Download
1 / 43
460 likes | 776 Views
פרק 3 המבנה האלקטרוני של מוצקים ומיקרואלקטרוניקה. רותי שטנגר. ומה בפרק 3 ?. מהו מוליך למחצה (מל"מ)? מדוע חומרים מסויימים הם מוליכים, ואחרים מבדדים או מוליכים למחצה? כיצד ניתן להשפיע על תכונת ההולכה החשמלית? כיצד פועל התקן מל"מ פשוט כמו הדיודה?. מוליכים, מבדדים ומה שביניהם. מוליכים:
E N D
פרק 3 המבנה האלקטרוני של מוצקים ומיקרואלקטרוניקה רותי שטנגר
ומה בפרק 3 ? מהו מוליך למחצה (מל"מ)? מדוע חומרים מסויימים הם מוליכים, ואחרים מבדדים או מוליכים למחצה? כיצד ניתן להשפיע על תכונת ההולכה החשמלית? כיצד פועל התקן מל"מ פשוט כמו הדיודה?
מוליכים, מבדדים ומה שביניהם... מוליכים: חומרים המסוגלים להעביר זרם חשמלי. לחומרים אלה חלקיקים נושאי מטען ניידים (אלקטרונים, יונים וכו'). לדוגמה: מתכות, תמיסות של חומרים יוניים קלי תמס ומלחים מותכים. מבדדים: חומרים שלהם כמות זניחה של חלקיקים נושאי מטען ניידים. לדוגמה: קוורץ, חומרים מולקולריים, חומרים פלסטיים ומלחים מוצקים. מוליכים למחצה: חומרים שהולכת החשמל שלהם היא בין זו של מוליכים לבין זו של מבדדים. לדוגמה: סיליקון Si, גרמניום Ge, GaAs,GaP ,InP .
ככל שגדל מספר האטומים, ההפרש באנרגיה בין האורביטלים הנוצרים קטן. במקרה של מוצק שבו מספר עצום של אטומים המשתפים אלקטרונים, כבר לא ניתן להתייחס לאורביטלים בודדים ונוהגים להתייחס לחבורות של אורביטלים.רמות האנרגיה המתאימות לחבורה יוצרות פס אנרגיה רציף (Energy Band). היווצרות פס אנרגיה במוצק
היווצרות פסים מותרים ואסורים כל אורביטל אטומי באטום הבודד יחבור לאורביטלים בעלי אנרגיה דומה מהאטומים השכנים ליצירת פס אנרגיה מתאים. נקבל פס הנוצר מחבורת אורביטלי s1, פס אחר הנוצר מחבורת אורביטלי 2s, פס הנוצר מחבורת 2p וכן הלאה. מכיוון שלכל פס אנרגיה רוחב סופי, עשויים להתקבל מרווחים בין פסי האנרגיה הנוצרים מאורביטלים אטומיים מסוגים שונים (לדוגמה, רווח בין פס 1s ופס 2s). מרווח בין פסי האנרגיה נקרא פער אנרגיה אסור.
כשקיים פער אנרגיה קטן בין רמות האנרגיה של אורביטלים באטומים הבודדים (למשל אורביטלי 2s ו-2p) הפסים המתקבלים מחבורות האורביטלים השונים (למשל חבורת 2p וחבורת 2s) חופפים, כך שלמעשה מתקבל פס אנרגיה רציף אחד, ללא פער אסור.
בסריג תלת מימדי, אורביטל אטומי של אטום מסוים משתף אלקטרונים במידה שונה עם אורביטלים אטומיים של שכניו השונים בגביש. לכן, פעמים רבות, מתפצלת חבורת האורביטלים המתקבלת מערבוב אורביטלי s ו-p לקבלת פסים שונים וביניהן פער אסור.
אכלוס אלקטרונים באורביטלים מדוע חומרים מסויימים הם מוליכים, ואחרים מבדדים או מוליכים למחצה? בחומרים מוליכיםרמת האנרגיה הגבוהה ביותר בה מאוכלסים אלקטרוני הערכיות(פס הערכיות) ממוקמת באמצע הפס, בצמוד לאורביטלים לא מאוכלסים (פס ההולכה). האלקטרונים יכולים לעבור לאורביטלים הלא מאוכלסים, כלומר מפס הערכיות לפס ההולכה.
