Materijali Sa stajališta elektronike osnovna podjela materijala: vodiči poluvodiči izolatori Temeljna razlika u vrijednosti specifičnog otpora materijala. ρ<10-3 Ωcm - vodiči 10-3 Ωcm<ρ<106 Ωcm - poluvodiči ρ>106 Ωcm - izolatori Dakle, vodiči imaju najmanji sp. otpor (najveću vodljivost), izolatori najveći, dok sp. otpor poluvodiča varira u širokom rasponu → zavisno o tipu i uvjetima rada poluvodiča, poluvodič se može ponašati gotovo kao vodič ili gotovo kao izolator Osnovni razlog velikih razlika u sp.otporu (ili vodljivosti) je velika razlika u broju slobodnih (pokretnih) naboja, tj. naboja čije kretanje čini el.struju Razlika u broju naboja koji se, unutar molekularne strukture materijala, mogu “osloboditi” je posljedica različitih načina međusobnog vezivanja atoma za različite materijale

Relativna (prema bakru) vodljivost raznih metala: Materijali Metali Metalni kristali: atomi u kristalnoj rešetci vezani kroz slobodne elektrone Gotovo idealno vodljivi (vrlo velik broj slobodnih naboja), najčešće se uzima beskonačna vodljivost (tj. otpor 0) Npr. bakar: Relativna (prema bakru) vodljivost raznih metala: Nikal 22% Cink 27% Željezo 17% Olovo 7% Čelik 3 - 15% Srebro 105% Bakar 100% Zlato 70% Aluminij 61%

Materijali Izolatori Ionski i kovalentni kristali: valentni elektroni vrlo čvrsto vezani za atome, vrlo malen broj slobodnih naboja Vrlo slabo vodljivi, najčešće se uzima vodljivost 0 (beskonačan otpor) Npr. zrak, papir, plastika, staklo, porculan... Poluvodiči Kovalentni kristali: valentni elektroni čvrsto vezani za susjedne atome tzv. kovalentnim vezama Po specifičnom otporu nalaze se između vodiča i izolatora i ovo se može “podešavati” (možemo birati kakvu vodljivost želimo) Npr. Silicij (Si), Germanij (Ge) Čisti poluvodič (bez dodatnih materijala – primjesa) na sobnoj temperaturi ima vrlo malo pokretnih naboja (tzv. slobodnih nositelja naboja) → vrlo slabi vodiči (visok spec.otpor) → gotovo kao izolatori Međutim, broj slobodnih nositelja naboja (i samim tim, vodljivost) se može mijenjati dodavanjem primjesa čistom poluvodiču, što rezultira u onečišćenom poluvodiču.

Model kristalne rešetke za Ge ili Si Poluvodiči Valentni elektroni Elektroni u vanjskoj (“najdaljoj”) ljusci Najslabije vezani za atom – prvi su u interakciji sa susjednim atomima → definiraju svojstva materijala Atomi teže da vanjska (valentna) ljuska bude kompletno popunjena Npr. Si ili Ge: 4-valentni elementi (no vanjska ljuska puna sa 8 elektrona) Ako se nađu blizu drugog istog atoma, po jedan elektron od svakog atoma formira par koji čini čvrstu kovalentnu vezu – ovako su vezani atomi u kristalnoj rešetci Si Atomi Si “posuđuju” elektrone susjednih atoma kako bi popunili vanjsku ljusku – kovalentna veza Kovalentna veza je vrlo čvrsta – potrebno je (u prosijeku) uložiti veliku energiju da bi se kovalentna veza prekinula i elektron oslobodio Primaran “izvor” energije u našim razmatranjima je toplina. Stoga se može reći da je u prosijeku potrebna velika temperatura T kako bi se kovalentna veza prekinula, tj. kako bi se valentni elektron oslobodio i imao doprinos u povećanju vodljivosti poluvodiča Model kristalne rešetke za Ge ili Si

