Přechod PN Základy polovodičů Přechod PN.

Prezentace na téma: "Přechod PN Základy polovodičů Přechod PN."— Transkript prezentace:

1 Přechod PN Základy polovodičů Přechod PN

2 Přechod PN Úvod Tabulka prvků
Polovodiče - hlavní rozdíly polovodičů a kovů Fyzikální základy vedení elektrického proudu v polovodičích Elektrické vlastnosti křemíku Si Přechod PN

3 Základy polovodičů -otázky
Jaké jsou rozdíly mezi polovodiči a vodiči? Jak lze pomocí elektřiny měřit teplotu, tlak nebo osvětlení? Jak fungují různá zabezpečovací zařízení? Existuje vodič bez elektrického odporu? Přechod PN

4 Z historie polo-vodičových součástek
transfer resistor Diodový jev byl známý dávno před vynálezem tranzistoru. Využíval se například už ve 20. letech 20. století v nejjednodušších radiopřijímačích - krystalkách. Plošek krystalu galenitu se dotýkal jemný kovový hrot a v místě dotyku se vytvořil přechod PN, potřebný k usměrnění signálu. Výzkumu vlastností polovodičů se v Bellových laboratořích (USA) začali hned po 2. světové válce věnovat William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Koncem roku 1947 při pokusech s krystaly germania objevili tzv. tranzistorový jev - možnost ovlivňování procházejícího proudu napětím připojeným k hrotové elektrodě. Jméno nové polovodičové součástky - tranzistor - vzniklo jako kobinace anglického označení transfer resistor (fotografie). S novým vynálezem se seznámilo vedení Bellových laboratoří a po dalším zdokonalení technologie a zpracování patentu byl v červnu 1948 vynález zveřejněn. Již za několik let našel tranzistor uplatnění, nejprve v naslouchacích přístrojích a zakrátko i v prvních tranzistorových přijímačích a dalších přístrojích. Začala nová éra elektroniky. Přechod PN

5 Základní informace Polovodiče jsou látky, které mají měrný odpor mnohem větší než kovové vodiče, ale menší než izolanty Vodivost polovodičů silně závisí na teplotě a na osvětlení Nejvýznamnějším polovodičem je křemík, dále pak germanium, selen, fosfor, arzen a řada dalších. Uplatňují se jako základní materiály pro konstrukci polovodičových součástek (křemík), nebo jako složky a příměsi polovodičových sloučenin. Přechod PN

6 Tabulka prvků Přechod PN

7 14Si 28,0885 Křemík Křemík - struktura a = 0,543 nm 2,33 g/cm3
Když se posune kopie takovéto struktury o 1/4 tělesné úhlopříčky, původní i posunuté atomy tvoří diamantový typ struktury, což je také struktura křemíku. Každý atom křemíku má čtyři sousedy se kterými tvoří vazbu. Nutno dodat, že vhodné vlastnosti pro polovodičové součástky má křemík pouze tehdy, když jsou atomy v celém objemu čipu uspořádány přísně podle této krystalové mřížky. Takovému uspořádání říkáme monokrystal. Na následujícím obrázku je znázorněn výhled fiktivního pozorovatele uvnitř monokrystalu křemíku. Základem krystalografické struktury křemíku je plošně centrovaná kubická struktura - krychle s atomy ve vrcholech a ve středech stěn. Základním materiálem na výrobu čipu stabilizátoru je křemík. Křemík je prvek ze čtvrté skupiny periodické soustavy prvků. a = 0,543 nm 28,0885 14Si 2,33 g/cm3 Křemík Přechod PN

