Alapfogalmak. Szigetelők. Ohm törvény: j = E = 1/ Vezetők - szigetelők. [ cm] -1. Ag, Cu, Al. Fe, Ni. Félvezetők Ge, Si. üvegek, polimerek kerámiák

Átírás

1 Villamos tulajdonságok

2 Alapfogalmak Ohm törvény: j = E = 1/ j: áramsűrűség, : fajlagos vezetőképesség, E: térerősség : fajlagos ellenálás = n e µ n: töltéshordozók száma, e: töltés, µ: töltéshordozó mozgékonysága Vezetők - szigetelők [ cm] -1 Ag, Cu, Al Fe, Ni Félvezetők Ge, Si Szigetelők üvegek, polimerek kerámiák

3 Hőmérsékletfüggés: Fémes vezetők: Töltéshordozók: Fémes vezetők: elektron Félvezetők: elektron, lyuk Szigetelők, gázok: Ionok, elektronok Mert az elektronok mozgékonysága csökken Hőmérsékletfüggés: szigetelők, félvezetők ~ exp(-t) Mert a töltéshordozók száma nő

4 A vezetés magyarázata Elektron függőleges falú potenciálgödörben: állóhullámok alap és gerjesztett állapotok Több elektron: Pauli-elv Sok elektron: Energia sávok Sávelmélet

5 Fémrácsban: sok elektron egy kollektív rendszerben A megengedett energiasávok között tiltott sávok Szabad elektronmozgás (vezetés) csak az üres, vagy a részben betöltött sávokban lehet. Vezetők: E tiltott < 0,5 ev Félvezetők: E tiltott ~ 0,5..2 ev Szigetelők: E tiltott > 3 ev

6 A vegyértéksáv és a vezetési sáv kialakulása a Li atomok kondenzálódása során Az egymáshoz közeledő atomok külső elektronpályái ( a betöltetlenek és a betöltöttek) közössé válnak. A sok azonos szint egy-egy sávvá szélesedik. A betöltött legfelső a vegyértéksáv, a betöltetlen legalsó a vezetési sáv.

7 Az energiasávok betöltöttsége A Fermi energia Elektronok energia-eloszlásának leírására: Egy sávon belül hogyan töltődnek fel az energiaszintek Fermi-Dirac statisztika Ideális gázok energiaeloszlása: Boltzmann eloszlás n/n 0 = e -ΔE/kT f(e) azt mutatja meg, hogy egy adott E szint mennyire van feltöltve elektronokkal ( a megengedetthez képest)

8 A Fermi-Dirac függvény Energiaminimum elv + Pauli elv T = 0K en: a sávon belül az elektronok alulról kezdik feltölteni a szinteket, minden szint teljesen betöltve, a legnagyobb energiájú: Fermi-energia Nagyobb T-n: a felső szintekre jut többlet energia

9 Fermi szint E F : a legmagasabb betöltött energiaszint 0K-en (50%-os betöltési valószínűség nagyobb hőmérsékleten). Fermi szinten f(e) = 0,5 Az előző függvény 90 -kal elforgatva és ráillesztve a sávdiagramra

10 A Fermi szint szerepe Kilépési munka: E 0 - E F (kémiai potenciál, work function) Két vezető érintkezésénél a Fermi szintek igazodnak egymáshoz Az elektronok az alacsonyabb potenciál (=kisebb E F ) felé vándorolnak töltésszétválás kontaktpotenciál, Volta potenciál W ki E 0 Vez. sáv E F Vegy. sáv

11 Az energiaállapotok eloszlása Az adott szinten (az E és E+dE intervallumban) található elektronok számát mutatja meg. Az ábra szabad elektronokra vonatkozik, a fémrács elektronjaira hasonló, csak a Fermi szint környékén kissé torzul.

12 A vezetőképességet meghatározó tényezők Klasszikus modell: Szabadelektron közelítés Elektron gyorsul Ütközik a rács atomjaival Újra gyorsul. Átlagos haladási (drift) sebesség számítható fajlagos vezetőképesség Nem magyarázza a hőmérséklet-függést, a szennyezés, ötvözés hatását A töltéshordozók száma egységnyi térfogatban

13 Az elektronok mozgása síkhullámként is leírható De Broglie : = h/mv (sokféle v, sokféle ) A kristályrács fémionjai periodikus potenciálteret alkotnak úgy működik, mint egy optikai rács. Interferencia Bragg feltétele: n = 2d sin n = 1, 2, Merőleges beesésnél: n = 2d = 2d/n Állóhullám; ilyen hullámhosszok nem terjedhetnek Más -val akadály (ellenállás) nélkül

14 A vezetőképességet meghatározó tényezők Fentiek ideális rácsra vonatkoznak, egyféle geometriai rend, kevés tiltott: Ha torzul a kristályszerkezet újabb hullámhosszakra válik akadállyá a rács nő a fajlagos ellenállás Torzulás okai: Hőmérséklet emelése Ötvözés, szennyező anyagok Kristályhibák, szemcsehatár a: korlátlan elegykristály b: korlátozott elegyedés, az elegyedési határon belül két külön fázis c: intermetallikus vegyület képződése a két komponens között