Poluvodiči Vođenje u intrinsičnim (čistim) poluvodičima Kod čistih poluvodiča, slobodni nositelji naboja (i samim tim mogućnost vođenja struje) nastaju prekidanjem kovalentnih veza uslijed temperature T S obzirom na ogroman broj kovalentnih veza u bloku poluvodičkog kristala, ne postoji neka konkretna T na kojoj se može reći da se kov.veza prekida (to bi značilo da se na toj T sve veze odjednom prekinu) Umjesto toga, postoji vjerojatnost prekida kov. veze: na niskim T, ova vjerojatnost je vrlo mala (jer su kovalentne veze vrlo jake), no ipak postoji, pa se određeni broj kov. veza ipak uspije prekinuti (npr. 1 od milijardu) Što veća T, vjerojatnost prekida je sve veća, više kovalentnih veza se prekida i sve više elektrona postaje slobodno (tj. vodljivost poluvodiča raste) Na sobnoj temperaturi (najčešće se uzima T=300K) vrlo malo kovalentnih veza se uspije prekinuti → vrlo malo slobodnih nositelja naboja → vrlo mala vodljivost → na sobnim temperaturama čisti poluvodič se ponaša gotovo kao izolator No, (negativni) elektroni koji nakon prekida kovalentnih veza postaju slobodni (mogu se kretati pod utjecajem el. polja) nisu jedini slobodni nositelji naboja u poluvodiču – naime, postoji i drugi način kretanja naboja – tzv. šupljine (pozitivno nabijene)

Poluvodiči Vođenje u intrinsičnim (čistim) poluvodičima – kako nastaju šupljine Nakon prekida kovalentne veze, jedan od atoma ostaje bez valentnog elektrona Ovakav atom će vrlo lako “uzeti” elektron od susjednog atoma, kako bi popunio svoju kovalentnu vezu Međutim, sada će ovaj susjedni atom imati isti “problem”, pa će i on imati jaku tendenciju uzimanja elektrona od nekog drugog atoma… itd. Ukratko, može se reći da ovaj “manjak” elektrona (ili šupljina) putuje od jednog atoma do drugog Šupljina se može shvatiti kao slobodna pozitivno nabijena čestica (iako je stvarno ovo “virtualna” čestica, i gibanje šupljina nastaje kao posljedica stvarnog gibanja elektrona) i ovo se u pravilu radi, jer je promatranje kao gibanje + naboja jednostavnije) Stoga možemo reći da je posljedica prekida kovalentne veze nastajanje 2 slobodne čestice: negativnog elektrona i pozitivne šupljine ili para elektron-šupljina Ponovimo, na sobnim temperaturama je broj ovih parova jako malen, pa je vodljivost intrinsičnog vodiča vrlo niska Vodljivost se može znatno povećati (značajnim) povećanjem T, međutim postoji i drugi način – dodavanjem primjesa

Poluvodiči Ekstrinsični (onečišćeni) poluvodiči - općenito Namjerno onečišćenje (“dopiranje”) intrinsičnog poluvodiča radi povećanja vodljivosti poluvodiča (povećanjem slobodnih nositelja naboja) Dodaju se 3-valentne ili 5-valentne primjese Ovo rezultira u P-tipu ili N-tipu poluvodiča Osnovna ideja: N-tip: nadodavanjem 5-valentne primjese, 4 valentna elektrona se vežu kovalentnim vezama (vrlo teško se oslobode), no 5. elektron primjese je “višak” – ne sudjeluje u kovalentnoj vezi → potrebna vrlo mala energija (tj. temperatura T) da bi se on odvojio od atoma i postao slobodan → ovako onečišćen poluvodič će stoga i na sobnoj T imati puno slobodnih elektrona , a broj tj. koncentracija šupljina je i dalje mala → N-tip poluvodiča ima više negativnih nego pozitivnih nositelja naboja P-tip: nadodavanjem 3-valentne primjese, sva 3 valentna elektrona se vežu kovalentnim vezama (vrlo teško se oslobode), no 1 kovalentna veza ostaje nepopunjena (šupljina) – atom primjese će vrlo lako (uz malu energiju) “uzeti” elektron susjednom atomu → ovako onečišćen poluvodič će na i sobnoj T imati puno šupljina (a malo elektrona)

Poluvodiči – N-tip Dodaju se 5-valentne primjese (npr. arsen, fosfor) u niskim koncentracijama (1:103 …1:109) - dopiranje Atomi primjesa (donori) lako (na relativno niskim T) “daju” (ili “doniraju”) elektrone, jer su samo 4 vezana kovalentnim vezama, a 1 je “višak” koji ne sudjeluje u kov. vezama, pa ga se lako (uz malu energiju) odvoji od atoma Rezultat – uz mali broj šupljina i sl. elektrona nastalih prekidanjem kovalentnih veza, pojavljuje se i puno dodatnih slobodnih elektrona koje su otpustili donorski atomi, pri čemu donori postaju pozitivni ioni (jer su izgubili 1 elektron) Na sobnim T, toplinska energija je dovoljna da praktično svi donori otpuste elektron “viška” (koji ne sudjeluje u kovalentnim vezama) U ovakvom tipu poluvodiča imamo značajan broj slobodnih elektrona (većinski ili majoritetni nositelji) i malo šupljina (manjinski ili minoritetni nositelji) – zato N-tip (dominiraju Negativni nositelji naboja). Broj sl. elektrona, a samim tim i vodljivost se može “podešavati” biranjem koncentracije 5-valentnih primjesa s kojim se intrinsični poluvodič onečisti. dodatni elektron “viška” - slabo vezan uz donorski (5-valentni) atom (ne sudjeluje u kovalentnim vezama) – treba malu energiju da se oslobodi

Poluvodiči – P-tip Dodaju se 3-valentne primjese (npr. aluminij, galij) u niskim koncentracijama (1:103-1:109) - dopiranje Atomi primjesa (akceptori) lako “primaju” ili “akceptiraju” elektrone od atoma poluvodiča, jer im fali jedan elektron za popunjavanje zadnje (4.) kovalentne veze – može se reći da lako “otpuštaju” šupljine (ako primi elektron, prebaci svoj manjak elektrona nekom drugom atomu) Rezultat – uz mali broj šupljina i elektrona nastalih prekidanjem kovalentnih veza, pojavljuje se puno dodatnih šupljina (koje su stvorili akceptorski atomi), a akceptori postaju negativni ioni (jer su primili 1 elektron, dakle imaju višak negativnog naboja) U ovakvom tipu poluvodiča imamo značajan broj šupljina (ovdje su šupljine većinski nositelji) i malo slobodnih elektrona (manjinski nositelji) – zato P-tip (dominiraju Pozitivni nositelji naboja). Broj šupljina, a samim tim i vodljivost se može “podešavati” biranjem koncentracije 3-valentnih primjesa s kojim se intrinsični poluvodič onečisti. dodatna šupljina - akceptor lako prima elektron kako bi se kovalentna veza sa lijevim atomom (na slici) kompletirala, drugim riječima lako (uz malu energiju) otpusti šupljinu

Poluvodiči - zaključci Intrinsični poluvodiči Na sobnim temperaturama vrlo mali broj slobodnih nositelja (šupljina i slobodnih elektrona), pa slabo vodljivi (slično izolatoru) Slobodni nositelji nastaju uvijek u parovima, pa je koncentracija elektrona jednaka koncentraciji šupljina Parovi elektron-šupljina nastaju kao posljedica prekidanja kovalentnih veza Ekstrinsični poluvodiči N-tip poluvodiča 5-valentne primjese – donori – znatno povećavaju broj slobodnih elektrona i samim tim vodljivost (povećana koncentracija sl. nositelja naboja) Većinski (majoritetni) nositelji naboja su elektroni (Negativni nositelji) , a manjinski (minoritetni) nositelji naboja su šupljine Na sobnim T sadrže i pozitivno nabijene ione donora P-tip poluvodiča 3-valentne primjese – akceptori– znatno povećavaju broj šupljina i samim tim vodljivost (povećana koncentracija sl. nositelja naboja) Većinski (majoritetni) nositelji naboja su šupljine (Pozitivni nositelji), a manjinski (minoritetni) nositelji naboja su elektroni Na sobnim T sadrže i negativno nabijene ione akceptora