8 Křemík - uvnitř monokrystalu
Přechod PN

9 Polovodič Vodivost polovodičů lze ovlivnit teplotou, elektrickým polem a zejména nepatrným množstvím příměsí jiných látek. Tyto příměsi se nazývají dopanty a jsou to chemické prvky bór, fosfor, arzén a antimon. A konečně polovodiče, které mají vodivost někde mezi izolačními materiály a kovy a lze ji výrazně ovlivnit v širokém rozsahu. Známé polovodiče jsou germanium, křemík a galium arzenid. Nejvíce používaný je křemík. Z hlediska vodivosti elektrického proudu lze materiály rozdělit následovně: Vodivé materiály - vodiče - zejména kovy, ale také grafit a jiné. Jejich vodivost může být částečně ovlivněna hlavně teplotou. Nevodivé materiály - izolační - například sklo, porcelán, guma, plastické hmoty, dřevo atd.. Jejich „nevodivost“ může být jen nepatrně ovlivněna. Elektricky nevodivé materiály - izolační - sklo porcelán plasty . Elektricky vodivé materiály, zejména kovy - vodiče - stříbro měď zlato . hliník železo grafit Polovodiče Vlivem teploty, elektrického pole anebo příměsí jiných látek se mohou chovat jednou jako izolační materiály a podruhé jako vodiče. křemík germanium gáliumarzenid Přechod PN

10 Hlavní rozdíly polovodičů a kovů (jsou uvedeny v následujícím přehledu)
Kovové vodiče: mají malý měrný odpor elektrický proud vedou pouze volné elektrony v krystalové mřížce mají velký počet volných elektronů při zahřátí se zvětšuje jejich odpor osvětlení nemá vliv na jejich vodivost příměsi zvětšují jejich měrný odpor Polovodiče: mají větší měrný odpor proud vedou uvolněné elektrony a kladné "díry" počet uvolněných elektronů závisí na vnějších podmínkách při zahřátí se zmenšuje jejich odpor při osvětlení se zmenšuje jejich odpor vhodné příměsi výrazně zmenšují jejich měrný odpor a mění typ vodivosti Přechod PN

11 Nevlastní polovodiče nepatrné množství příměsi
Ke změně vodivosti křemíku stačí i nepatrné množství příměsi - stačí, aby na 100 milionů atomů křemíku připadl jediný atom příměsi! Proto je technologie výroby polovodičů požadovaných vlastností velmi náročná. Přechod PN

12 Křemík - typ vodivosti N P P+ , N+ 15P 5B 33As (4,5 . 1013 cm-3)
Tak nepatrné množství se špatně vyjadřuje v gramech, proto se v polovodičové technologii jako jednotka koncentrace dopantu používá počet atomů dopantu v jednom krychlovém centimetru křemíku. Koncentrace 1 g fosforu na 1000 t křemíku je pak atomů fosforu v jednom krychlovém centimetru křemíku. V technologii se obvykle odlišuje málo dopovaný křemík - jednotky gramů až kilogramů dopantu na 1000 tun křemíku a silně dopovaný křemík - desítky až stovky kilogramů dopantu na 1000 tun křemíku. Takový silně dopovaný křemík se označuje jako křemík s vodivostí typu P+ anebo N+. Na obrázcích budeme znázorňovat křemík s vodivostí typu P modrými odstíny a křemík s vodivostí typu N červenými odstíny. Sytější barva pak bude znamenat vyšší koncentraci dopantu. Pro dopování křemíku stačí nepatrné množství dopantu. Tak například jeden gram fosforu (na fotografii na misce váhy) stačí, aby se z 1000 tun křemíku (což je plný vlak) stal křemík s typem vodivosti N. Z fyzikálního hlediska, příměs bóru vyvolá v křemíku jiný mechanizmus přenosu elektrického proudu, jako příměs fosforu a arzénu. Křemík dopovaný bórem označujeme jako křemík s typem vodivosti P a křemík dopovaný fosforem, nebo arzénem jako křemík s typem vodivosti N. Příměsí některých prvků - dopantů - lze výrazně ovlivnit elektrickou vodivost křemíku. Používá se zejména bór, fosfor a arzén. 1 gram fosforu v 1000 tunách křemíku = atomů fosforu v krychlovém centimetru křemíku (4, cm-3) Typ vodivosti P (Pozitivní) Typ vodivosti N (Negativní) 30,97376 15P Fosfor 10,81 5B Bór Vysoká koncentrace dopantu desítky až stovky kg / 1000 tun (1018 až 1021 cm-3) P+ , N+ 74,9216 33As Arzén Přechod PN

