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

Hasonló dokumentumok
Villamos tulajdonságok

Villamos tulajdonságok

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

Vezető anyagok. Vezető anyagok. Villamos anyagok, villamos tulajdonságok. Fontosabb fémek vezetőképessége 15/11/2015

Villamos anyagok, villamos tulajdonságok

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok. Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék:

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK I. Elektrotechnika 4. előadás

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

Szigetelők Félvezetők Vezetők

XI. előad április 22. Definíci. Elektromos tulajdonságok: az anyagok elektromos tér hatására adott válasza

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

Fermi Dirac statisztika elemei

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Elektromos vezetési tulajdonságok

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Fémek, ötvözetek

1. SI mértékegységrendszer

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 9. Hőtani, elektromos és kémiai tulajdonságok

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

A FÉMES KÖTÉS ÉRTELMEZÉSE A SZABADELEKTRON MODELL ALAPJÁN

Mérés és adatgyűjtés

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Trendek az anyagtudományban Vezetési jelenségek Dr. Mészáros István 2013.

Reális kristályok, rácshibák. Anyagtudomány gyakorlat 2006/2007 I.félév Gépész BSC

dinamikai tulajdonságai

Vezetékek. Fizikai alapok

Vezetők elektrosztatikus térben

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

5. Villamos tulajdonságok

Egyenáram. Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

Elektronegativitás. Elektronegativitás

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

Analitikai szenzorok második rész

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Szupravezetés. Mágneses tér mérő szenzorok (DC, AC) BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Dr. Mészáros István. Előadásvázlat 2013.

Speciális passzív eszközök

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2012/13-es tanév I. félév

Kerámiák. Csoportosítás. Hagyományos szilikátkerámiák Építőanyagok: cement, tégla, fajansz, stb Üvegekek, Fémoxidok, nitridek, boridok stb.

Villamos tér. Elektrosztatika. A térnek az a része, amelyben a. érvényesülnek.

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

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

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 8. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

American Society of Materials. Szilárdtestek. Fullerének (C atomok, sokszögek) zárt gömb, tojás cső (egy és többrétegű)

Kétalkotós ötvözetek. Vasalapú ötvözetek. Egyensúlyi átalakulások.

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

III. félvezetők elméleti kérdések 1 1.) Milyen csoportokba sorolhatók az anyagok a fajlagos ellenállásuk alapján?

2. Ideális esetben az árammérő belső ellenállása a.) nagyobb, mint 1kΩ b.) megegyezik a mért áramkör eredő ellenállásával

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 6.

Kötések kialakítása - oktett elmélet

Elektromos áramerősség

Általános Kémia, 2008 tavasz

Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.

Az elektronpályák feltöltődési sorrendje

Félvezetők és a digitális világ: anyagtudományi vonatkozások

Diszkrét aktív alkatrészek

5. Laboratóriumi gyakorlat. A p-n ÁTMENET HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE

A kémiai kötés magasabb szinten

A kémiai kötés magasabb szinten

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI IV.

FÉLVEZETŐ ALAPÚ ESZKÖZÖK GYÁRTÁSTECHNOLÓGIÁJA

Polimerek fizikai, mechanikai, termikus tulajdonságai

Elektronszínképek Ultraibolya- és látható spektroszkópia

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

Aktuátorok korszerű anyagai. Készítette: Tomozi György

Az anyagok vezetési tulajdonságai (segédanyag a "Vezetési jelenségek" című gyakorlathoz)

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

BŐVÍTETT TEMATIKA a Kondenzált anyagok fizikája c. tárgyhoz

9. Funkcionális kerámiák

Az anyagok mágneses tulajdonságai

SZIGETELŐK, FÉLVEZETŐK, VEZETŐK

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Diffúzió 2003 március 28

6. Félvezető lézerek

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

5 előadás. Anyagismeret

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2016/17. Szilárdságnövelés. Dr. Mészáros István Az előadás során megismerjük

-A homogén detektorok közül a gyakorlatban a Si és a Ge egykristályból készültek a legelterjedtebbek.

A napelemek fizikai alapjai

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

A lézer alapjairól (az iskolában)

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

Fogászati anyagok fajtái. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Anyagcsaládok: fémek, kerámiák.

Elektronika Előadás. Mikroelektronikai félvezetők fizikai alapjai. PN átmenet, félvezető diódák. Diódatípusok, jellemzők, alkalmazások.

Elektronika Alapismeretek

7 Elektrokémia. 7-1 Elektródpotenciálok mérése

Nanoelektronikai eszközök III.

2010. január 31-én zárult OTKA pályázat zárójelentése: K62441 Dr. Mihály György

ACÉLOK MÉRNÖKI ANYAGOK

F1301 Bevezetés az elektronikába Félvezető diódák

Elektromos vezetés, mágneses ellenállás és Hall-effektus vizsgálata félvezetőkben

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Laptop: a fekete doboz

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Átírás:

Villamos tulajdonságok

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 10 6 1 10-6 10-12 [ cm] -1 Ag, Cu, Al Fe, Ni Félvezetők Ge, Si Szigetelők üvegek, polimerek kerámiák

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

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

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

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.

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)

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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 (?)

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)

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

A sávszerkezet kialakulása

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

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

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

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

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

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

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

Szeletelés Maratás, polírozás Tisztítás, ellenőrzés Elemgyártás Moore törvény

Guide to Semiconductor Physics www.tf.uni-kiel.de\matwis\amat http://nobelprize.org/educational_games/physics/semiconductors/ http://nobelprize.org/educational_games/physics/transistor/function/index.html

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

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]

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

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

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

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,

Ferroelektromosság Jellemzők: Spontán polarizáció Domén szerkezet Nagyon nagy relatív permittivitás; 1000 20000 r függ az E-től Hiszterézis Curie hőmérséklet Alkalmazás: kerámia kondenzátorok

A Név, neptun kód B Név, neptun kód http://www.youtube.com/w atch?v=tfvbjlen26u

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

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)

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!