzystory : -tranzystor bipolarny -tranzystor unipolarny (tranzystor polowy) -fototranzystor Lasery półprzewodnikowe Hallotron Termistor

13 ( Źródło : www.kreocen.pl, www.elsemik.ec24h.pl )
DIODA PROSTOWNICZA Diody prostownicze przeznaczone są do prostowania napięcia lub prądu przemiennego o małych częstotliwościach. Stosuje się je głownie w układach prostowniczych urządzeń zasilających. Ze względu na duże prądy przepływające zazwyczaj przez diodę prostowniczą, jej wykonanie charakteryzuje się dużą powierzchnią złącza. Diody prostownicze mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia, co pozwala na uzyskanie dużych sprawności prostowania. ( Źródło : )

14 DIODA PROSTOWNICZA Symbol diody prostowniczej
(Źródło : elektro.w.interia.pl ) Podstawowe parametry diody prostowniczej: - napięcie przewodzenia - UF przy określonym prądzie przewodzenia, - prąd wsteczny - IR przy określonym napięciu w kierunku zaporowym, - maksymalny prąd przewodzenia – I0, - szczytowe napięcie wsteczne - URWM - dopuszczalne napięcie wsteczne nie powodujące przebicia, - czas ustalania prądu wstecznego t, - pojemność C

15 DIODA – LED Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. Light Emitting Diode) - dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni. Pojawiła się w latach sześćdziesiątych; wynaleziona przez amerykańskiego inżyniera - Nicka Holonyaka jr. ( Źródło : )

16 DIODA – LED Jej działanie opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu. ( Źródło :

17 DIODA LASEROWA Dioda laserowa (ang. laser diode) to laser półprzewodnikowy, w którym medium emitującym światło jest złącze p-n analogiczne do źródła światła w diodzie LED. W odróżnieniu od zwykłej diody elektroluminescencyjnej, dioda laserowa jest zbudowana tak, by stworzyć wokół złącza rezonator optyczny, co przy odpowiednio wysokim napięciu i prądzie zasilania sprzyja emisji wymuszonej, i powstaniu spójnej, monochromatycznej wiązki światła. ( Źródło : )

18 DIODA LASEROWA Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysoką wydajność, diody laserowe są dzisiaj najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów, i znajdują zastosowanie między innymi w napędach CD, napędach Blu-ray, napędach HD DVD, wskaźnikach laserowych, łączności światłowodowej .

19 FOTODIODA Fotodioda – dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor. Fotodiody wykonane są jako elementy złącza p-n lub p-i-n, z warstwą samoistną (niedomieszkowaną). Fotony padające na złącze są absorbowane (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne) w rezultacie czego elektron zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa i powstaje para elektron-dziura. Elektrony swobodne są przyciągane przez dodatni ładunek przestrzenny na granicy obszaru typu n, dziury zaś wędrują do obszaru typu p. Prąd przewodzenia złącza p-n zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia świetlnego. Złącze musi być spolaryzowane zaporowo z zewnętrznego źródła napięcia. ( Źródło : )

20 FOTODIODA Zastosowania: przy braku polaryzacji - bateria słoneczna
przy polaryzacji zaporowej - nieliniowy rezystor, w którym opór zależy od strumienia światła. W obu przypadkach można wykorzystać fotodiodę jako detektor. ( Źródło : )

21 TRANZYSTOR Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznacza element transformujący rezystancję. Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania: Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe). Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe).

22 TRANZYSTOR 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 ( Źródło : )

23 Dziękujemy za uwagę !