15 Vezető anyagok Cu alapú vezetők: Tisztán vagy 1-2 % ötvözővel (Ag, Cr, Be) Nagy- és kisfeszültségű hálózatok NYHL összeköttetés Kontaktusok Nagyon jó vezetőképesség, Jó kémiai ellenállóképesség Közepes mechanikai tul. Al alapú vezetők: Tisztán vagy 1-2 % ötvözővel (Si, Cu) Távvezetékek IC vezetőhálózat Jó vezetőképesség, Jó kémiai ellenállóképesség Közepes mechanikai tul. Olcsóbb

16 Alkalmazások Érintkezők: Követelmények: Kicsi átmeneti ellenállás Terhelés alatt ne lágyuljon, ne olvadjon, ne kopjon Ne elegyedjen, diffundáljon a másik fémmel Alkalmas mechanikai jell. pl. rugalmasság Szokásos anyagok: C (grafit), Cu, Ag, Au, Ru, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, W Ellenállások: Követelmények: Széles R tartomány Kis hőmérsékletfüggés (TK) Kis zaj Ne öregedjen Cu-val kicsi termoelektromos feszültség Szokásos anyagok: Konstantán: (55% Cu, 44% Ni, 1% Mn), Ni, Cr, Ta-TaN

17 Fűtőellenállások: Követelmények: Magas op. Kémiai stabilitás nagy T-n Mechanikai tartósság nagy T-n FeNiCr, FeNiAl ötvözetek Pt, W, Ta, Mo SiC, MoSi 2 Grafit (3000 K-ig semleges atmoszférában

18 IC kontaktusfémezés Eredetileg Al, mert könnyen gőzölhető, jól köthető a Sihoz Nagyobb működési sebesség, miniatűrizálás miatt jobb vezető fém kellett. Cu (ρ = 1,7 µώcm), de diffundál a Si-ba. Köztes védőréteg (barrier) W, Ta/TaN, Ti/TiN vagy Ru

19 Kívánt tulajdonság Nagyon jó vezetőképesség Magas eutektikus hőmérséklet Si-vel Csekély diffúzió Si-ben Kis oxidációs hajlam, stabil oxid Magas olvadáspont Csekély kölcsönhatás a Si hordozóval, poli-si-mal Csekély kölcsönhatás a SiO 2 -dal Anyagok, amelyek NEM teljesítik Mind, kivéve Ag, Cu, Au Au, Pd, Al, Mg Cu, Ni Mg, Fe, Cu, Ag, hőálló fémek Al, Mg, Cu Pt, Pd, Rh, V, Ni, Mo, Cr Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V. Mg, Al Jó tapadás a SiO 2 -on? Kémiai stabilitás HF-os közegben is Könnyű strukturálhatóság Csekély elektromigráció Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Al Pt, Pd, Ni, Co, Au Al, Cu Győztes: Al, Cu (?)

20 Nemfémes vezetők Vezető polimerek: Konjugált kettőskötés p, n adalékolás félvezető jelleg Egydimenziós fémes vezetés Optoelektronikai eszközök: LED, display, fényelem TFT (vékonyréteg tranzisztor) Átlátszó vezetők: ITO = indium-ón oxid Vékony réteg ~ 1 cm Alkalmazás: kijelzők, napelemek ZnO Ionvezetők: Elemek, akkumulátorok, Tüzelőanyag cellák Szenzorok, pl. ZrO 2 (O 2 érzékelő szonda)

21 Félvezetők Elemek: Si, Ge Vegyületek: III V: II VI: Polimer GaAs, InP, GaN ZnS, CdS, HgTe Adalékolatlan, (intrinsic): Nagyon kevés töltéshordozó a vezetési sávban, mert a hőenergia kevés a gerjesztéshez Elektron lyuk egyensúlyban Fermi szint a tiltott sáv közepén A vegyértékelektronok a hőenergia segítségével feljuthatnak a vezetési sávba

22 A sávszerkezet kialakulása

23 Adalékolt (dopolt, szennyezett, extrinsic): új szint a tiltott sávban - p típus: B, Ga, Al n típus: P, As, Sb a Fermi szint is eltolódik

24 Az n adalék a vezetési sáv alatt hoz létre új szintet. A Fermi szint a vezetési sáv és a donor szint között p adalék szintjei

25 A p-n átmenet sávdiagramja feszültségmentes állapotban. Előfeszített p-n átmenet Töltésátrendeződés addig, amíg a Fermi szintek kiegyenlítődnek