חבורת הולכה חבורת ערכיות במבדדיםהרמה הגבוהה ביותר בה מאוכלסים אלקטרוני הערכיות ממוקמת בקצה העליון של פס, וקיים פער אנרגיה אסור גדול בינה לבין רמות אנרגיה לא מאוכלסות. האלקטרונים אינם יכולים לנדוד לרמות שאינן מאוכלסות. פער אנרגיה אסור
חבורת הולכה פס אנרגיה אסור חבורת ערכיות גם במוליכים למחצהפס האנרגיה המאוכלס הגבוה ביותר מאוכלס עד תומו, אך פער האנרגיה האסור בין חבורת ההולכה וחבורת הערכיות קטן יותר מזה הקיים במבדדים. על ידי העלאת הטמפרטורה ניתן להעביר אלקטרונים לפס ההולכה. האלקטרונים מקבלים אנרגיה תרמית ומצליחים לעבור מפס הערכיות לפס ההולכה. חבורת הולכה
דוגמאות לפער אנרגיה אסור במוליכים למחצה: במבדדים פער האנרגיה האסור גבוה יותר, בסדר גודל של מספר ev. דיאגרמת פסי האנרגיה עבור יהלום (מבדד)
מבדד מוליך למחצה מתכת תרגול: התאימו את הדיאגרמות הבאות למוליך, מבדד ומוליך למחצה. (החלקים האפורים מסמלים פסים מלאים באלקטרונים. החלקים הלבנים מסמלים פסים שאינם מאוכלסים באלקטרונים).
תרגול: סיליקון (צורן) הוא מוליך למחצה. הסיליקון נמצא בטור הרביעי בטבלה המחזורית. מי מהדיאגרמות הבאות (המתארות את אכלוס האלקטרונים ברמה האחרונה בלבד) מתאימה לסריג של סיליקון שבו N אטומים? ל- N אטומי סיליקון 4N אלקטרוני ערכיות. 4N אלקטרונים מאוכלסים ב- 2N אורביטלים (2 אלקטרונים בכל אורביטל). דיאגרמה C מתאימה במקרה זה למוליך למחצה.
תרגול: לפניכם תיאור גרפי המתאר סדרת תהליכים. א. תארו את התהליכים. ב. הסבירו מדוע סריג נתרן מוליך חשמל. Nאטומים משתפים N אורביטלים. מכיון שבכל אורביטל מאוכלסים 2 אלקטרונים, N אלקטרונים יאכלסו N/2 אורביטלים, ו- N/2 אורביטלים נותרים ריקים ומאפשרים נדידת אלקטרונים אליהם.
הסממה doping ניתן לשפר את ההולכה של מוליכים למחצה ע"י תהליך הסממה. בתהליך זה מכניסים לסריג אטומים זרים. לאחר ההסממה יכול המוליך למחצה להוליך גם בטמפרטורת החדר. סריג סיליקון טהור
iii iv v הסיליקון נמצא בטור 4. בדרך כלל ההסממה מתבצעת בעזרת יסודות מטור 3 או מטור 5.
הסממה ע"י יסודות מטור 5 מוסיפים כמות קטנה של זרחן (P) או ארסן (As) לגביש של צורן. לאטומים אלה חמישה אלקטרוני ערכיות: ארבעה מאלקטרוני הערכיות של האטום המזהם שותפים במבנה פסי האנרגיה בגביש, אך האלקטרון החמישי מאכלס אורביטל על האטום המזהם. אורביטל זה בעל אנרגיה גבוהה יותר מאורביטלי פס הערכיות המלא של הגביש, והוא נמצא בתוך הפער האסור של הסריג.
די באנרגיה תרמית נמוכה יחסית, כדי לעורר את האלקטרון לפס ההולכה הריק, בו הוא חופשי לנוע בסריג. נדרשת כמות קטנה של מזהם כדי ליצור תנועה חופשית של אלקטרונים והולכה חשמלית. מטען האלקטרונים שלילי ומכאן מקור מוליך למחצה שעבר הסממה כזאת נקרא מוליך למחצה מסוג N(Negative).
מעבר זרם דרך מל"מ מסוג N הצד החיובי של הסוללה מושך אלקטרונים מתוך הגביש. האלקטרונים עוזבים את המל"מ ונכנסים לקוטב החיובי של הסוללה, ובמקביל, אלקטרונים מהקוטב השלילי של הסוללה נכנסים למל"מ ובכך סוגרים את המעגל החשמלי. זרימת האלקטרונים במל"מ מסוג N דומה לזרימת אלקטרונים במתכת.
הסממה ע"י יסודות מטור 3 מוסיפים כמות קטנה של בור (B) או אלומיניום (Al) לגביש של צורן. לאטומים אלה שלושה אלקטרוני ערכיות, כלומר באחד מהקשרים הקוולטיים חסר אלקטרון. האטום המזהם יכול להשיג אלקטרון זה מקשר קוולטי של אטום סמוך, אך אז יווצר "חור" במקום ממנו נלקח האלקטרון. האלקטרון מאכלס אורביטל אטומי של האטום המזהם, הנמצא בתוך פער האנרגיה האסור, ומשאיר בפס הערכיות "חור".
נדרשת אנרגיה תרמית נמוכה כדי להעביר אלקטרונים לאורביטלים האטומיים של אטומי המזהם. נוצרים "חורים" (אורביטלים פנויים לאכלוס אלקטרון) בפס הערכיות, הנעים בחופשיות ולכן המוליכות החשמלית עולה. מכיוון שהמוליכות נובעת מתנועה של "חורים" חיוביים, מוליך למחצה שעבר הסממה כזאת נקרא מוליך למחצה מסוג P(Positive).