13 Křemík (Si) typický představitel polovodičů
Křemík je druhým nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Je základním stavebním kamenem zemské kůry - křemíku je v ní obsaženo 25,7%. V přírodě se křemík vyskytuje převážně ve formě oxidů a silikátů, nejrozšířenější nerost je oxid křemičitý SiO2 - křemen. Čistý křemík se získává náročnými a nákladnými fyzikálně chemickými postupy, například redukcí chloridu křemičitého zinkovými parami. Pak se čistí zonální tavbou a tažením se z taveniny připraví křemíkový monokrystal. Fáze tažení monokrystalu z taveniny znázorňuje následující série obrázků.                                                                         Křemík a několik dalších prvků s vlastnostmi polovodičů objevil v první polovině 19. století švédský vědec J. J. Přechod PN

14 Silicon Crystal Structure
Přechod PN

15 Křemík - uvnitř monokrystalu
Přechod PN

16 Elektrické vlastnosti křemíku (Si)
Křemík je čtyřmocný (má 4 valenční elektrony) a jeho atomy jsou uspořádány v krystalové mřížce. Při nízkých teplotách jsou valenční elektrony silně poutány v mřížce, křemík proud nevede. Při zahřátí se ionty v krystalové mřížce rozkmitají a dochází k uvolňování valenčních elektronů. Opustí-li elektron své místo v mřížce (na obr. šipky), objeví se místo, kde chybí záporný náboj. Toto prázdné místo se nazývá "díra" a chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný (na obr. vyznačen modře). Do "díry" může přeskočit jiný elektron z krystalové mřížky a doplnit chybějící záporný náboj. Dojde k rekombinaci. Kladná "díra" se však objeví na místě, odkud elektron přeskočil, vypadá to tedy, jako by se "díry" stěhovaly v krystalové mřížce z místa na místo. Přechod PN

17 Electrons and holes Přechod PN

18 Vlastní vodivost polovodičů
Pokud v polovodiči vedou elektrický proud elektrony a "díry" vzniklé výše popsaným způsobem, hovoříme o vlastní vodivosti Připojíme-li k tomuto polovodiči zdroj napětí, začnou se záporné elektrony přesouvat ke kladnému pólu, kladné díry k pólu zápornému a nastane usměrněný pohyb nábojů. Elektrický proud v polovodičích je způsoben usměrněným pohybem uvolněných elektronů a "děr". (na rozdíl od kovů, kde elektrický proud vedou jen volné elektrony). Pokud v polovodiči vedou elektrický proud elektrony a "díry" vzniklé výše popsaným způsobem, hovoříme o vlastní vodivosti. Přechod PN

19 Elektronová vodivost Děrová vodivost Přechod PN

20 Krystalová mřížka byla "znečištěna" nepatrným množstvím příměsí.
Nevlastní polovodiče Krystalová mřížka byla "znečištěna" nepatrným množstvím příměsí. Vodivost typu N (negativní): V krystalu křemíku jsou některé atomy nahraženy pětimocnými atomy, např. arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se stanou volnými elektrony. V křemíku s příměsí pětimocného prvku (říká se mu donor) je nadbytek volných elektronů, které po připojení ke zdroji způsobují jeho elektronovou vodivost typu N. Přechod PN

21 The Doping of Semiconductors Krystalová mřížka byla "znečištěna" nepatrným množstvím příměsí
Přechod PN

22 Vodivost typu P (pozitivní):
Příměs trojmocného prvku, např. India (říká se mu akceptor) vytváří v krystalu křemíku nadbytek kladných "děr", které po připojení ke zdroji způsobují jeho děrovou vodivost typu P. Zabudují-li se do krystalové mřížky Si atomy trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo. Přechod PN

