Villamos tulajdonságok



Hasonló dokumentumok
Villamos tulajdonságok

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

Szigetelők Félvezetők Vezetők

A polimer elektronika

XXV. ELEKTROMOS VEZETÉS SZILÁRD TESTEKBEN

A jövő anyaga: a szilícium. Az atomoktól a csillagokig február 24.

BŐVÍTETT TEMATIKA a Kondenzált anyagok fizikája c. tárgyhoz

3. gyakorlat. Félvezető eszközök jellemzőinek vizsgálata a hőmérséklet függvényében

Könnyűfém és szuperötvözetek

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Kémiai fizikai alapok I. Vízminőség, vízvédelem tavasz

Optika Gröller BMF Kandó MTI. Optikai alapfogalmak. Fény: transzverzális elektromágneses hullám. n = c vákuum /c közeg. Optika Gröller BMF Kandó MTI

Analitikai szenzorok második rész

I. Atomszerkezeti ismeretek (9. Mozaik Tankönyv: oldal) 1. Részletezze az atom felépítését!

Az anyagok mágneses tulajdonságai

Képalkotás a pásztázó elektronmikroszkóppal

- elektromos szempontból az anyagokat három csoportra oszthatjuk: vezetık félvezetık szigetelı anyagok

MAGYAR RÉZPIACI KÖZPONT Budapest, Pf. 62 Telefon , Fax


Redoxi reakciók Elektrokémiai alapok Műszaki kémia, Anyagtan I előadás

Fémes szerkezeti anyagok

1 A fémek és ötvözetek kristályosodása

1. Ha két közeg határfelületén nem folyik vezetési áram, a mágneses térerősség vektorának a(z). komponense folytonos.

Tárgyszavak: alakmemória-polimerek; elektromosan vezető adalékok; nanokompozitok; elektronika; dópolás.

Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Mikroelektronikai és Technológia Intézet. Mikro- és nanotechnika (KMENT14TNC)

Villamos kapcsolókészülékek BMEVIVEA336

A standardpotenciál meghatározása a cink példáján. A galváncella működése elektrolizáló cellaként Elektródreakciók standard- és formálpotenciálja

NE FELEJTSÉTEK EL BEÍRNI AZ EREDMÉNYEKET A KIJELÖLT HELYEKRE! A feladatok megoldásához szükséges kerekített értékek a következők:

Részecskék hullámtermészete

Orvosi implantátumok anyagai

Mit mond ki a Huygens elv, és miben több ehhez képest a Huygens Fresnel-elv?

XLVI. Irinyi János Középiskolai Kémiaverseny február 6. * Iskolai forduló I.a, I.b és III. kategória

BME Vízi Közmő és Környezetmérnöki Tanszék. Szabó Anita. Foszfor eltávolítás és a biológiai szennyvíztisztítás intenzifikálása kémiai előkezeléssel

1.ábra A kadmium felhasználási területei

Radioizotópok az üzemanyagban

TERMOELEM-HİMÉRİK (Elméleti összefoglaló)

Atomfizikai összefoglaló: radioaktív bomlás. Varga József. Debreceni Egyetem OEC Nukleáris Medicina Intézet Kötési energia (MeV) Tömegszám

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás VI

Hibrid mágneses szerkezetek

Jellemző redoxi reakciók:

Nemkoherens fényforrások 1. Termikus és lumineszcens sugárzók

Kerámiák és kompozitok (gyakorlati elokész

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Oxidkristályok lineáris terahertzes spektroszkópiai vizsgálata. Unferdorben Márta

KÉMIA TANMENETEK osztályoknak

Áramforrások. Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.

Kémiai alapismeretek 11. hét

Hibrid Integrált k, HIC

Kémiai alapismeretek 4. hét

Lumineszcencia alapjelenségek

Falazott szerkezetek méretezése

Az atom felépítése, fénykibocsátás (tankönyv 68.o.- 86.o.)

biokerámiák félvezetők

Alumínium és ötvözeteinek hegesztése

A szilárd állapot. A szilárd állapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Feszített vasbeton gerendatartó tervezése költségoptimumra

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

RÖNTGEN-FLUORESZCENCIA ANALÍZIS

Vas és szén. Anyagismeret, anyagkivála sztás. Acél jellemzıi. Egyéb alkotók: ötvözı vagy szennyezı?