מעבר זרם דרך מל"מ מסוג P ההולכה היא ע"י החורים. החורים נעים בתוך המל"מ מהקוטב החיובי אל הקוטב השלילי. אלקטרונים מהמעגל החיצוני נכנסים למל"מ מהקוטב השלילי וממלאים את החורים בסמוך לקוטב זה. בקוטב החיובי אלקטרונים נלקחים מן הקשרים הקוולנטיים ויוצרים חורים חדשים. חורים אלה נודדים אל הקוטב השלילי בתוך המל"מ.
http://www.ody.org/slide/slide_game.htm?Odyssey,seagull_,9,100,100,3,.jpg,1http://www.ody.org/slide/slide_game.htm?Odyssey,seagull_,9,100,100,3,.jpg,1
התבוננו בציורים ובאנימציות הבאות: http://www.solarhorizon.com.au/Images/Phosphorus%20doping2%20Labelled.png http://www.rpi.edu/dept/phys/ScIT/InformationProcessing/semicond/sc_content/doping_15.html http://www.solarhorizon.com.au/Images/Boron%20doping2%20Labelled.png http://www.rpi.edu/dept/phys/ScIT/InformationProcessing/semicond/sc_content/doping_20.html
מדוע נחוץ תהליך ההסממה? • ניתן לכוון את המוליכות על ידי שינוי בכמות וסוג המסמם. • ניתן להכין התקנים על ידי חיבור של מוליכים למחצה מסוג P ומסוג N- • כמו דיודה וטרנזיסטור.
כיצד פועלת דיודה? דיודת מל"מ היא ההתקן המיקרואלקטרוני הפשוט ביותר המבוסס על מוליך למחצה. היא מתקבלת על ידי חיבור של מוליך למחצה מסוג N עם מוליך למחצה מסוג P. אזור החיבור נקרא צומת. דיודה מאפשרת זרימת זרם בכיוון אחד אך לא בשני. כיצד פועלת הדיודה? משתמשים בדיודות, בין השאר, במכשירים חשמליים רגישים, העלולים להינזק מהכנסת סוללות בצורה הפוכה.
כאשר מחברים את הסוללה ע"פ המצויר, הדיודה אינה מאפשרת מעבר זרם. המטען החיובי הנייד ("חורים"), במוליך למחצה מסוג P נמשך להדק השלילי של הסוללה, בעוד שהמטען השליליים הניידים (אלקטרונים) במוליך למחצה מסוג N נמשכים להדק החיובי של הסוללה. אזור החיבור בין שני המוליכים למחצה מתרוקן ממטענים ניידים, ולא ניתן להעביר זרם דרכו. הצומת מתנהגת כמבדד.
כאשר הופכים את הסוללה, הדיודה מאפשרת מעבר זרם. ההדק השלילי מספק אלקטרונים הנמשכים להדק החיובי דרך הצומת ומתלכדים עם חורים הנמשכים להדק השלילי. כך נשמרת כמות המטענים הניידים המאפשרת מעבר זרם חשמלי. e e e e אלקטרונים יוצאים מן ההדק השלילי של הסוללה ונעים במל"מ N לכיוון ההדק החיובי של הסוללה. בצומת הם מתלכדים עם חורים הנעים במל"מ P לכיוון ההדק השלילי של הסוללה. אלקטרונים נמשכים מתוך מל"מ P אל ההדק החיובי של הסוללה ויוצרים חורים חדשים במל"מ P והתהליך נמשך.
PN כיוון הזרם דיודה פולטת אור http://electronics.howstuffworks.com/led.htm/printable כאשר אלקטרונים חוצים את הצומת בדיודה וממלאים "חורים" משתחררת אנרגיה. בדיודה רגילה, אנרגיה זו משתחררת בצורת חום. בדיודה פולטת אור האנרגיה משתחררת בצורת אור. המטענים השליליים באזור ה-N, מאכלסים רמות אלקטרוניות גבוהות בפס ההולכה, ואילו ה"חורים" באזור ה-P, נובעים מאורביטלים ריקים ברמות אנרגיה נמוכות בפס הערכיות. כאשר אלקטרון מתלכד עם "חור" בצומת בין מוליך למחצה N ו- P הוא "נופל" מפס ההולכה לפס הערכיות תוך שחרור עודף האנרגיה.
http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/PeriodicProperties/MetalBonding/MetalBonding.htmlhttp://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/PeriodicProperties/MetalBonding/MetalBonding.html
a b - + תרגול: 1.לפניכם תיאור סכימטי של דיודה הבנויה מסיליקון שעבר הסממה. א. סמנו את המל"מ מסוג P ואת המל"מ מסוג N. ב. הציעו יסוד המתאים להסממה בכל אחד מסוגי המל"מ. 2. הסבירו מדוע לא ניתן ליצור דיודה מצומת בין סיליקון טהור למל"מ מסוג N.
