FIZIKA POLUPROVODNIKA

1. FIZIKA POLUPROVODNIKA

2. Električna svojstva materijala određena su strukurom atoma materijala • Elektroni na orbitama imaju tačno određene energije • Da bi elektron prešao iz jedne u drugu orbitu neophodno mu je saopštiti energiju, koja je jednaka razlici energija elektrona na tim orbitama • Elektroni na orbitama koje su najudaljenije od atomskog jezgra imaju najveću energiju i oni pripadaju valentnoj zoni • Elektroni u valentnoj zoni različitih atoma međusobno formiraju valentne parove, odnosno valentne veze • Valentni elektroni su međusobno vezani i kao takvi nisu nosioci struje

3. Elektroni koji su imali iste energetske nivoe u različitim atomima, zbog efekata koji se objašnjavaju u kvantnoj mehanici, ne mogu zadržati iste vrednosti energija, već se svaki energetski nivo cepa na po više,veoma bliskih, energetskih podnivoa, formirajućitzv. energetskezone Ukupni energetski opseg jedne zone je manji od termičke energije koju elektron ima na sobnoj temperaturi, te se, stoga, elektron lako kreće unutar zone. Razlika energije između dve susedne zone naziva se energetski procep.  Od posebnog značaja za elektroniku je energetski procep između provodne i valentne zone Tek oni elektroni koji energiju veću od energije valentne zone (energiju dovoljnu da se oslobode uticaja jezgra) u stanju su da budu nosioci struje (njihovo usmereno kretanje predstavlja električnu struju). Ti elektroni se zovu slobodni elektroni i pripadaju provodnoj zoni

4. Kod provodnika dolazi do preklapanja provodne i valentne zone (elektroni u valentnoj zoni imaju dovoljno energije da samostalno pređu u provodnu zonu). • Kod izolatora je veliko rastojanje između provodne i valentne zone. Prilikom porasta temperature, elektroni u valentnoj zoni dobijaju više energije i samim tim smanjuje veličinu energetskog procepa kod izolatora, pa se otpornost kod izolatora smanjuje sa porastom temperature • Kod poluprovodnika nema preklapanja provodne i valentne zone, kao što je to slučaj sa provodnicima, ali je energetski procep znatno manji nego kod izolatora. Ovak pak znači da malim dodavanjem energije spolja (zagrevanjem, svetlošću ili električnim poljem) elektroni u valentnoj zoni dobijaju dovoljno energije da pređu u provodnu zonu. Drugim rečima, otpornost poluprovodnika veoma zavisi od spoljnih uticaja što se široko koristi u elektronici

5. Nosioci naelektrisanja u poluprovodniku • Struktura poluprovodnika je u vidu kristalne rešetke u čijim se čvorovima nalaze atomi ili molekuli povezani valentnim vezama • Najpoznatiji poluprovodnici su silicijum (Si), Germanijum (Ge) i Galijum – Arsenid • Energetski nivoi atoma silicijuma su takvi da na sobnoj temperaturi pojedini elektroni dobiju dovoljnu energiju da napuste valentnu i pređu u provodnu zonu • Samim tim javlja se upražnjeno mesto u valentnoj vezi, koje se naziva šupljina • Šupljina se u električnom smislu ponaša kao pozitivno naelektrisanje • Obzirom na način nastajanja elektrona i šupljina, njihove međusobne koncentracije u hemijski čistom poluprovodniku su jednake • Ako sa ni obeležimo sopstvenu koncentraciju slobodnih elektrona, a sa pi šupljina, važi ni=pi

6. Nosioci naelektrisanja u poluprovodniku • Generacija – proces razbijanja valentne veze elektrona u poluprovodniku i nastajanje para elektron u provodnoj zoni – šupljina u valentnoj zoni • Rekombinacija – proces uspostavljanja valentne veze između elektrona u provodnoj zoni i šupljine u valentnoj zoni • Broj razbijenih valentnih veza između elektrona je ni • Broj novoformiranih valentnih veza elektrona iz provodne zone i šupljina u valentnoj zoni je pi • Procesi generacije i rekombinacije nalaze se u dinamičkoj ravnoteži jer je ni=pi

7. Dopiranje poluprovodnika • Dopiranje četvorovalentnih poluprovodnika radi se dodavanjem primesa čija je valenca za jedan manja ili za jedan veća od 4. • Ako je valenca primese za jedan veća (petovalentna) od valence poluprovodnika, primesa se naziva još i donor. • Ako je valenca primese za jedan manja (trovalentan) od valence poluprovodnika, primesa se naziva još i akceptor. • Donori i akceptori su ne moraju biti poluprovodnici, već mnogu biti i metali. Bitno je da im je valenca za jedan veća ili za jedan manja od 4. • Dodavanje primesa i u tragovima, već od 1:106 značajno povećava provodnost poluprovodnika.