Számítógépes tervezés. Digitális kamera

0,25 NTU Szín MSZ EN ISO 7887:1998; MSZ 448-2:1967 -

KÉMIA TEMATIKUS ÉRTÉKELİ FELADATLAPOK. 9. osztály C változat

KÉMIA 10. Osztály I. FORDULÓ

41. A minıségügyi rendszerek kialakulása, ISO 9000 rendszer jellemzése

A talliummal szennyezett NaI egykristály, mint gammasugárzás-detektor

1. Prefix jelentések. 2. Mi alapján definiáljuk az 1 másodpercet? 3. Mi alapján definiáljuk az 1 métert? 4. Mi a tömegegység definíciója?

Fizika belépő kérdések /Földtudományi alapszak I. Évfolyam II. félév/

Anyagfelvitellel járó felületi technológiák 2. rész

ESR színképek értékelése és molekulaszerkezeti értelmezése

1 B. AZ E L E K T R O M O S É S M Á G N E S E S M E Zİ (ismétlés)

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

P a r c iá lis v í z g ő z n y o m á s [ P a ]

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

KÉMIA Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ 2003

m n 3. Elem, vegyület, keverék, koncentráció, hígítás m M = n Mértékegysége: g / mol elem: azonos rendszámú atomokból épül fel

Gerhátné Udvary Eszter

Elektrokémiai gyakorlatok

Nyomtatott huzalozású lemezek technológiája

Az optikai szálak. FV szálak felépítése, gyakorlati jelenségek

Grafit fajlagos ellenállásának mérése

KÉMIA. Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ 2003

ПРОГРАМА ВСТУПНОГО ВИПРОБУВАННЯ З ХІМІЇ Для вступників на ІІ курс навчання за освітньо-кваліфікаційним рівнем «бакалавр»

A hegesztési eljárások áttekintése. A hegesztési eljárások osztályozása

Ph Mozgás mágneses térben

Korszerű alumínium ötvözetek és hegesztésük

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

Termoelektromos polimerek és polimerkompozitok

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

4. elıadás A KRISTÁLYFIZIKA ALAPJAI

NEMKOHERENS FÉNYFORRÁSOK I TERMIKUS ÉS LUMINESCENS SUGÁRZÓK

ALAPFOGALMAK ÉS ALAPTÖRVÉNYEK

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Villamosmérnöki és Informatikai Kar. Doktori értekezés

DR. KOVÁCS ERNŐ ELEKTRONIKA II. (DISZKRÉT FÉLVEZETŐK, ERŐSÍTŐK) ELŐADÁS JEGYZET

NANOELEKTRONIKA JEGYZET MIZSEI JÁNOS RÉSZEIHEZ

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

GÁZIONIZÁCIÓS DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató. Gyurkócza Csaba

FIZIKA Tananyag a tehetséges gyerekek oktatásához

Fényforrások. E hatására gáztérben ütközési ionizáció. Stefan-Boltzmann-tv. Wien-tv. Planck-tv. 4 tot

Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés

Anyagtudomány. Vasötvözetek fémtana. Gyakorlati vas-karbon ötvözetek Ötvözetlen acélok, öntöttvasak

8.B 8.B. 8.B Félvezetı áramköri elemek Unipoláris tranzisztorok

Átírás:

Villamos tulajdonságok A vezetés s magyarázata Elektron függıleges falú potenciálgödörben: állóhullámok alap és gerjesztett állapotok Több elektron: Pauli-elv Sok elektron: Energia sávok Sávelméletlet Alapfogalmak Fémrácsban: sok elektron egy kollektív rendszerben A megengedett energiasávok között tiltott sávok Ohm törvény: j = σ E σ = 1/ρ j: áramsőrőség, σ: fajlagos vezetıképesség, E: térerısség ρ: fajlagos ellenálás σ = n e µ n: töltéshordozók száma, e: töltés, µ: töltéshordozó mozgékonysága Vezetık - szigetelık 106 1 10-6 10-12 σ [Ωcm] -1 Szabad elektronmozgás (vezetés) csak az üres, vagy a részben betöltött sávokban lehet. Ag, Cu, Al Fe, Ni Félvezetık Ge, Si Szigetelık üvegek, polimerek kerámiák Vezetık: E tiltott < 0,5 ev Félvezetık: E tiltott ~ 0,5..2 ev Szigetelık: E tiltott > 3 ev Töltéshordozók: Fémes vezetık: elektron Félvezetık: elektron, lyuk Szigetelık, gázok: Ionok, elektronok Hımérsékletfüggés: szigetelık, félvezetık ρ ~ exp(-t) Mert a töltéshordozók száma nı Hımérsékletfüggés: Fémes vezetık: A vegyért rtéksáv és s a vezetési sáv v kialakulása a Li atomok kondenzálódása során Az egymáshoz közeledı atomok külsı elektronpályái ( a betöltetlenek és a betöltöttek) közössé válnak. A sok azonos szint egy-egy sávvá szélesedik. A betöltött legfelsı a vegyértéksáv, a betöltetlen legalsó a vezetési sáv. 1

Az energiasávok betölt ltöttsége A Fermi szint szerepe A Fermi energia Elektronok energia-eloszlásának leírására: Egy sávon belül hogyan töltıdnek fel az energiaszintek Fermi-Dirac statisztika f(e) azt mutatja meg, hogy egy adott E szint mennyire van feltöltve elektronokkal ( a megengedetthez képest) Két vezetı érintkezésénél a Fermi szintek igazodnak egymáshoz Az elektronok az alacsonyabb potenciál (=kisebb E F ) felé vándorolnak töltésszétválás kontaktpotenciál, Volta potenciál Kilépési munka: E 0 - E F W ki E 0 Vez. sáv E F Vegy. sáv A Fermi-Dirac függvf ggvény 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 felsı szintekre jut többlet energia Az energiaállapotok eloszlása sa 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. a legmagasabb betöltött energiaszint 0K-en (50%-os betöltési valószínőség nagyobb hımérsékleten). Az elızı függvény 90 -kal elforgatva és ráillesztve a sávdiagramra Fermi szint E F : Fermi szinten f(e) = 0,5 A vezetıképess pességet meghatároz rozó tényezık Klasszikus modell: Szabadelektron közelítés Elektron gyorsul Ütközik a rács atomjaival Újra gyorsul. Átlagos haladási (drift) sebesség számítható fajlagos vezetıképesség A töltéshordozók száma egységnyi térfogatban 2

