Az energiasáv v modell

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Az energiasáv v modell"

Lőrinc Gáspár
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Félvezetk Kvantummechanikai számítások arra az eredményre vezetnek, hogy egy véges méretőkristály, periodikus potenciálterében mozgó elektron energiaspektruma megengedett és tiltott tartományokból (energiasávokból) áll. megengedett sáv Összeállította: CSISZÁR IMRE SZTE, Ságvári E. Gyakorló Gimnázium SZEGED, április tiltott sáv megengedett sáv megengedett sáv Egy-egy megengedett sávon belül a lehetséges energianívók kvázifolytonosan helyezkednek el. Szemléletes modell: Tekintsünk egy agyag N számú egymástól nagyon távol lévatomját. Ezen atomoknak azonos, diszkrét energianívói vannak Az atomokat egymáshoz közelítve, közöttük egyre növekvkölcsönhatás lép fel. A közeledés eltt azonos szerkezetőnívórendszer a közeledés következtében megváltozik: Egy adott nívó egymáshoz nagyon közel elhelyezkednívóra hasad fel, sávot hoz létre. 1

április tiltott sáv megengedett sáv megengedett sáv Egy-egy megengedett sávon belül a lehetséges energianívók kvázifolytonosan helyezkednek el.

2 A sávszerkezet meghatározó az adott anyag elektromos tulajdonságainak szempontjából vegyérték (valencia) sáv: a legfelsteli sáv (valence band, v) vezetési sáv: a fölötte lévsáv (conduction band, c) Az elektronoknak a megengedett sávokban történ elhelyezkedése alapján, a szilárd testek két (három) nagy csoportba sorolhatók 1. csop. 2. csop. 2p E 2s dielektrikumok E > 3eV 3s 2p 3p 3s félvezet k E < 1eV a teljesen betöltött alacsonyabb sávok fölött egy részben betöltött sáv helyezkedik el. (fémek) a teljesen betöltött alacsonyabb sávok fölött teljesen üres sávok helyezkednek el. Vizsgáljuk meg miként viselkednek a részben és a teljesen betöltött sávok elektronjai külselektromos tér hatására! Ha egy kristályra E elektromos teret kapcsolunk, akkor az e -okra ható E e eraz e -ok sebességeloszlásának szimmetriáját igyekszik megbontani. Ennek következtében az e -ok energiája változik, azaz magasabb vagy alacsonyabb energiájú állapotba igyekszik az e átmenni. Ilyen átmenet csak akkor jöhet létre, ha a sáv belsejében van betöltetlen állapot. Tehát ha az anyag sávszerkezete olyan, hogy van benne részben betöltött sáv, akkor vezet, ha nincs benne akkor nemvezet. Vezet k, félvezetf k, szigetel A sávszerkezet meghatározó az anyagok elektromos tulajdonságainak szempontjából. A vezetés feltétele, hogy legyen közelben lev szabad (be nem töltött) energiaszint, amit az elektronok elfoglalhatnak és így lényegében szabadon elmozdulhatnak. Fémes vezet k: van részben betöltött energiasáv (vezetési sáv), így egy elektronnak az üres energianívókra könnyedén át tudnak lépni. Szigetel k: nincs részben betöltött energiasáv, (üres a vezetési sáv), a tiltott energiasáv széles, a hmozgás energiája nem elég ahhoz, hogy az elektron az üres sávba kerüljön. Félvezet k: nincs részben betöltött energiasáv, (üres a vezetési sáv), a tiltott energiasáv keskeny, a hmozgás energiája elegenda keskeny tiltott sáv leküzdésére. k 2

rtba sorolhatók 1. csop. 2. csop. 2p E 2s dielektrikumok E > 3eV 3s 2p 3p 3s félvezet k E < 1eV a teljesen betöltött alacsonyabb sávok fölött egy részben betöltött sáv helyezkedik el.

3 ő 1. Sajátvezetés (intrinsic) félvezet k: T = 0 T > 0 kicsi A vegyérték sáv teljesen betöltött, a vezetési sáv teljesen üres. nemvezet vezet A vegyérték sáv e -jai gerjesztdnek, közülük néhány képes legyzni a tiltott sávszélességet, így a vezetési sáv részben betöltött. Megjegyzés: A félvezetk vezetképessége a hmérséklet emelkedésével növekszik. Az áramvezetésben az elektronok mellett a pozitív töltésőún. lyukak is részt vesznek. elektron lyuk A lyukak helyére ugráló elektronok mozognak, de ez azzal egyenértékő, mintha a pozitív töltéső lyukak mozognának. 2. Adalékolt vagy szennyezéses (extrinsic) félvezet k: A félvezetkristály rácspontjaiban helyet foglaló atomok egy részét olyan idegen (ún. szennyez) atomokkal helyettesítünk, melyek vegyérétke rendszerint eggyel eltér az eredeti atomok vegyértékétl. A szennyezatomok következtében az eredeti kristály tiltott energiasávjában ún. szennyezési nívók jelennek meg. A szennyezésnek két típusa van: Donor szennyezés n-típusú vezetés (elektronok) Akceptor szennyezés p-típusú vezetés (lyukak) A megfelelvezetés kialakításához a szennyezatomok aránya: 1 : 100 millió a) n-típusú vezetés: (elektronok) Amikor a szennyezatomok vegyérétke nagyobb, mint a kristály eredeti atomjainak vegyértéke. Pl. a négy vegyértékőge (germánium) atom helyébe öt vegyértékőp(foszfor) atom épül be. A P atom ötödik elektronjának energianívója a Ge atom tiltott sávjában, a vezetési sáv alsó szélének közelében helyezkedik el. (ún. donornívó) Ennek következtében ugrásra kész elektronok kerülnek a vezetési sáv közelébe. 3

Megjegyzés: A félvezetk vezetképessége a hmérséklet emelkedésével növekszik. Az áramvezetésben az elektronok mellett a pozitív töltésőún. lyukak is részt vesznek.