8. Dopiranje donorskim primesama • Donorske primese su petovalentne • Atom primese ima jedan elektron više u valentnoj zoni od atoma silicijuma • To ima za posledicu da u kristalnoj rešetki, atom primese koji je zauzeo mesto atoma silicijuma sa okolnim atomima može da ostvari četiri valentne veze, dok jedan elektron ostaje nepovezan jer nema sa kim da ostvari valentnu vezu • Nepovezani elektron sa malim dodatkom energije prelazi u provodnu zonu • kod ovako dopiranih poluprovodnika narušena dinamička ravnoteža između broja elektrona i šupljina u provodnoj zoni, jer je ni>pi

9. Poluprovodnici dopirani petovalentnim primesama nazivaju se poluprovodnicima N tipa i u provodnoj zoni imaju: • Elektrone i šupljine nastale razgradnjom valentnih veza • Elektrone koji su u provodnu zonu prešli iz donorskih atoma U provodnoj zoni preovlađuju elektroni jer je broj elektrona i šupljina nastalih razgradnjom valentnih veza jedanak, a slobodni elektroni iz donorskih atoma koji prelaze u provodnu zonu čine da je ukupan broj elektrona u provodnoj zoni veći od broja šupljina u provodnoj zoni

10. Dopiranje akceptorskim primesama • Akceptorske primese su trovalentne • Atom primese ima jedan elektron manje u valentnoj zoni od atoma silicijuma • To ima za posledicu da u kristalnoj rešetki, atom primese koji je zauzeo mesto atoma silicijuma sa okolnim atomima može da ostvari tri valentne veze, dok jedan elektron iz valentne zone nekog od atoma silicijuma iz okruženja ostaje nepovezan • Nepovezani elektron iz atoma silicijuma koji se nalazi u okruženju akceptorskog atoma privlači jedan elektron iz provodne zone, ostavljajući u provodnoj zoni šupljinu • kod ovako dopiranih poluprovodnika narušena dinamička ravnoteža između broja elektrona i šupljina u provodnoj zoni, jer je pi>ni

11. Poluprovodnici dopirani trovalentnim primesama nazivaju se poluprovodnicima P tipa i u provodnoj zoni imaju: • Elektrone i šupljine nastale razgradnjom valentnih veza • Šupljine u provodnoj zoni nastale vezivanjem elektrona iz provodne zone i njegovim prelaskom u valentnu zonu neuparenog elektrona atoma silicijuma u neposredno okruženju donorskog atoma U provodnoj zoni preovlađuju šupljine jer je broj elektrona i šupljina nastalih razgradnjom valentnih veza jedanak,a nevezani elektroniizsilicjumskih atomakoji su u okruženju akceptorskog atoma privlače elektrone iz provodne zone i ostavljaju šupljine u provodnoj zoni. Pokretljivost šupljina je oko 3 puta manja od pokretljivosti elektrona, tako da su bipolarni PNP tranzistori sporiji od NPN tranzistora

12. Određivanje koncentracije slobodnih nosilaca • Na konstantnoj temperaturi sopstvena koncentracija slobodnih nosilaca poluprovodnika je • A0je eksperimentalno utvrđena konstanta i iznosi • Bolcmanova konstanta

13. Provođenje struje u poluprovodniku • Provođenje pod dejstvom električnog polja (drift) • Provođenje difuzijom Difuzione komponente struje postoje ako: • Postoji različita koncentracija slobodnih nosilaca u prostoru • Taj uslov se lako ostvaruje ako se poluprovodnik različito dopira • Većem gradijentu koncentracije slobodnih nosilaca odgovara veća struja