Emlékeztet keztetı: Brillouin-zónák A rácstávolságot az egyszerő cm helyett a rácsban terjedı hullám hullámszámával (k) fejezi ki. k = 2π/λ A rácssíkra merıleges hullám interferenciájának feltétele: n λ = 2d k = n π/d ha: n = 1, elsı zóna határa π/d, ilyen k-jú hullám nem terjedhet Kristálykoordináták a k térben bcc rács Brillouin-zónás ábrázolása Tércentrált köbös és lapcentrált köbös rácstípus Brillouin-zónája Négyzetes síkrács elsı három Brillouin-zónája Az elektronok mozgása síkhullámként is leírható De Broglie : λ = h/mv Vezetı anyagok A kristályrács fémionjai periodikus potenciálteret alkotnak Interferencia Bragg feltétele: n λ = 2d sinθ n = 1, 2, Merıleges beesésnél: n λ = 2d λ = 2d/π Állóhullám; ilyen hullámhosszok nem terjedhetnek Más λ-val akadály (ellenállás) nélkül Cu alapú vezetık: Tisztán vagy 1-2 % ötvözıvel (Ag, Cr, Be) Nagy- és kisfeszültségő hálózatok NYHL összeköttetés Kontaktusok Nagyon jó vezetıképesség, Jó kémiai ellenállóképesség Közepes mechanikai tul. Al alapú vezetık: Tisztán vagy 1-2 % ötvözıvel (Si, Cu) Távvezetékek IC vezetıhálózat Jó vezetıképesség, Jó kémiai ellenállóképesség Közepes mechanikai tul. Olcsóbb A vezetıképess pességet meghatároz rozó tényezık Alkalmazások Fentiek ideális rácsra vonatkoznak: Ha torzul a kristályszerkezet újabb hullámhosszakra válik akadállyá a rács nı a fajlagos ellenállás a: korlátlan elegykristály b: korlátozott elegye-dés, az elegyedési határon belül két külön fázis Torzulás okai: Hımérséklet emelése Ötvözés, szennyezı anyagok Kristályhibák, szemcsehatár c: intermetallikus vegyület képzıdése a két komponens között Érintkezık: 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 hımérsékletfüggés (TK) Kis zaj Ne öregedjen Cu-val kicsi termoelektromos feszültség Szokásos anyagok: Konstantán: (55% Cu, 44% Ni, 1% Mn), Ni, Cr, Ta-TaN 3

Főtıellenállások: FeNiCr, FeNiAl ötvözetek Nemfémes mes vezetık Követelmények: Magas op. Kémiai stabilitás nagy T-n Mechanikai tartósság nagy T-n Pt, W, Ta, Mo SiC, MoSi 2 Grafit (3000 K-ig semleges atmoszférában Vezetı polimerek: Konjugált kettıskötés p, n adalékolás félvezetı jelleg Egydimenziós fémes vezetés Optoelektronikai eszközök: LED, display, fényelem TFT (vékonyréteg tranzisztor) Átlátszó vezetık: ITO = indium-ón oxid Vékony réteg ~ 1Ωcm Alkalmazás: kijelzık, napelemek ZnO Ionvezetık: Elemek, akkumulátorok, Tüzelıanyag cellák Szenzorok, pl. ZrO 2 (O 2 érzékelı λ szonda) IC kontaktusfémez mezés Eredetileg Al, mert könnyen gızölhetı, jól köthetı a Sihoz Nagyobb mőködési sebesség, miniatőrizálás miatt jobb vezetı fém kellett. Cu (ρ = 1,7 µώcm), de diffundál a Si-ba. Köztes védıréteg (barrier) W, Ta/TaN, Ti/TiN vagy Ru Félvezetık Elemek: Si, Ge Vegyületek: III V: GaAs, InP, GaN II VI: ZnS, CdS, HgTe Polimer Adalékolatlan, (intrinsic): Nagyon kevés töltéshordozó a vezetési sávban, mert a hıenergia kevés a gerjesztéshez Elektron lyuk egyensúlyban Fermi szint a tiltott sáv közepén A vegyértékelektronok a hıenergia segítségével feljuthatnak a vezetési sávba Kívánt tulajdonság Nagyon jó vezetıképesség Magas eutektikus hımérséklet 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 Jó tapadás a SiO 2 -on Kémiai stabilitás HF-os közegben is Könnyő strukturálhatóság Csekély elektromigráció Anyagok, amelyek NEM teljesítik Mind, kivéve Ag, Cu, Au Au, Pd, Al, Mg Cu, Ni Mg, Fe, Cu, Ag, hıálló fémek Al, Mg, Cu Pt, Pd, Rh, V, Ni, Mo, Cr Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V. Mg, Al? Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Al Pt, Pd, Ni, Co, Au Al, Cu A sávszerkezet s kialakulása Gyıztes: Al, Cu (?) 4

