ΖΩΝΗ σθΕνουΣ - ΖΩΝΗ αγωγιμΟτηταΣ

Παρουσίαση με θέμα: "ΖΩΝΗ σθΕνουΣ - ΖΩΝΗ αγωγιμΟτηταΣ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΖΩΝΗ σθΕνουΣ - ΖΩΝΗ αγωγιμΟτηταΣ
Ορίζουμε σαν Ζώνη σθένους την ανώτερη πλήρως κατειλημμένη ενεργειακή ζώνη και σαν ζώνη Αγωγιμότητας την κατώτερη άδεια από ηλεκτρόνια ενεργειακή ζώνη.

2 Για τιΣ ενεργειακΕΣ ΖΩΝΕΣ υφΙστανται οι ακΟλουθοι ορισμοΙ
Ονομάζουμε ενεργειακό χάσμα Eg την ενεργειακή διαφορά μεταξύ της κορυφής της Ζώνης σθένους Ev και του πυθμένα της Ζώνης αγωγιμότητας Ec. Eg=Ec-Ev Ενεργειακό κατώφλι Εt ονομάζουμε την ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στην κορυφή της Ζώνης σθένους για να βρεθεί έξω από τον κρύσταλλο. Et = E∞ - Ev Ανάλογα με το εύρος της απαγορευμένης Ζώνης οι κρύσταλλοι χωρίζονται σε μονωτές, μέταλλα, ημιαγωγούς.

3 Μία Ζώνη η οποία είναι πλήρης δεν συνεισφέρει στην αγωγιμότητα ακόμη και αν εφαρμοστεί εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Ένα στερεό συμπεριφέρεται σαν μέταλλο εάν η ζώνη σθένους του είναι μερικώς κατειλημμένη. Μπορούμε να πούμε για τα μέταλλα ότι ένα ηλεκτρόνιο σθένους που είναι ευκίνητο στο ελεύθερο μεταλλικό άτομο καθίσταται ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας στο μεταλλικό στερεό. Μια ενδιαφέρουσα κατηγορία μετάλλων όπως τα Βηρύλλιο Be, Μαγνήσιο Mg, Ψευδάργυρος Zn, Αργίλιο Al που είναι δισθενή επειδή σε αυτά η Ζώνη σθένους είναι συμπληρωμένη και έπρεπε να είναι μονωτές εν τούτοις συμπεριφέρονται σαν μέταλλα με μεγαλύτερη ειδική αντίσταση από τα Χαλκός Cu, Άργυρος Ag, Χρυσός Au. Αυτό συμβαίνει γιατί υπάρχει αλληλεπικαλύψει της Ζώνης αγωγιμότητας με την Ζώνη σθένους. Ετσι ηλεκτρόνια μεταφέρονται από την προηγούμενη στην επόμενη και έχουμε ημισυμπληρωμένη την Ζώνη σθένους όποτε λειτουργούν σαν μέταλλα.

4 ΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ
Εάν σε ένα μέταλλο εφαρμόσουμε ηλεκτρικό πεδίο E τότε η πυκνότητα ρεύματος J θα είναι: J=σΕ Στη σχέση αυτή ο παράγοντας σ δηλαδή η ηλεκτρική αγωγιμότητα εκφράζει την ευκολία ή τη δυσκολία να επιτευχθεί η πυκνότητα ρεύματος για δεδομένο ηλεκτρικό πεδίο. Η σχέση που συνδέει την διαφορά δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού με το ρεύμα σε αυτόν είναι: V=IR Η αντίσταση R δίνεται από τη σχέση:

5 και η μονάδα μέτρησής είναι σε Ω
και η μονάδα μέτρησής είναι σε Ω. όπου l το μήκος και Α η επιφάνεια του αγωγού. Το αντίστροφο της αντίστασης μετριέται σε μονάδες Siemens 1S=1/Ω. Η ρ είναι η ειδική αντίσταση σε μονάδες (Ωm) η οποία συνδέεται με την ειδική αγωγιμότητα με τη σχέση: Η ειδική αγωγιμότητα σ μετριέται σε μονάδες (Ωm)-1 ή S.

6 ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΤΗΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΤΗν ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία αυξάνεται η πιθανότητα συγκρούσεων οπότε μειώνεται η μέση ελεύθερη διαδρομή με συνέπεια να μειώνεται η αγωγιμότητα ή ισοδύναμα να αυξάνει η ειδική αντίσταση. Αυτό μπορεί να αποδοθεί σαν: Όπου Τ η θερμοκρασία σε βαθμούς C0 ή βαθμούς Κ.

