Sa stajališta elektronike osnovna podjela materijala: vodiči poluvodiči izolatori

1. Materijali Sa stajališta elektronike osnovna podjela materijala: • vodiči • poluvodiči • izolatori Temeljna razlika u vrijednosti specifičnog otpora materijala. • ρ<10-3 Ωcm - vodiči • 10-3 Ωcm<ρ<106 Ωcm - poluvodiči • ρ>106 Ωcm - izolatori • Dakle, vodiči imaju najmanji sp. otpor (najveću vodljivost), izolatori najveći, dok sp. otpor poluvodiča varira u širokom rasponu → zavisno o tipu i uvjetima rada poluvodiča, poluvodič se može ponašati gotovo kao vodič ili gotovo kao izolator • Osnovni razlog velikih razlika u sp.otporu (ili vodljivosti) je velika razlika u broju slobodnih (pokretnih) naboja, tj. naboja čije kretanje čini el.struju • Razlika u broju naboja koji se, unutar molekularne strukture materijala, mogu “osloboditi” je posljedica različitih načina međusobnog vezivanja atoma za različite materijale

2. Materijali Metali • Metalni kristali: atomi u kristalnoj rešetci vezani kroz slobodne elektrone • Gotovo idealno vodljivi (vrlo velik broj slobodnih naboja), najčešće se uzima beskonačna vodljivost (tj. otpor 0) • Npr. bakar: Relativna (prema bakru) vodljivost raznih metala:

3. Materijali Izolatori • Ionski i kovalentni kristali: valentni elektroni vrlo čvrsto vezani za atome, vrlo malen broj slobodnih naboja • Vrlo slabo vodljivi, najčešće se uzima vodljivost 0 (beskonačan otpor) • Npr. zrak, papir, plastika, staklo, porculan... • Poluvodiči • Kovalentni kristali: valentni elektroni čvrsto vezani za susjedne atome tzv. kovalentnim vezama • Po specifičnom otporu nalaze se između vodiča i izolatora i ovo se može “podešavati” (možemo birati kakvu vodljivost želimo) • Npr. Silicij (Si), Germanij (Ge) • Čisti poluvodič (bez dodatnih materijala – primjesa) na sobnoj temperaturi ima vrlo malo pokretnih naboja (tzv. slobodnih nositelja naboja) → vrlo slabi vodiči (visok spec.otpor) → gotovo kao izolatori • Međutim, broj slobodnih nositelja naboja (i samim tim, vodljivost) se može mijenjati dodavanjem primjesa čistom poluvodiču, što rezultira u onečišćenom poluvodiču.

4. Poluvodiči • Elektroni u vanjskoj (“najdaljoj”) ljusci • Najslabije vezani za atom – prvi su u interakciji sa susjednim atomima → definiraju svojstva materijala • Atomi teže da vanjska (valentna) ljuska bude kompletno popunjena • Npr. Si ili Ge: 4-valentni elementi (no vanjska ljuska puna sa 8 elektrona) • Ako se nađu blizu drugog istog atoma, po jedan elektron od svakog atoma formira par koji čini čvrstu kovalentnu vezu – ovako su vezani atomi u kristalnoj rešetci Si Valentni elektroni • Atomi Si “posuđuju” elektrone susjednih atoma kako bi popunili vanjsku ljusku – kovalentna veza • Kovalentna veza je vrlo čvrsta – potrebno je (u prosijeku) uložiti veliku energiju da bi se kovalentna veza prekinula i elektron oslobodio • Primaran “izvor” energije u našim razmatranjima je toplina. Stoga se može reći da je u prosijeku potrebna velika temperatura T kako bi se kovalentna veza prekinula, tj. kako bi se valentni elektron oslobodio i imao doprinos u povećanju vodljivosti poluvodiča Model kristalne rešetke za Ge ili Si

5. Poluvodiči • Kod čistih poluvodiča, slobodni nositelji naboja (i samim tim mogućnost vođenja struje) nastaju prekidanjem kovalentnih veza uslijed temperature T • S obzirom na ogroman broj kovalentnih veza u bloku poluvodičkog kristala, ne postoji neka konkretna T na kojoj se može reći da se kov.veza prekida (to bi značilo da se na toj T sve veze odjednom prekinu) • Umjesto toga, postoji vjerojatnost prekida kov. veze: na niskim T, ova vjerojatnost je vrlo mala (jer su kovalentne veze vrlo jake), no ipak postoji, pa se određeni broj kov. veza ipak uspije prekinuti (npr. 1 od milijardu) • Što veća T, vjerojatnost prekida je sve veća, više kovalentnih veza se prekida i sve više elektrona postaje slobodno (tj. vodljivost poluvodiča raste) • Na sobnoj temperaturi (najčešće se uzima T=300K) vrlo malo kovalentnih veza se uspije prekinuti → vrlo malo slobodnih nositelja naboja → vrlo mala vodljivost → na sobnim temperaturama čisti poluvodič se ponaša gotovo kao izolator • No, (negativni) elektroni koji nakon prekida kovalentnih veza postaju slobodni (mogu se kretati pod utjecajem el. polja) nisu jedini slobodni nositelji naboja u poluvodiču – naime, postoji i drugi način kretanja naboja – tzv. šupljine (pozitivno nabijene) Vođenje u intrinsičnim (čistim) poluvodičima

6. Poluvodiči • Nakon prekida kovalentne veze, jedan od atoma ostaje bez valentnog elektrona • Ovakav atom će vrlo lako “uzeti” elektron od susjednog atoma, kako bi popunio svoju kovalentnu vezu • Međutim, sada će ovaj susjedni atom imati isti “problem”, pa će i on imati jaku tendenciju uzimanja elektrona od nekog drugog atoma… itd. Vođenje u intrinsičnim (čistim) poluvodičima – kako nastaju šupljine • Ukratko, može se reći da ovaj “manjak” elektrona (ili šupljina) putuje od jednog atoma do drugog • Šupljina se može shvatiti kao slobodna pozitivno nabijena čestica (iako je stvarno ovo “virtualna” čestica, i gibanje šupljina nastaje kao posljedica stvarnog gibanja elektrona) i ovo se u pravilu radi, jer je promatranje kao gibanje + naboja jednostavnije) • Stoga možemo reći da je posljedica prekida kovalentne veze nastajanje 2 slobodne čestice: negativnog elektrona i pozitivne šupljine ili para elektron-šupljina • Ponovimo, na sobnim temperaturama je broj ovih parova jako malen, pa je vodljivost intrinsičnog vodiča vrlo niska • Vodljivost se može znatno povećati (značajnim) povećanjem T, međutim postoji i drugi način – dodavanjem primjesa

7. Poluvodiči • Namjerno onečišćenje (“dopiranje”) intrinsičnog poluvodiča radi povećanja vodljivosti poluvodiča (povećanjem slobodnih nositelja naboja) • Dodaju se 3-valentne ili 5-valentne primjese • Ovo rezultira u P-tipu ili N-tipu poluvodiča • Osnovna ideja: • N-tip: nadodavanjem 5-valentne primjese, 4 valentna elektrona se vežu kovalentnim vezama (vrlo teško se oslobode), no 5. elektron primjese je “višak” – ne sudjeluje u kovalentnoj vezi → potrebna vrlo mala energija (tj. temperatura T) da bi se on odvojio od atoma i postao slobodan → ovako onečišćen poluvodič će stoga i na sobnoj T imati puno slobodnih elektrona , a broj tj. koncentracija šupljina je i dalje mala → N-tip poluvodiča ima više negativnih nego pozitivnih nositelja naboja • P-tip: nadodavanjem 3-valentne primjese, sva 3 valentna elektrona se vežu kovalentnim vezama (vrlo teško se oslobode), no 1 kovalentna veza ostaje nepopunjena (šupljina) – atom primjese će vrlo lako (uz malu energiju) “uzeti” elektron susjednom atomu → ovako onečišćen poluvodič će na i sobnoj T imati puno šupljina (a malo elektrona) Ekstrinsični (onečišćeni) poluvodiči - općenito

8. Poluvodiči – N-tip • Dodaju se 5-valentne primjese (npr. arsen, fosfor) u niskim koncentracijama (1:103 …1:109) - dopiranje • Atomi primjesa (donori) lako (na relativno niskim T) “daju” (ili “doniraju”) elektrone, jer su samo 4 vezana kovalentnim vezama, a 1 je “višak” koji ne sudjeluje u kov. vezama, pa ga se lako (uz malu energiju) odvoji od atoma • Rezultat – uz mali broj šupljina i sl. elektrona nastalih prekidanjem kovalentnih veza, pojavljuje se i puno dodatnih slobodnih elektrona koje su otpustili donorski atomi, pri čemu donori postaju pozitivni ioni (jer su izgubili 1 elektron) • Na sobnim T, toplinska energija je dovoljna da praktično svi donori otpuste elektron “viška” (koji ne sudjeluje u kovalentnim vezama) • U ovakvom tipu poluvodiča imamo značajan broj slobodnih elektrona (većinski ili majoritetni nositelji) i malo šupljina (manjinski ili minoritetni nositelji) – zato N-tip (dominiraju Negativni nositelji naboja). Broj sl. elektrona, a samim tim i vodljivost se može “podešavati” biranjem koncentracije 5-valentnih primjesa s kojim se intrinsični poluvodič onečisti. dodatni elektron “viška” - slabo vezan uz donorski (5-valentni) atom (ne sudjeluje u kovalentnim vezama) – treba malu energiju da se oslobodi

9. Poluvodiči– P-tip • Dodaju se 3-valentne primjese (npr. aluminij, galij) u niskim koncentracijama (1:103-1:109) - dopiranje • Atomi primjesa (akceptori) lako “primaju” ili “akceptiraju” elektrone od atoma poluvodiča, jer im fali jedan elektron za popunjavanje zadnje (4.) kovalentne veze – može se reći da lako “otpuštaju” šupljine (ako primi elektron, prebaci svoj manjak elektrona nekom drugom atomu) • Rezultat – uz mali broj šupljina i elektrona nastalih prekidanjem kovalentnih veza, pojavljuje se puno dodatnih šupljina (koje su stvorili akceptorski atomi), a akceptori postaju negativni ioni (jer su primili 1 elektron, dakle imaju višak negativnog naboja) • U ovakvom tipu poluvodiča imamo značajan broj šupljina (ovdje su šupljine većinski nositelji) i malo slobodnih elektrona (manjinski nositelji) – zato P-tip (dominiraju Pozitivni nositelji naboja). Broj šupljina, a samim tim i vodljivost se može “podešavati” biranjem koncentracije 3-valentnih primjesa s kojim se intrinsični poluvodič onečisti. dodatna šupljina - akceptor lako prima elektron kako bi se kovalentna veza sa lijevim atomom (na slici) kompletirala, drugim riječima lako (uz malu energiju) otpusti šupljinu

10. Poluvodiči- zaključci • Na sobnim temperaturama vrlo mali broj slobodnih nositelja (šupljina i slobodnih elektrona), pa slabo vodljivi (slično izolatoru) • Slobodni nositelji nastaju uvijek u parovima, pa je koncentracija elektrona jednaka koncentraciji šupljina • Parovi elektron-šupljina nastaju kao posljedica prekidanja kovalentnih veza Intrinsični poluvodiči Ekstrinsični poluvodiči • N-tip poluvodiča • 5-valentne primjese – donori – znatno povećavaju broj slobodnih elektrona i samim tim vodljivost (povećana koncentracija sl. nositelja naboja) • Većinski (majoritetni) nositelji naboja su elektroni (Negativni nositelji) , a manjinski (minoritetni) nositelji naboja su šupljine • Na sobnim T sadrže i pozitivno nabijene ione donora • P-tip poluvodiča • 3-valentne primjese – akceptori– znatno povećavaju broj šupljina i samim tim vodljivost (povećana koncentracija sl. nositelja naboja) • Većinski (majoritetni) nositelji naboja su šupljine (Pozitivni nositelji), a manjinski (minoritetni) nositelji naboja su elektroni • Na sobnim T sadrže i negativno nabijene ione akceptora