2.3.5 kietojo kuno fizikos elementai 2 (fizika.ktu.2009)

8/7/2019 2.3.5 Kietojo kuno fizikos elementai 2 (Fizika.KTU.2009)

1/23

Priemaiinis elektrinis laidumas(donorins bei akceptorins priemaios; pagrindiniai ir alutiniai krvininkai; n ir p puslaidininkiai).

Tarkime, kad gardels mazge esant keturvalent Siatom pakeit penkiavalents priemaios atomas

(fosforo, arseno, stibio ir kt.).

Keturi priemaios elektronai sudaro kovalentiniusryius su keturiais gretimais Si atomais, o penktasistampa laisvu, o priemaios atomas teigiamu jonu.

Pats jonas nra srovs nejas, nes yra lokalizuotas gardels mazge.

Atsirad laisvieji elektronai ymiai padidina kristalo laidum, lyginant su savuojulaidumu.

Tokios priemaios, kuri atomai didina laisvj elektron skaii, vadinamos donorais.

Jos yra laisvj elektron gardelei tiekjais. Tokiuose puslaidininkiuose vyraujaelektroninis laidumas, o savasis skylinis neymus.

Jie vadinami n-puslaidininkiais (negative neigiamas).


2/23


3/23


Juostins teorijos poiriupriemai atomai sukuria

lokalinius energijos lygmenis.

Donorini priemai lokaliniailygmenys yra isidst artilaidumo juostos,akceptorini arti valentinsjuostos.

Juose esantys elektronai negali judti kristale.

Elektronai i uimt lokalini donorini energijos lygmen gali pereiti laidumo juost.

Tam reikia maiau energijos, negu pereiti elektronui i valentins laidumo juost.Panaiai neuimtus lokalinius akceptorinius lygmenis elektronai gali pereiti ivalentins juostos. Tam taip pat reikia nedaug energijos.

Arti laidumo arba valentins juost esantys energijos lygmenys vadinami sekliaisiais.


4/23


Taiau priemaiiniai lygmenys gali susidaryti ir arti draustins juostos vidurio.

Pastarieji vadinami giliaisiais lygmenimis, arba gaudyklmis.

Jie takoja ne laisvj krvinink tankiui, o j judrumui.

iuose lygmenyse elektronai gali ibti gana ilg laik, kas maina puslaidininkielektrin laidum.

Jeigu priemai koncentracija yra labai didel ir jos tarpusavyje sveikauja, tuomet

lokaliniai lygmenys iplinta juostas. Jos gali persidengti su kristalo galim energijjuostomis.


5/23


Puslaidininkyje, kuriame yra donorins arba akceptorins priemaios,

laidumo juostoje susidaro laisvieji elektronai arba valentinje juostoje skyls.

Tuomet srovs nej tankis lygus savj ir priemaiini nej

tanki sumai: ,

o puslaidininkio laidumas lygus savojo ir priemaiinio laidumo sumai:

Priemaiinis laidumas priklauso nuo priemai tankio ir silpnai nuo temperatros.

emose temperatrose vyrauja priemaiinis laidumas, o auktose savasis.


6/23

N-p sandra

N-p sandra susidaro n ir p puslaidininki riboje.

Tokia sandra yra daugelio puslaidininkini prietais pagrindinis elementas.

Sakykime, suglausti du n ir p puslaidininkiai, kuriuose donorins ir akceptorinspriemaios pasiskirsiusios tolygiai.

Tarkime, kad ir yra laidumo juostos dugnoir valentins juostos viraus energijos lygmenys,

o ir cheminis potencialas bei donorinisn puslaidininkio energijos lygmuo.

, , , , atitinkami p puslaidininkiodydiai.

- cheminis potencialas lygus sistemos vidins energijos pokyiui, sistem pakeitusviena dalele. Jis nusako nevienalyi (daugiafazi) sistem pusiausvyros slyg.


7/23

N-p sandra

Suglaudus puslaidininkius, dl krvinink tankigradiento elektronai i n puslaidininkio difunduos

p puslaidinink, o skyls i p puslaidininkio.

Elektronai p puslaidininkyje rekombinuos suskylmis. Lieka nesukompensuoti akceptorinipriemai neigiami jonai, todl prie kontaktoesantis sluoksnis sielektrina neigiamai.

Panaiai n puslaidininkio sluoksnis alia kontaktosielektrina teigiamai.

Kontakto srityje susidaro dvigubas stori ir elektrinis sluoksnis, kuris yranuskurdintas laisvaisiais krvininkais, o jo vara yra didel.

Susidars kontaktinis elektrinis laukas nukreiptas nuo n link p puslaidininkio.

Jis trukdo toliau prasiskverbti laisviesiems krvininkams, todl ilgainiui nusistovidinamin pusiausvyra, kuriai esant abiej puslaidininki cheminiai potencialai

susivienodins ir bus viename lygyje .


8/23

N-p sandra

Dl sukurto elektrinio lauko storiosluoksnyje susidaro dydio kontaktinis

potencial skirtumas.

Dl ios prieasties energij juostos pasislenkavienos kit atvilgiu ir susidaro dydiopotencialinis barjeras.

Tas pasislinkimas tsiasi storio kontaktinio sluoksnio intervale.

Susidarius kontaktin potencial skirtum galime nusakyti lygybmis

, arba


9/23

N-p sandra

Krvinink judjimas pro kontakt sukuria srov.Jos atsiradimo prieastys yra dvi:

1. Pagrindini krvinink tankio gradientas ir2. Susikrs kontaktinis elektrinis laukas.

Dl gradiento atsiradusios srovs vadinamosdifuzinmis.

Kontaktinis elektrinis laukas veikia alutinius krvininkus, j sukurta srov vadinamadreifine.

Taigi kontakt kerta keturi krvinink srautai, o atsiradusi srov bus lygi keturidedamj sumai. Pagrindini krvinink (elektron n ir skyli p) sukurt srovi tankiuspaymkime ir , o alutini ir .

Pusiausvyros atveju pagrindini krvinink srautas (elektron i n p ir skyli i p n)yra lygus alutini krvinink srautui (elektron i p n ir skyli i n p).

Todl ,

o pilnosios srovs tankis lygus nuliui:


10/23

N-p sandra. Sandros voltamperin charakteristika.

Tegul iorin tampa prijungta tiesiogine kryptimi(altinio teigiamas polius prie p puslaidininkio).

Toki tamp laikysime teigiama.

altinio laukas yra prieingos krypties, nei pnsandros potencialinis barjeras, todl jis jsumains.

Dl to, elektronai ir skyls gals lengvai judti per pn sandr.

altinio lauko teigiamas polius pritrauks elektronus i n puslaidininkio p, ir stumsskyles link neigiamo poliaus ir n puslaidininkio,o neigiamas pritrauks skyles i p puslaidininkio n ir stums elektronus link teigiamopoliaus ir p puslaidininkio.

Iorinio altinio srov pastoviai tiekia elektronus n puslaidinink, i kurio jie juda linkp puslaidininkio, kuriame juda skylmis link teigiamo poliaus.

Atitinkamai, judant elektronui p puslaidininkyje, skyls, kuriomis jis juda, juds linkneigiamo poliaus


11/23


alutini krvinink judjimo sukurt dreifinisrovi tankiai, pusiausvyrj ir atvilgiu

padidja kart, t.y.

Iorin tampa praktikai difuzins srovs nepakeiia ji priklauso nuo pagrindinikrvinink tankio, kuris nuo tampos nepriklauso.

Jai galioja lygybs ,

tuomet pilnosios srovs tankis:

ia dydis - vadinamas soties srove.


12/23


jungus atgalin tamp, sandroserdvinio krvio ir alutinio lauk kryptys sutaps.

altinio elektrinis laukas pagrindini krvininkjudjim (elektron p ir skyli n puslaidininkius)dar labiau apsunkins, t.y. jiems potencialiniobarjero auktis padids dydiu .

Be to, iorinis laukas atitolins elektronus n puslaidininkyje ir skyles p puslaidininkyjenuo np sandros ir padidins jos stor bei var, sudarydama sandroje krvininkaisnuskurdint sluoksn.

Esant atgalinei tampai, per np sandr laisvai praeina alutiniai krvininkai:elektronai i p n puslaidinink ir skyls i n p puslaidinink.Tekanti p puslaidininkio link srov yra labai silpna, nes alutini krvinink tankis,esant neauktoms temperatroms, yra maas.

Kryptis, kuriai sandros vara yra didel, vadinama utvarine, o srov atgaline.Ji apraoma ta paia formule,kaip ir tiesiogin srov:

tik iuo atveju dydis .


13/23


Sandroje np srovs priklausomyb nuo tampos vadinama voltamperin charakteristika,kuri pavaizduota paveiksle.


14/23


N-p sandra pasiymi savybe pralesti srov tik viena kryptimi.

Toks elektrotechninis elementas, pagamintas naudojant vien n-p sandr, vadinamasdiodu.

Schematikai diodas ymimas -


15/23

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - reikinys

Anksiau buvo nagrinjamas iorinis fotoefektas metal veikiant elektromagnetinespinduliuote, jis gali emituoti elektronus.

Puslaidininkiuose ir dielektrikuose gaunamas ir kitokios ries fotoefektas: apvietusjuos gali padidti laisvj krvinink tankis.

Toks elektromagnetins spinduliuots sukeltas reikinys vadinamas vidiniu fotoefektu.

Laisvieji krvininkai gali susidaryti apvietus gryn (a), donorin (b) ir akceptorin (c)puslaidininkius.


16/23

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - tipai

a) Jeigu sugerto fotono energija ne maesn u draustins juostos plot , taivalentins juostos elektronas, sugrs tokios energijos foton, peroka laidumo juost.

Taip laidumo juostoje padidja elektron, o valentinje juostoje skyli tankis.

Gaut krvinink slygojamas laidumas vadinamas savuoju fotolaidumu.


17/23


b) Donorinio lygmens elektronas sugrs energijos foton, peroka

laidumo juost ir dlto padidja tik elektroninis laidumas.


18/23


c) Valentins juostos elektronui sugrus energijos foton, is peroka

akceptorin lygmen, ir dl to padidja skyli valentinje juostoje tankis.

(b) ir (c) atvejais gaunamas priemaiinis fotolaidumas.


19/23

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - ypatumai

Vidiniam fotoefektui konkreiame puslaidininkyje yra tam tikras ribinis danis ,vadinamas fotolaidumo raudonja riba, emiau kurio fotolaidumo nra.

Grynojo puslaidininkio ribinis danis tenkina slyg .

Raudonoji riba danai charakterizuojama ribiniu bangos ilgiu , kurio vert tenkina

itoki lygyb .

Jei puslaidininkio draustins juostos plotis ,

tai (geltonos viesos bangos ilgis).

Ultravioletiniai spinduliai gali sukelti fotoefekt ne tik puslaidininkiuose,

bet ir dielektrikuose (j ).

Priemaiini puslaidininki arba ir

, t.y. fotoefekt sukuria infraraudonieji spinduliai.


20/23

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - fotolaidumas

Spinduliuote vitinamo puslaidininkio savitasis laidumas (toliau laidumas)

ia tamsinis laidumas, o fotolaidumas.

Tamsin laidum slygoja krvininkai, susidar dl kristalo daleli ilumini virpesi.

Taip susidar krvininkai vadinami pusiausvyraisiais.Laisvieji krvininkai, atsirad puslaidininkyje dl vis kit poveiki, iskyrus ilumin,vadinami nepusiausvyraisiais krvininkais.

Vidinio fotoefekto krvinink tankis priklauso nuo i reikini:

1. Krvinink generavimo;2. Krvinink rekombinacijos.


21/23

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - fotolaidumas

1. Generacija. Apvietus puslaidinink, jame padidja laisv krvinink tankis.Jo didjimo greitis vadinamas krvinink generavimo sparta.

Spinduliuots slygojam elektron ir skyligeneravimo spart paymkime taip:

gryname puslaidininkyje ie greiiai vienodiir priklauso nuo viesos altinio stiprumo:

2. Rekombinacija tai krvinink susidarymui atvirkias reikinys.

Gryname puslaidininkyje ji vyksta perokant elektronui atidavus energij kristalineigardelei susidrimo metu ir nukrentant i laidumo valentin juost.Dl rekombinacijos krvinink juostose gyvavimo trukm sumaja, kartu sumaja ir

j skaiius. Rekombinacijos sparta charakterizuojama krvinink gyvavimo trukme :tai laikas, per kur, nutraukus vitinim, krvinink tankis sumaja e kart.Fotolaidumas priklauso nuo i dviej konkuruojani reikini ir jgalima aprayti itokia lygtimi:

ia elektron, o skyli judrumas; j gyvavimo trukm.


22/23

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - fotorezistorius

Fotolaidumo reikinys panaudojamas gaminant prietaisus fotorezistorius.

J sudaro dielektriko padklas 1, kuris padengiamas plonupuslaidininkio sluoksniu 2 ir ant kurio ugarinamas metaliniselektrodas 3.

Sluoksnis 2 padengiamas skaidriu laku, sauganiu j nuokenksming iorini poveiki (drgms, dulki).

Prie neapviesto fotorezistorius prijungus tamp, teka tamsin srov.

Apvietus padaugja laisvj krvinink ir dl to vara sumaja.Keiiant viesos sraut, fotorezistoriaus elektrinis laidumas padidja kart ir daugiau.

Tipiniaifotorezistorielementai:


23/23

Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose - fotorezistorius

Fotoelektriniai reikiniai fotorezistoriuose yra inertiki.

Veikiant rezistori staiakampiais pastovausintensyvumo viesos impulsais, srov palaipsniui didjanuo tamsins iki stacionariosios verts ir maja,artdamas prie tamsins verts.

Fotorezistoriaus inertikumas apibdinamas laiko

pastovija , t.y. laiku, per kur srov, ijungusapvietim, sumaja ekart.

is laikas priklauso nuo krvinink perteklins energijos perdavimo gardelei greiio iryra .

Fotorezistoriai veikia plaiame viesos bang ilgi diapazone: .

Regimai spektro sriiai jautrs fotorezistoriai gaminami i kadmio sulfido (CdS), oinfraraudonajai i vino sulfido (PbS), vino selenido (PbSe) ir kt.

2.3.5 kietojo kuno fizikos elementai 2 (fizika.ktu.2009)

Documents