7 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΑΓΩΓΙΜΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
Για την επιλογή ενός αγώγιμου υλικού για ηλεκτρολογικές εφαρμογές πρέπει να ληφθούν υπ όψιν και να συνδυαστούν οι ακόλουθοι παράμετροι: Η τιμή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης Η μηχανική αντοχή Η ευκολία μορφοποίησης όπως η κοπή, η συγκόλληση Η αντοχή στη διάβρωση, Η μεταβολή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης λόγω μεταβολής θερμοκρασίας, έκθεσης ακτινοβολίας Το κόστος και η διαθεσιμότητα του υλικού

8 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Ανάλογα με την ύπαρξη και το μέγεθος του ενεργειακού χάσματος και την επίδραση της θερμοκρασίας στην ειδική αντίσταση των υλικών, εκείνα χωρίζονται σε αγωγούς, μονωτές, ημιαγωγούς. Οι ημιαγωγοί έχουν τιμές ειδικής αντίστασης μεταξύ ενός αγωγού και ενός μονωτή. Το βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η επίδραση ακόμη και πολύ μικρών συγκεντρώσεων προσμίξεων στη ειδική αντίσταση. Οι δεσμοί ανάμεσα στα άτομα ενός ημιαγωγού στοιχείου είναι ομοιοπολικοί. Η κρυσταλλική δομή όλων των ημιαγώγιμων στοιχείων είναι όμοια με την δομή του αδάμαντα. Στο Σχήμα 1 φαίνεται το πώς τα ηλεκτρόνια σθένους του Ge σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά τους. Σχήμα 1

9 ΕΝΔΟΓΕΝΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Οι ενδογενείς ημιαγωγοί είναι ημιαγωγοί κρύσταλλοι υψηλής καθαρότητας στοιχείων όπως το Si, Ge και άλλα. Βασικό τους χαρακτηριστικό είναι η εξάρτηση της αγωγιμότητας τους από την θερμοκρασία. Το ενεργειακό διάγραμμα ενός ημιαγωγού φαίνεται στο Σχήμα 2. Σε θερμοκρασία T=0 Κ και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες η ζώνη αγωγιμότητας είναι εντελώς άδεια και η ζώνη σθένους πλήρως κατειλημμένη. Τα υλικά συμπεριφέρονται σαν μονωτές. Σχήμα 2

10 ενδογενΗΣ αγωγιμΟτητα ενδογενεΙΣ ημιαγωγοΙ
Το ενεργειακό χάσμα είναι συνήθως μικρό Eg= 1.14eV για το Si και 0.67eV για το Ge, ενώ των μονωτών είναι της τάξης των 5 eV. Έτσι σε θερμοκρασία δωματίου ένας σημαντικός αριθμός ηλεκτρονίων μπορούν να αποκτήσουν αρκετή θερμική ενέργεια και να μεταπηδήσουν από την ζώνη σθένους στην ζώνη αγωγιμότητας. Αυτό σημαίνει ότι οι ομοιοπολικοί δεσμοί σπάζουν, τα ηλεκτρόνια αυτά αποδεσμευμένα από τα πατρικά άτομα μπορούν να κινηθούν ελευθέρα στον κρύσταλλο ενεργειακά ευρισκόμενα στην ζώνη αγωγιμότητας και προσανατολισμένα υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, συνεισφέροντας έτσι στην ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο αριθμός τους αυξάνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας και σαν συνέπεια αυτής της αύξησης, αυξάνεται η αγωγιμότητα αυξανομένης της θερμοκρασίας. Όταν αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα ομοιοπολικό δεσμό στην θέση του δημιουργείται ένα κενό. Στο ενεργειακό διάγραμμα του Σχήματος 2 φαίνεται ότι η απώλεια του ηλεκτρονίου ισοδυναμεί με την δημιουργία μιας οπής στη Ζώνη σθένους. Η οπή συμπεριφέρεται σαν ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο που μπορεί και κινείται ελεύθερα στη Ζώνη σθένους. Αυτό γίνεται γιατί η κενή θέση του ηλεκτρονίου που έφυγε καταλαμβάνεται από ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο το οποίο δημιουργεί με την σειρά του μια οπή και έτσι η οπή κινείται μέσα στην ζώνη σθένους αντίθετα με την κίνηση του ηλεκτρονίου στη ζώνη αγωγιμότητας. Έτσι στη προσανατολισμένη κίνηση κάτω από την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου E του ηλεκτρονίου στην Ζώνη αγωγιμότητας, που ισοδυναμεί με κίνηση φορτίου, προστίθεται η κίνηση της οπής, ενός άλλου δηλαδή φορτισμένου σωματιδίου. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι το αθροιστικό αποτέλεσμα των δύο αυτών συνεισφορών. Σαν αποτέλεσμα της αρχής της ηλεκτρικής ουδετερότητας ο αριθμός των οπών στη Ζώνη σθένους θα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στη Ζώνη αγωγιμότητας.

