ele - auditorne vjezbe 01-2015

Elektronika (120)

Auditorne vjebe 1

Katedra za nanoelektroniku i fotonaponsku pretvorbu

O kolegiju

2

Elektroniki elementi Elektroniki sklopovi

Poluvodii Dioda Tranzistor

Pojaala s bipolarnim tranzistorom Pojaala s unipolarnim tranzistorom Operacijsko pojaalo

02.03. 17.04. 04.05. 12.06.

Ocjena: teorija 50%, zadaci 50% (+ dodatni bodovi)

Ispiti: 01.07.2015. i 15.07.2015.

Bodovi Ocjena

50-60 dovoljan (2)

61-74 dobar (3)

75-87 vrlo dobar (4)

88-100 izvrstan (5)

Konzultacije: Tihomir Betti, B709, [email protected] Ivan Marasovi, B406, [email protected]


to je elektronika?

Elektronika je grana znanosti i tehnologije koja prouava/koristi usmjereno gibanje elektrona kroz neki medij ili vakuum.

Usmjereno gibanje elektrona elektrina struja

3


Od ega se izrauju elektroniki ureaji?

Silicij Si (2. najrasprostranjeniji element u Zemljinoj kori 27,7%)

Germanij Ge

4


Sloeni poluvodii

III-V poluvodii:

GaAs, GaN, GaP, GaSb

AlAs, AlN, AlP

InSb, InAs, InN, InP

AlGaAs, InGaAs

InGaP, AlGaP

II-VI poluvodii:

CdS, CdSe, CdTe

ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe

itd

5


Definicija poluvodia

Materijali ija je elektrina vodljivost vea od vodljivosti izolatora, a manja od vodia.

Kljuni parametar je elektrina vodljivost!

Vodljivost poluvodia moe se mijenjati u irokom rasponu vrijednosti.

Kako?

Pogledati u strukturu silicija!

6

cmScmS 38 1010


Struktura silicija

vrsto tijelo

Kristalna struktura

Kovalentna veza

Gustoa atoma: 51022 cm-3

7


Kovalentna veza

Atom:

Jezgra

Elektroni (smjeteni u tzv. ljuskama)

Kljuni su tzv. valentni elektroni.

8


Slobodni elektroni

Elektrina vodljivost ovisi o broju slobodnih elektrona

Ali elektroni su u kovalentnim vezama!

Kako osloboditi elektron iz kovalentne veze???

Razbiti kovalentnu vezu!

KAKO???

9


Gustoa slobodnih elektrona

Gustoa slobodnih elektrona: n [cm-3]

Broj slobodnih elektrona u jedinici volumena

Ovisi o temperaturi!

Elektron se moe osloboditi iz kovalentne veze ako mu se dovede energija (zagrijavanjem, djelovanjem svjetla itd.).

Oslobaanjem elektrona nastaje upljina!!!

10


Karakteristine energije

Vrh valentnog pojasa najvea energija koju elektron moe imati, a da je jo uvijek vezan uz atom. Ev

Dno vodljivog pojasa najmanja energija koju elektron moe imati kad je slobodan. Ec

irina zabranjenog pojasa najmanja energija koju treba dovesti da bi se oslobodio elektron iz kovalentne veze. EG

Prikaz karakteristinih energija energijski dijagram.

11


Energijski dijagram poluvodia

vcG EEE

12

E

Ec

Ev

EG

Za silicij na 300 K: EG=1,12 eV

Za GaAs na 300 K: EG=1,42 eV 1 eV = 1,60210-19 J


irina zabranjenog pojasa

Model za proraun irine zabranjenog pojasa Si u ovisnosti o temperaturi:

Drugi model:

13

][636

1073,417,12

4 eVT

TTEG

eVT1005,6T10059,117,1TE 275G K170T

eVT1005,3T10025,91785,1TE 275G K170T


Zadatak 1.

Izraunati irinu zabranjenog pojasa silicija na sljedeim temperaturama:

a) T= 200 K

b) T= 350 K

c) T= 400 K

Domai rad: Odrediti irine zabranjenog pojasa pri zadanim temperaturama s drugim modelom i usporediti ih s rezultatima iz zadatka 1.

14

0 200 400 600 800 10000.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

Temperatura [K]

Zb

ran

jen

i p

oja

s [e

V]

Rjeenje: a) EG = 1,147 eV

b) EG = 1,111 eV

c) EG = 1,097 eV


isti (intrinsini) silicij

Bez primjesa (neistoa).

Broj slobodnih elektrona = broj razbijenih kovalentnih veza.

Razbijena kovalentna veza = slobodno mjesto za drugi elektron upljina.

Gustoa upljina p [cm-3].

U intrinsinom poluvodiu:

n = p = ni

15


Odreivanje intrinsine gustoe

Model za odreivanje intrinsine gustoe u ovisnosti o temperaturi za silicij:

16

][2

exp 321

cm

E

ENNn

T

Gvci

][102,6 32315 cmTNc

][105,3 32315 cmTNv

][11605

eVT

TkET


Zadatak 2.

Izraunati intrinsinu gustou u silicijskom poluvodiu na temperaturama:

a) T = 100 K b) T = 200 K c) T = 350 K d) T = 400 K

Domai rad: Izraunati intrinsinu gustou u silicijskom poluvodiu na zadanim temperaturama koristei irine zabranjenog pojasa izraunate u prethodnom zadatku domaeg rada. Dobivene rezultate usporediti s rezultatima iz zadatka 2.

17

0 100 200 300 400 500 600 70010

-30

10-20

10-10

100

1010

1020

Temperatura [K]In

trin

si

na

gu

sto

a

[cm

- 3]

Rjeenje: a) ni = 2,2310

-11 cm-3

b) ni = 4,61104 cm-3

c) ni = 3,051011 cm-3

d) ni = 4,581012 cm-3


Oneieni (ekstrinsini) poluvodi

Poluvodi s primjesama (namjerno unesene)

Gustoa primjesa odreuje elektrina svojstva (vodljivost)

primjesa = neistoa = dopant

unoenje neistoa = dopiranje

18


Tipovi ekstrinsinih poluvodia

Prevladavaju elektroni n-tip

Prevladavaju upljine p-tip

Primjese se unose posebnim tehnolokim postupcima

Ureaj za ionsku implantaciju i nanoenje

poluvodikih filmova

19


Poluvodi n-tipa

Primjese: 5-valentni atomi:

FOSFOR (P)

ARSEN (As)

ANTIMON (Sb)

Imaju 5 valentnih elektrona:

4 u kovalentnoj vezi (vrsto vezani)

1 vezan uz jezgru (puno slabije vezan)

20


Intrinsini poluvodi

+4 +4 +4 +4

+4 +4 +4 +4

+4 +4 +4 +4

21


Poluvodi n-tipa

+4 +5 +4 +4

+4 +4 +4 +4

+4 +4 +4 +4

5. valentni elektron

atom

fosfora

atom silicija

22


Poluvodi n-tipa

+4 +5 +4 +4

+4 +4 +4 +4

+4 +4 +4 +4

5. valentni elektron

Pozitivan ion -

DONOR

upljina

23

slobodni elektron slobodni elektron


Poluvodi n-tipa

Naboji u poluvodiu n-tipa:

Slobodni elektroni

Slobodne upljine

Lokalizirani donori

Ravnoteno stanje:

Gustoa elektrona n0 Gustoa upljina p0 Gustoa donora ND

Elektroni su veinski nosioci naboja

upljine su manjinski nosioci naboja

00 pn

24


Poluvodi p-tipa

Primjese: 3-valentni atomi:

BOR (B)

ALUMINIJ (Al)

GALIJ (Ga)

Imaju 3 valentna elektrona:

3 u kovalentnoj vezi (vrsto vezani)

1 nedostaje uz jezgru (slobodno mjesto za elektron - upljina)

25


Poluvodi p-tipa

+4 +3 +4 +4

+4 +4 +4 +4

+4 +4 +4 +4

upljina

atom aluminija

atom silicija

26


Poluvodi p-tipa

Naboji u poluvodiu p-tipa:

Slobodni elektroni

Slobodne upljine

Lokalizirani akceptori

Ravnoteno stanje:

Gustoa elektrona n0 Gustoa upljina p0 Gustoa donora NA

upljine su veinski nosioci naboja

Elektroni su manjinski nosioci naboja

00 np

27


Osnovni zakoni u poluvodiima

1) Zakon elektrine neutralnosti:

2) Zakon termodinamike ravnotee:

DA NpNn 00

2

00 inpn

28


Zadatak 3.

Izraunati relativnu promjenu intrinsine gustoe u silicijskom poluvodiu ako se temperatura s 300 K povisi za 10%.

Rjeenje:

Proraun:

T1=300 K ni1 = 8,68109 cm-3

T2=330 K ni2 = 8,31010 cm-3

%856

1

12

1

i

ii

i

i

n

nn

n

n

29


Zadatak 4.

Silicijskom poluvodiu dodane su akceptorske primjese gustoe NA=10

14 cm-3. Odrediti gustoe slobodnih nosilaca naboja na temperaturama: a) 0C

b) 27C

c) 175C

Rjeenje:

Primjese=akceptori p-tip poluvodia! prevladavaju upljine!

Primijeniti osnovne zakone o poluvodiima!

30

ele - auditorne vjezbe 01-2015

Documents