4 Ezek az elektronok pl. termikus gerjesztés hatására a vezetési sávba juthatnak. b) p-típusú vezetés: (lyukak) Amikor a szennyezatomok vegyérétke kevesebb, mint a kristály eredeti atomjainak vegyértéke. Pl. a négy vegyértékősi (szilícium) atom helyébe három vegyértékőb(bór) atom épül be. A B atom három vegyértékelektronja nem elegenda szomszédos négy szilíciummal való kötés kialakítására. Részben betöltött vezetési sáv Az anyag vezetvé válik A hiányzó kötési helyek nagy hajlandóságot mutatnak elektronok befogására. Ez a sávszerkezet nyelvén megfogalmazva azt jeleni, hogy a Si atom tiltott sávjában, a vegyérék sáv fels szélének közelében egy ún. akcepor energianívó jelenik meg. Ennek következtében a vegyérték sáv elektronjai számára könnyen elérhethelyek jelennek meg. A vegyérték sáv elektronjai pl. termikus gerjesztés hatására ezekre a helyekre juthatnak. Nem ezek az elektronok vesznek részt a vezetésben, hanem a vegyértéksáv válik részben betöltötté. Az anyag vezetvé válik (A vezetésben a lyukak vesznek részt.) 4

a négy vegyértékősi (szilícium) atom helyébe három vegyértékőb(bór) atom épül be. A B atom három vegyértékelektronja nem elegenda szomszédos négy szilíciummal való kötés kialakítására.

5 Tekintsünk egy félvezetkristályt, amely az eltér jellegőadalékolás (szennyezés) miatt az egyik részén n-típusú, a másik részén p-típusú. Egy kristályban az n-típusú és a p típusú vezetési tartományt elválasztó határréteget p-n átmenetnek nevezzük. Egy félvezetanyagban létrehozott adalékeloszlás: A p-n átmenetnél egy töltéshordozókban elszegényedett nagy ellenállású réteg alakul ki, melynek n oldalán a pozitív töltésődonor ionok, a p oldalán a negatív töltéső akceptor ionok vannak. Ennek következtében egy elektromos kettsréteg alakul ki, melynek iránya olyan, hogy az elektronokat a p oldalról az n oldal felé, a lyukakat pedig n oldalról p felé húzza. A p és n rétegek között U C ún. kontakatpoteciálkülönbség lép fel, mely akadályozza az elektronoknak az n rétegbl a p rétegbe való átjutását. (a potenciálkorlát kb. 0,5eV) A p-n átmenet termikus egyensúlyi állapota: lyukak p típusú adalékolás Akceptor atomok n típusú adalékolás Az n tartományból a nagy elektronkoncentráció miatt elektronok diffundálnak a p tartományba, ahol a lyukakkal rekombinálódva megsemmisülnek. (és ford.) lyukak p típusú adalékolás U C Donor atomok n típusú adalékolás elektronok elektronok A pozitív töltéshordozókat elmozdítani igyekv hatás iránya 5

Egy félvezetanyagban létrehozott adalékeloszlás: A p-n átmenetnél egy töltéshordozókban elszegényedett nagy ellenállású réteg alakul ki, melynek n oldalán a pozitív töltésődonor ionok, a p oldalán a

6 A p-n átmenet viselkedése küls feszültség hatására: Kapcsoljunk a p-n átmenetre egy külsfeszültségforrást úgy, hogy annak pozitív pólusa a p tartománnyal legyen összekapcsolva. (Ez az ún. nyitó irányú kapcsolás.) p tart. n tart. Kapcsoljunk a p-n átmenetre az el z vel ellentétes irányban egy küls feszültségforrást azaz úgy, hogy annak pozitív pólusa az n tartománnyal legyen összekapcsolva (Ez az ún. záró irányú kapcsolás.) p tart. n tart. U C U U C U Ha a rákapcsolt U feszültség eléri az U C értéket, akkor töltéshordozók mozgását a p-n átmenet nem korlátozza, azaz keresztül folyik rajta az áram. Ebben az esetben nem folyik áram a p-n átmeneten keresztül. Tehát a p-n átmenet egyenirányító tulajdonsággal rendelkezik. A p-n átmenet feszültség áramer sség karakterisztikája Si kristály esetén: Félvezet diódák Félvezet dióda: Azok a p és n rétegb l felépül félvezet eszközök, amelyeknek két kivezetésük van és egyenirányító tulajdonsággal rendelkeznek. Rajzjele: A háromszög csúcsa az átereszt állapotban érvényes áramirányba mutat F bb diódatípusok: teljesítmény dióda, kapcsolódióda Zener-dióda kapacitás dióda fotodióda világító dióda Light Emitting Diode (LED) 6

Kapcsoljunk a p-n átmenetre az el z vel ellentétes irányban egy küls feszültségforrást azaz úgy, hogy annak pozitív pólusa az n tartománnyal legyen összekapcsolva (Ez az ún. záró irányú kapcsolás.

7 Félvezet Egyenirányító kapcsolás: diódák 7

Hasonló dokumentumok

SZAKÁLL SÁNDOR, ÁsVÁNY- És kőzettan ALAPJAI

SZAKÁLL SÁNDOR, ÁsVÁNY- És kőzettan ALAPJAI 12 KRISTÁLYkÉMIA XII. KÖTÉsTÍPUsOK A KRIsTÁLYOKBAN 1. KÉMIAI KÖTÉsEK Valamennyi kötéstípus az atommag és az elektronok, illetve az elektronok egymás közötti