Adalékolt (dopolt, szennyezett, extrinsic): új szint a tiltott sávban - p típus: B, Ga, Al n típus: P, As, Sb a Fermi szint is eltolódik Optoelektronikai eszközök LED Nyitó irányú kapcsolás Elektron lyuk rekombináció A sávszélességnek megfelelı energia fotonként szabadul fel. E g = hν = hc/λ Fotodetektor, napelem Egyensúlyi vagy záró irányú elıfeszítés Beérkezı foton elektron lyuk párt kelt, ha E foton > E g áramtermelés Az n adalék a vezetési sáv alatt hoz létre új szintet. Vegyület félvezetf lvezetık A Fermi szint a vezetési sáv és a donor szint között p adalék szintjei A rácsállandó és tiltott sáv szélessége a vegyület félvezetıknél Elsısorban optoelektronikai alkalmazás Elıny, hogy a tiltott sáv szélessége a kül. anyagok keverésével hangolható Csak a nagyon hasonló rácsállandójú anyagok alkotnak feszültségmentes elegykristályt A p-n átmenet sávdiagramja feszültségmentes állapotban. Töltésátrendezıdés addig, amíg a Fermi szintek kiegyenlítıdnek Elıfeszített p-n átmenet Fém félvezetı átmenet MOS, MOSFET tranzisztorokban A Fermi-szintek kiegyenlítıdnek, elektron-vándorlás a fém irányába. A félvezetı sávszerkezet torzul. Töltésfelhalmozás a határréteg két oldalán. Egyenirányító hatás (Schottky átmenet) Félvezetı és fém sávdiagramja elkülönítve A sávszerkezet módosulása az érintkezés után 5

Technológia elemei Szigetelık 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 Jellemzı tulajdonságok: Fajlagos ellenállás: ρ > 10 6 Ωcm Szabad elektron: n < 10 6 /cm 3 Tiltott sáv: E g > 3 ev Dielektromos állandó (relatív permittivitás) ε r = C/C o, D = ε o ε r E = ε o E + P Veszteségi tényezı: tgδ = I hat /I meddı Átütési szilárdság [kv/cm] Szeletelés Maratás, polírozás Tisztítás, ellenırzés Elemgyártás Moore törvény Polarizáci ció a villamos tér hatására az anyag molekulái deformálódnak, a töltések kissé szétválnak, dipólusok alakulnak ki dipólmomentum: µ = q d polarizáció: P =N µ 1. Elektronpolarizáció: Indukált dipólmomentum Független f- tıl, Független T-tıl 2. Ionpolarizáció Indukált, függ f-tıl és T-tıl 3. Orientációs polarizáció Állandó µ, E: rendezıdés, kt: rendezetlen B. S. Guide to Semiconductor Physics A polarizálhat lhatóság g frekvenciafügg ggése Maxwell egyenlet: n = (ε r ) 1/2 www.tf.uni-kiel.de\matwis\amat http://nobelprize.org/educational_games /physics/semiconductors/ http://nobelprize.org/educational_games /physics/transistor/function/index.html www.britneyspears.ac\lasers.htm 6

Piezoelektromosság Hooke törvény: σ = Y S - d E piezo hatás Elektrosztatika: D = ε E + g S reciprok piezo σ: mechanikai feszültség S: deformáció Y: Young modulus d, g: piezoelektromos állandó Szerkezetfüggı tulajdonság; alacsonyabb szimmetriájú kristályokban Kvarc SiO 2, BaTiO 3 perovszkit szerk. LiNbO 3 niobát szerk Jellemzık: Csatolási tényezı Mechanikai jósági tényezı Frekvenciaállandó = f r d Curie pont: kristályszerkezet változás Alkalmazás: elektro-mechanikai átalakítók; rezgéskeltés, érzékelés Frekvenciastabilizálás Precíz mozgatás (pl: STM) Q W = W me,be hı me,be el, Ferroelektromosság Jellemzık: Spontán polarizáció Domén szerkezet Nagyon nagy relatív permittivitás; 1000 20000 ε r függ az E-tıl Hiszterézis Curie hımérséklet Alkalmazás: kerámia kondenzátorok 7