23 Přechod PN a diodový jev.
Největší využití v elektronice má přechod PN. Nazývá se tak oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti. Přechod PN má tu vlastnost, že v jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Vysvětlení spočívá v tom, že polovodič typu N obsahuje ve své krystalové mřížce volně pohyblivé záporné elektrony, polovodič typu P má v krystalové mřížce volně pohyblivé kladné "díry". Na sérii dalších obrázků je znázorněna situace na přechodu PN v případě, že      a) k přechodu PN není připojen zdroj napětí      b) zdroj napětí je připojen v závěrném směru      c) zdroj napětí je připojen v propustném směru Přechod PN

24 V okamžiku vytvoření diody (PN přechodu) vypadá situace takto
Přechod PN

25 Přechod PN bez zdroje napětí. PN přechod je v rovnovážném stavu
V oblasti styku obou polovodičů se část elektronů z oblasti N dostane do oblasti P a část "děr" z oblasti P přejde do oblasti N. Volné elektrony rekombinují s "děrami", takže kolem přechodu PN se vytvoří nevodivá oblast bez volných nábojů (na obrázku vyznačena šedou barvou). Přechod PN

26 Přechod PN Závěrný směr
Připojíme-li k polovodiči P záporný pól a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN, oblast bez volných nábojů se rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud přechodem PN nemůže procházet. Nevodivé oblasti bez volných nábojů říkáme hradlová vrstva. Přechod PN

27 Přechod PN Propustný směr
Změníme-li polaritu připojeného zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou přitahovány k zápornému pólu. Výsledkem je zúžení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu. Takto zapojeným přechodem PN proud prochází. Přechod PN

28 Diodový jev Popsaný jev, při kterém závisí odpor přechodu PN na polaritě připojeného zdroje, nazýváme diodový jev. Prvek s jedním přechodem PN je nejjednodušší polovodičovou součástkou - je to polovodičová dioda. Polovodič P je připojen k elektrodě nazývané anoda, polovodič N je připojen ke katodě. Na obrázku je znázorněn vztah mezi strukturou diody (vlevo) a její schématickou značkou Přechod PN

29 Vztah mezi strukturou diody (vlevo) a její schématickou značkou
Polovodič P je připojen k elektrodě nazývané anoda, polovodič N je připojen ke katodě. Přechod PN

30 Schéma jednoduchého diodového jednocestného usměrňovače
 Na dalším obrázku je schéma jednoduchého diodového jednocestného usměrňovače. Ze střídavého proudu získáme po průchodu diodou pulzující stejnosměrný proud. Přechod PN

31 Polovodičové diody Největší využití v elektronice má přechod PN, kde se stýkají polovodiče s opačným typem vodivosti. Přechod PN má tu vlastnost, že v jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Polovodičová dioda je součástka, která vede proud jenom v jednom směru a proto se používá jako usměrňovač střídavého proudu. Existuje řada jejích variant: Přechod PN

32 Diodes Přechod PN

33 Varianty diod: usměrňovací dioda - slouží k usměrnění střídavého proudu a umožňuje tak napájení stejnosměrných spotřebičů ze střídavé sítě Zenerova dioda - slouží ke stabilizaci stejnosměrného napětí v zařízeních, kde je třeba udržovat napětí na konstantní hodnotě kapacitní dioda (varikap) - změnou velikosti připojeného napětí se mění šířka hradlové vrstvy a tím i její kapacita. Využití je např. v ladicích obvodech televizních a rozhlasových přijímačů svítivá dioda LED - u některých polovodičů vydává přechod PN světlo při průchodu proudu. Barva světla závisí na druhu polovodiče. Diody LED se používají jako indikátory, výstražná světla, v hračkách aj. Přechod PN

34 Křemík - PN přechod - bipolární technologie
Nejznámější bipolární součástky jsou dioda se dvěmi vrstvami a bipolární tranzistor se třemi vrstvami polovodiče. Podle uspořádání vrstev polovodiče rozlišujeme tranzistory PNP a NPN. Rozhraní vrstev typu P a N má vyjímečné fyzikální vlastnosti a říkáme mu PN přechod. Součástky založené na PN přechodu jsou bipolární a technologie jejich výroby je bipolární technologie. P Tranzistor PNP PN přechod N P N P P Dioda Tranzistor NPN N N Anoda Katoda Emitor Kolektor Báze P N Přechod PN