11 ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Στους ενδογενείς ημιαγωγούς το πλήθος των ελεύθερων φορέων για δεδομένο ημιαγωγό και καθορισμένη θερμοκρασία είναι καθορισμένο. Στις ημιαγωγικές διατάξεις όμως απαιτείται να μπορούμε να αυξάνουμε το πλήθος και των δύο ειδών ελευθέρων φορέων (οπών και ηλεκτρονίων) ή και μόνο του ενός είδους ανεξάρτητα με το ενεργειακό χάσμα και την θερμοκρασία. Αυτό επιτυγχάνεται αν στο μητρικό πλέγμα του ημιαγωγού υπάρχουν ορισμένα είδη προσμίξεων είτε εσκεμμένα είτε όχι. Μία προγραμματισμένη προσθήκη προσμίξεων σε ένα ημιαγωγό ονομάζεται εμπλουτισμός (doping).

12 ΗμιαγωγοΙ τΥπου n Στο Σχήμα 1 φαίνεται το Ge στο οποίο ένα άτομο του έχει αντικατασταθεί με άτομο Αρσενικού As, το οποίο έχει πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο δεν συμμετέχει στην δημιουργία των ομοιοπολικών δεσμών είναι χαλαρά συνδεδεμένο στον πατρικό του πυρήνα. Μπορεί πολύ εύκολα να καταστεί ελεύθερο, να κινείται ελευθέρα στο πλέγμα και να μεταφερθεί στη ζώνη αγωγιμότητας. Έτσι ενεργειακά εισάγεται μέσα στις ενεργειακές Ζώνες του Ge μια απομονωμένη στάθμη αυτού του ηλεκτρονίου του As, κατά 0.01 eV χαμηλότερα από τον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας. Η στάθμη αυτή ονομάζεται στάθμη ή επίπεδο δότη ΕD. Στοιχεία των οποίων τα άτομα ως προσμίξεις συμπεριφέρονται όπως το As ονομάζονται δότες ηλεκτρονίων ή απλώς δότες. Οι αντίστοιχες στάθμες ονομάζονται στάθμες δοτών.

13 Το ενεργειακό διάγραμμα για ένα ημιαγωγό τύπου n φαίνεται στο Σχήμα 3
Το ενεργειακό διάγραμμα για ένα ημιαγωγό τύπου n φαίνεται στο Σχήμα 3. Επειδή οι στάθμες δοτών είναι πολύ κοντά στην Ζώνη αγωγιμότητας στις συνηθισμένες θερμοκρασίες οι δοτές είναι ιονισμένοι και όλα τα ηλεκτρόνια τους έχουν μεταπηδήσει στην Zώνη αγωγιμότητας. Η αγωγιμότητα που οφείλεται στις στάθμες των δοτών ονομάζεται εξωγενής αγωγιμότητα. Εάν n>>p τότε ο ημιαγωγός χαρακτηρίζεται ως τύπου n. Οι φορείς σε πλειοψηφία ονομάζονται φορείς πλειονότητας που εδώ είναι τα ηλεκτρόνια και οι φορείς σε μειοψηφία φορείς μειονότητας που εδώ είναι οι οπές. Σχήμα 3

14 ΗμιαγωγοΙ τΥπου p Σχήμα 4α Σχήμα 4β

15 Στο σχήμα 4α φαίνεται το Ge, στο οποίο ένα άτομο του έχει αντικατασταθεί με άτομο Γαλλίου Ga, το οποίο έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους. Το Ga μπορεί να δανειστεί ένα ηλεκτρόνιο από γειτονικό άτομα και να συμπληρώσει τέσσερεις ομοιοπολικούς δεσμούς. Το γειτονικό άτομο έχει τώρα έλλειμμα ηλεκτρονίου, αποκτά δηλαδή μία οπή η οποία συμπεριφέρεται σαν θετικό φορτίο, ίσο κατά απόλυτη τιμή με το φορτίο του ηλεκτρονίου η οποία μπορεί να κινηθεί ελεύθερα. Έτσι ενεργειακά εισάγεται μέσα στις ενεργειακές Ζώνες του Ge μια απομονωμένη στάθμη αυτού, κατά 0.01 eV ψηλότερα από την κορυφή της Ζώνης σθένους. Η στάθμη αυτή ονομάζεται στάθμη ή επίπεδο δέκτη ΕΑ. Στοιχεία των οποίων τα άτομα ως προσμίξεις συμπεριφέρονται όπως το Ga ονομάζονται αποδέκτες ηλεκτρονίων ή απλώς αποδέκτες. Οι αντίστοιχες στάθμες ονομάζονται στάθμες αποδεκτών. Επειδή οι στάθμες των αποδεκτών είναι πολύ κοντά στην ταινία σθένους στις συνηθισμένες θερμοκρασίες οι αποδέκτες είναι ιονισμένοι και οι οπές τους έχουν μεταπηδήσει στην ζώνη σθένους . Το ενεργειακό διάγραμμα του ημιαγωγού τύπου p φαίνεται στο σχήμα 4β. Η αγωγιμότητα που οφείλεται στις στάθμες των αποδεκτών ονομάζεται και αυτή εξωγενής αγωγιμότητα. Εάν n<<p τότε ο ημιαγωγός χαρακτηρίζεται ως τύπου p. Οι φορείς πλειονότητας εδώ είναι οι οπές και οι φορείς μειονότητας εδώ είναι τα ηλεκτρόνια.