26 Optoelektronikai eszközök LED Nyitó irányú kapcsolás Elektron lyuk rekombináció A sávszélességnek megfelelő energia fotonként szabadul fel. E g = h = hc/ Fotodetektor, napelem Egyensúlyi vagy záró irányú előfeszítés Beérkező foton elektron lyuk párt kelt, ha E foton > E g áramtermelés

27 Vegyület félvezetők A rácsállandó és tiltott sáv szélessége a vegyület félvezetőknél Elsősorban optoelektronikai alkalmazás Előny, hogy a tiltott sáv szélessége a kül. anyagok keverésével hangolható Csak a nagyon hasonló rácsállandójú anyagok alkotnak feszültségmentes elegykristályt

28 Fém félvezető átmenet MOS, MOSFET tranzisztorokban A Fermi-szintek kiegyenlítődnek, elektron-vándorlás a fém irányába. A félvezető sávszerkezet torzul. Töltésfelhalmozás a határréteg két oldalán. Egyenirányító hatás (Schottky átmenet) Félvezető és fém sávdiagramja elkülönítve A sávszerkezet módosulása az érintkezés után

29 Technológia elemei Kohászati tisztaságú Si SiO 2 + 2C Si + 2CO Tisztítás Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2 Alapszennyezés AsH 3 vagy PH 3 adagolás SiHCl 3 + H 2 Si + 3HCl Egykristály húzás: Czochralski Zónás tisztítás Szennyezés ~ 1 ppb Diszlokációmentes Kívánt orientáció Zónás tisztítás

30 Szeletelés Maratás, polírozás Tisztítás, ellenőrzés Elemgyártás Moore törvény

31 Guide to Semiconductor Physics

32 Terminológia Szilícium: silicon Szilícium dioxid, kvarc, SiO 2 : silica Szilikon, műanyag: silicone (resin) Kvarcüveg: fused silica

33 Szigetelők Jellemző tulajdonságok: Fajlagos ellenállás: 10 6 cm Szabad elektron: n 10 6 /cm 3 Tiltott sáv: E g 3 ev Dielektromos állandó (relatív permittivitás) r = C/C o, D = o r E = o E + P Veszteségi tényező: tg = I hat /I meddő Átütési szilárdság [kv/cm]

34 Polarizáció dipólmomentum: = q d polarizáció: P =N a villamos tér hatására az anyag molekulái deformálódnak, a töltések kissé szétválnak, dipólusok alakulnak ki 1. Elektronpolarizáció: Indukált dipólmomentum Független f- től, Független T-től 2. Ionpolarizáció Indukált, függ f-től és T-től 3. Orientációs polarizáció Állandó, E: rendeződés, kt: rendezetlen

35 A polarizálhatóság frekvenciafüggése Maxwell egyenlet: n = ( r ) 1/2

36 Piezoelektromosság Hooke törvény: = Y S - d E piezo hatás Elektrosztatika: D = E + g S reciprok piezo : mechanikai feszültség S: deformáció Y: Young modulus d, g: piezoelektromos állandó Szerkezetfüggő tulajdonság; alacsonyabb szimmetriájú kristályokban Kvarc SiO 2, BaTiO 3 perovszkit szerk. LiNbO 3 niobát szerk

37 Jellemzők: Csatolási tényező Mechanikai jósági tényező Frekvenciaállandó = f r d Curie pont: kristályszerkezet változás Alkalmazás: elektro-mechanikai átalakítók; rezgéskeltés, érzékelés Frekvenciastabilizálás Precíz mozgatás (pl: STM) Q W W me,be hő me,be el,

38 Ferroelektromosság Jellemzők: Spontán polarizáció Domén szerkezet Nagyon nagy relatív permittivitás; r függ az E-től Hiszterézis Curie hőmérséklet Alkalmazás: kerámia kondenzátorok

39 A Név, neptun kód B Név, neptun kód atch?v=tfvbjlen26u

40 A B A anyag fajlagos vezetőképessége 10 µs, B anyagé 30 µs. Rajzolja le vázlatosan egy grafikonon, hogy változna az ötvözeteik vezetőképessége. A:) ha szilárd fázisban csak részlegesen oldódnak egymásban (kb 10%-ig) B:) ha szilárd fázisban korlátlanul képesek elegykristályt képezni

41 A B Rajzolja le a Fermi- Dirac statisztika szerinti betöltési valószínűségi függvényt! T > 0K Jelöljön minden fontosat az ábrán! Két fém fázisdiagramja látszik az ábrán. Rajzolja le, hogy változik az ötvözet fajlagos ellenállása az összetétel függvényében! (ρ A = 10μΩcm, ρ B = 5μΩcm)

42 G H A B B Milyen fázis(ok) vannak az A területen, a G területen? Milyen lesz a kiváló szilárd fázis összetétele, ha az E pontból hűl az olvadék? Indoklás kell! Milyen fázis(ok) vannak a H területen, a B területen? Lehet-e olyan összetételű a kivált szilárd fázis, amilyenre az F nyíl mutat? Indoklás kell!