35 Funkce diody - + IA = 0 A IA = 2 A Katoda Anoda P N
Dioda je jednoduchý PN přechod. Na obrázku je dioda zapojena do obvodu se žárovkou a akumulátorem. Když je vrstva P - anoda - připojena přes žárovku k zápornému pólu akumulátoru, diodou neprochází elektrický proud. Žárovka nesvítí. Teď je k zápornému pólu akumulátoru připojena katoda diody a anoda přes žárovku ke kladnému. Dioda vede elektrický proud, žárovka svítí. Dioda vede proud pouze v případe, že kladný pól zdroje je připojen k vrstvě typu P tedy k anodě. IA = 0 A IA = 2 A Katoda Anoda P N Funkce diody + - Klávesnice P Klávesnice N Přechod PN

36 Funkce tranzistoru (NPN)
Na obrázku je tranzistor zapojen do obvodu s akumulátorem a žárovkou. Žárovka je připojena ke kolektoru - je v kolektorovém obvodu. V obvodu báze je zapojený odpor. Teď do obvodu báze připojíme knoflíkový hodinkový článek. Do báze teče proud 10 mA. Fyzikální procesy ve vrstvách polovodiče způsobí že začne téct proud také v obvodu kolektoru, ale mnohem větší. V porovnání s vodovodem to znamená ze ventil je pootevřen. Diody a tranzistory mohou být různého provedení. Od velkých na řízení motorů lokomotiv až po ty, které najdeme na čipu stabilizátoru MC7812. Tranzistor v principu tvoří tři vrstvy polovodiče. Mezi dvěma vrstvami křemíku typu N je tenká vrstva (1-3 µm) typu P. V tomto případě se vrstvy typu N nazývají emitor a kolektor a vrstva typu P báze. Takto uspořádaný tranzistor je typu NPN. Přesuňme objímku na odporu. Odpor se zmenší a bázový proud stoupne na 20 mA. Odezva v obvodu kolektoru způsobí že žárovka plně svítí. Podobně, jako když je ventil vodovodu otevřen. Tranzistorem tedy můžeme pomocí malých změn bázového proudu řídit velké změny kolektorového proudu. Zatím do báze neteče žádný proud. Také v kolektorovém obvodu je proud nulový. Žárovka nesvítí. Když přirovnáme tranzistor k vodovodnímu kohoutku, pak tento stav představuje zavřený ventil. IK = 2 A IK = 1 A IK = 0 A R = 40 W R = 80 W Kolektor N Báze P Emitor IB = 20 mA IB = 0 mA IB = 10 mA + - Tloušťka báze cca 1-3 µm Klávesnice N Klávesnice P N Klávesnice P Přechod PN

37 Varianty diod fotodioda - dopadem světla na vhodně upravený přechod PN vzniká na vývodech diody napětí, jehož velikost je úměrná osvětlení. Tohoto jevu se využívá k napájení kalkulaček, v signalizačních a bezpečnostních zařízeních, fotočlánky (solární články) jsou zdrojem napájecího napětí na umělých družicích a kosmických sondách tyristor - vícevrstvá dioda (PNPN), používá se např. k bezeztrátové bezkontaktní regulaci otáček motorů (vrtačky, elektrické lokomotivy, tramvaje apod.) nebo k plynulé regulaci osvětlení triak - vícevrstvý polovodičový prvek pro regulaci intenzity domácího osvětlení, otáček vrtaček, vysavačů a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů Přechod PN

38 LED Device Structure Přechod PN

39 Dá se měřit teplota jinak než rtuťovým teploměrem?
                                     obr. 1: Zahřívání kovového drátu obr. 2: Zahřívání polovodiče Jak  závisí odpor polovodiče na teplotě? S rostoucí teplotou klesá, neboť se uvolňují další nosiče náboje (více elektronů z valenčního pásu je schopno překonat zakázaný pás ¤ a stát se volnými). Přechod PN