16 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ
Η ελεύθερη επιφάνεια ενός ημιαγωγού εξαιτίας της ανομοιόμορφης κατανομής των ηλεκτρονίων ανάμεσα στα επιφανειακά και εσωτερικά άτομα, από τα ανεπιθύμητα άτομα προσμίξεων ή τα οξείδια που υπάρχουν στην επιφάνεια εισάγει πρόσθετες ενεργειακές στάθμες γνωστές ως επιφανειακές καταστάσεις. Τα επιφανειακά άτομα των κρυστάλλων λειτουργούν σαν αποδέκτες. Οι επιφανειακές ανεπιθύμητες προσμίξεις λειτουργούν ως δοτές ή αποδέκτες.

17 ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ
Οι ημιαγωγοί αποτελούν τον θεμέλιο λίθο της μικροηλεκτρονικής και της νανοηλεκτρονικής. Χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις σαν δίοδοι, τρανζίστορ, ολοκληρωμένα κυκλώματα και σαν ηλεκτρολογικά υλικά. Όλες οι ημιαγωγικές διατάξεις βασίζονται στο γεγονός ότι η αγωγιμότητα του υλικού ελέγχεται με την συγκέντρωση των προσμίξεων, η οποία μπορεί να μεταβάλλεται σε μία μεγάλη περιοχή τιμών και να αλλάζει από περιοχή σε περιοχή πάνω στη διάταξη.

18 ΟΠΤΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΕ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ & ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ
Φωτοαγωγιμότητα Φωτοαγωγιμότητα είναι η αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του ημιαγωγού λόγω απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με ενέργεια Ε=hf μεγαλύτερη είτε ίση με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. Η απορρόφηση ακτινοβολίας προκαλεί διέγερση ηλεκτρονίων από τη Ζώνη σθένους στη Ζώνη αγωγιμότητας με αποτέλεσμα την δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων - οπών . Η φωτοαγώγιμη συμπεριφορά των ημιαγωγών καθορίζεται από το ρυθμό με τον οποίο δημιουργούνται τα ζεύγη ελεύθερων ηλεκτρονίων - οπών και το χρόνο ζωής τους. Η δημιουργία ελεύθερων φορέων αγωγιμότητας εξαρτάται από το μήκος κύματος και την ένταση της ακτινοβολίας. Ο χρόνος ζωής των ελεύθερων φορέων είναι ο χρόνος που μεσολαβεί από τη δημιουργία ενός ζεύγους μέχρι την επανασύζευξη του. Οι πιθανοί μηχανισμοί επανασύζευξης των ελεύθερων φορέων δίνονται διαγραμματικά στο σχήμα 4.8.1 h είναι η σταθερά του Planck, h=6.67x10-34J.s

19 Μηχανισμοσ φωτοαγωγιμοτητασ
Σχήμα 5

20 Φωτoβολταϊκα στοιχεια
Τα Φωτοβολταϊκά ή ηλιακά στοιχεία χρησιμοποιούνται για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το ηλιακό φως. Ένα ηλιακό στοιχείο είναι βασικά μια επαφή p-n που εκτίθεται στο ηλιακό φως. Τα φωτόνια που απορροφούνται διεγείρουν ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας και δημιουργούν ελεύθερους φορείς (οπές και ηλεκτρόνια) στη περιοχή της επαφής. Η βασική διεργασία που λαμβάνει χώρα για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, είναι ότι οι ελεύθεροι φορείς μετακινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου που αναπτύσσεται στην περιοχή της επαφής. Τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την πλευρά n και οι οπές προς την πλευρά p (Σχήμα 6).

21 Φωτoβολταϊκο στοιχειο
Σχήμα 6 Αν η επαφή δε συνδέεται με εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα το ρεύμα που παράγεται από τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών αναπτύσσει μια διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαφής η οποία προκαλεί τη δημιουργία αντίθετου ρεύματος Ι2 (Ια=Ι2) με αποτέλεσμα η συνολική ροή ρεύματος να μηδενίζεται. Όταν η επαφή συνδέεται με εξωτερικό κύκλωμα μέρος του ρεύματος Ια διαρρέει το κύκλωμα, οπότε η επαφή p-n λειτουργεί ως στοιχείο μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική.