Metodický návod: 5. Zvyšování vnějšího napětí na 3 V. Dochází k dalšímu zakřivování hladin a rozšiřování hradlové vrstvy.

Podobné dokumenty
V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

Sada 1 - Elektrotechnika

8. Úvod do fyziky pevných látek

Polovodičové diody Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

7. Elektrický proud v polovodičích

Polovodiče, dioda. Richard Růžička

17. Elektrický proud v polovodičích, užití polovodičových součástek

Otázka č. 3 - BEST Aktivní polovodičové součástky BJT, JFET, MOSFET, MESFET struktury, vlastnosti, aplikace Vypracovala Kristýna

Elektřina a magnetizmus polovodiče

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Projekt Pospolu. Polovodičové součástky diody. Pro obor M/01 Informační technologie

7. Elektrický proud v polovodičích

Elektrický proud v polovodičích

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Obrázek 1: Schematická značka polovodičové diody. Obrázek 2: Vlevo dioda zapojená v propustném směru, vpravo dioda zapojená v závěrném směru

Obr Teplotní závislost intrinzické koncentrace nosičů n i [cm -3 ] pro GaAs, Si, Ge Fermiho hladina Výpočet polohy Fermiho hladiny

Elektronika pro informační technologie (IEL)

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

1 Polovodiče základní pojmy, vlastnosti. Přechody, diody, jejich struktura, vlastnosti a aplikace.

Polovodiče. Co je polovodič? Polovodiče jsou látky, jejichž rezistivita leží při obvyklých teplotách v intervalu 10 Ω m až 8

Polovodičové diody Definice

2.6. Koncentrace elektronů a děr

Neřízené polovodičové prvky

způsobují ji volné elektrony, tzv. vodivostní valenční elektrony jsou vázány, nemohou být nosiči proudu

Úvod do moderní fyziky. lekce 9 fyzika pevných látek (vedení elektřiny v pevných látkách)

VY_32_INOVACE_ELT-1.EI-18-VODIVOST POLOVODICU. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno

Polovodičové prvky. V současných počítačových systémech jsou logické obvody realizovány polovodičovými prvky.

3.5. Vedení proudu v polovodičích

Pedagogická fakulta v Ústí nad Labem Fyzikální praktikum k elektronice 2 Číslo úlohy : 1

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Polovodiče TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 3 FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 4

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

1. Změřte Hallovo napětí v Ge v závislosti na proudu tekoucím vzorkem, magnetické indukci a teplotě. 2. Stanovte šířku zakázaného pásu W v Ge.

Polovodiče ELEKTROTECHNIKA TO M Á Š T R E J BAL

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU

Charakteristiky optoelektronických součástek

VY_32_INOVACE_06_III./2._Vodivost polovodičů

MĚŘENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

U BR < 4E G /q -saturační proud ovlivňuje nárazovou ionizaci. Šířka přechodu: w Ge 0,7 w Si (pro N D,A,Ge N D,A,Si ); vliv U D.

5. Vedení elektrického proudu v polovodičích

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

V-A charakteristika polovodičové diody

Měření charakteristik fotocitlivých prvků

Elektřina a magnetizmus závěrečný test

Téma: Číslo: Anotace: Prosinec Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

2.3 Elektrický proud v polovodičích

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

Laboratorní práce č. 2: Určení voltampérové charakteristiky polovodičové diody

Dioda - ideální. Polovodičové diody. nelineární dvojpól funguje jako jednocestný ventil (propouští proud pouze jedním směrem)

Určení čtyřpólových parametrů tranzistorů z charakteristik a ze změn napětí a proudů

Zvyšování kvality výuky technických oborů

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřený předmětem jsou v tomto případě polovodičové diody, jejich údaje jsou uvedeny v tabulce:

Nezkreslená věda Vodí, nevodí polovodič? Kontrolní otázky. Doplňovačka

Základy elektrotechniky

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Energie elektronů v atomech nabývá diskrétních hodnot energetické hladiny.

MĚŘENÍ POLOVODIČOVÉHO USMĚRŇOVAČE STABILIZACE NAPĚTÍ

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Laboratorní práce č. 3: Určení voltampérové charakteristiky polovodičové diody

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_16_Unipolární tranzistor Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl

ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, polovodiče

III. Stacionární elektrické pole, vedení el. proudu v látkách

Zvyšování kvality výuky technických oborů

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Polovodičové součástky

Měření vlastností a základních parametrů elektronických prvků

Zvyšování kvality výuky technických oborů

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

3. Polovodiče. Obr.3.1. Vlastní polovodič.

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_16_ZT_E

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Teorie: Voltampérovou charakteristiku měříme v propustném i závěrném směru.

Zvyšování kvality výuky technických oborů

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Nesamostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

MĚŘENÍ PARAMETRŮ FOTOVOLTAICKÉHO ČLÁNKU PŘI ZMĚNĚ SÉRIOVÉHO A PARALELNÍHO ODPORU

Polovodičov. ové prvky. 4.přednáška

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

Zvyšování kvality výuky technických oborů

VedenÌ elekt iny v pevn ch l tk ch

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Polovodičové diody. Dělení polovodičových diod podle základního materiálu: Germaniové Křemíkové Galium-arsenid+Au

Elektronika pro informační technologie (IEL)


Laboratorní práce č. 8: Elektrochemické metody stanovení korozní rychlosti

Druhy materiálů, princip vedení, vakuovaná technika. Ing. Viera Nouzová

Osnova: 1. Polovodiče materiály, dotace 2. Polovodičové diody 3. Dynamické parametry. 5. Aplikace diod

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Měření na unipolárním tranzistoru

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH, PLYNECH A POLOVODIČÍCH

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově. 07_3_Elektrický proud v polovodičích

TYRISTORY. Spínací součástky pro oblast největších napětí a nejvyšších proudů Nejčastěji triodový tyristor

Tranzistory. tranzistor z agnl. slova transistor, tj. transfer resisitor. Bipolární NPN PNP Unipolární (řízené polem) JFET MOS FET

1.1 Usměrňovací dioda

Transkript:

Metodický návod: 1. Spuštění souborem a.4.3_p-n.exe. Zobrazeny jsou oddělené polovodiče P a N, majoritní nositelé náboje (elektrony červené, díry modré), ionty příměsí (čtverečky) a Fermiho energetické hladiny (čárkovaná čára). Pásové schéma je doplněno grafem koncentrací nositelů. Na ovládacím panelu je možné pouze stisknutí tlačítka START. 2. Stisknutí tlačítka START. Dojde k ideálnímu spojení částí P a N. Probíhá difúze nositelů náboje. Díky nevykompenzovaným iontům vzniká difúzní napětí (označení +, v kroužku), energetické hladiny se zakřivují. Rovnováha na P-N přechodu nastává po vyrovnání Fermiho hladin. V oblasti styku částí P a N, vznikla hradlová vrstva (zelená barva), která je znázorněna i v grafu koncentrací (tečkovaná čára). Nyní je na ovládacím panelu k dispozici tlačítko STOP a posuvník. 3. Stisknutí tlačítka STOP. Tlačítko slouží k opakovanému provedení bodu 2. Je možné ho stisknout kdykoli v průběhu programu. Po jeho stisknutí dojde k nastavení počátečního stavu jako při spuštění programu. Pak se vracíme k bodu 2. Pokud jsou procesy po spojení obou částí vysvětleny, přecházíme k bodu 4. 4. Nastavení vnějšího napětí: 0,5 V pomocí posuvníku. Vnější napětí se stejnou polaritou (označení +, na okrajích struktury) jako napětí difúzní způsobuje zakřivení energetických hladin a úbytek nositelů náboje rozšíření hradlové vrstvy. Pokles nositelů a rozšíření hradlové vrstvy je zřejmý i z grafu koncentrací. Z V-A charakteristiky je patrný zanedbatelný proud, tvořený pouze minoritními nositeli. 5. Zvyšování vnějšího napětí na 3 V. Dochází k dalšímu zakřivování hladin a rozšiřování hradlové vrstvy. 6. Nastavení vnějšího napětí: 0 V. 7. Nastavení vnějšího napětí: 0,4 V. Vnější napětí s opačnou polaritou než napětí difúzní způsobuje vyrovnávání energetických hladin. Tím pádem se hradlová vrstva zužuje, což je spolu s přírůstkem nositelů zřejmé i z grafu koncentrace. 8. Nastavení vnějšího napětí: 0,7 V. Při tomto napětí je zcela zrušena energetická bariéra a elektrony mohou volně procházet do oblasti P, kde rekombinují s děrami. Také díry také procházejí do oblasti N, kde rekombinují s elektrony. Přechodem nyní prochází proud, zachycený ve V-A charakteristice i ve schématickém obvodu pomocí pohybujících se červených čárek V grafu koncentrací je vidět zvýšený počet nositelů náboje v sousedních oblastech. 9. Nastavení vnějšího napětí: 0,8 V. Dojde k zakřivení hladin ve směru pohybu nositelů, což způsobuje nárůst proudu, znázorněného ve V-A charakteristice.

Výklad: Po spuštění jsou v okně programu zobrazeny dva oddělené polovodiče (obr. 3.4). Polovodič typu P obsahuje příměsi s volnými elektronovými pozicemi energeticky blízkými valenčnímu pásu. Elektrony valenčního pásu proto mohou snadno přeskočit na tyto pozice, kde vznikají akceptorové ionty znázorněné čtverečky. Na místě, které elektron opustil vzniká volná pozice (díra), která slouží jako nositel elektrického náboje. Díry jsou znázorněny modře. Polovodič typu N obsahuje příměsi s elektrony energeticky blízkými vodivostnímu pásu. Tyto elektrony mohou do vodivostního pásu snadno přeskočit. Získáváme tak volné elektrony, znázorněné červeně, které se účastní vedení elektrického proudu. Po těchto elektronech zůstává z příměsi donorový iont, znázorněný čtverečkem. Představa spojení dvou původně oddělených polovodičů typu P a N se provádí pouze pro snadnější pochopení vlastností P-N přechodu. Je však třeba zdůraznit, že P-N přechod musí být vytvořen v jediném monokrystalu. Proto si energetické hladiny valenčního a vodivostního pásu navzájem odpovídají. Čárkovaně je znázorněna Fermiho energetická hladina. U části typu N se, díky donorovým příměsím, nachází v blízkosti vodivostního pásu. V části typu P je tato hladina blízko pásu valenčního, díky akceptorovým příměsím. Obr. 3.4 Oddělené části polovodič P, polovodič N Volné elektrony v polovodiči typu N a díry v polovodiči typu P nazýváme majoritní nositelé elektrického náboje. Polovodič P obsahuje kromě akceptorových příměsí i malý podíl příměsí donorových. To zapříčiňuje, že v polovodiči typu P se kromě děr vyskytují i volné elektrony. Stejně tak se i polovodiči N objevují akceptorové příměsi a s nimi díry. Tyto nositele elektrického náboje, jež tvoří pouze zanedbatelnou část nazýváme minoritní nositelé. Jejich koncentrace je o několik řádů nižší než koncentrace majoritních nositelů (obr. 3.5). Protože minoritní nositelé náboje nehrají v tomto případě tak důležitou roli, jsou v animaci znázorněni pouze nositelé majoritní (obr. 3.4). Obr. 3.5 Koncentrace nositelů náboje v oddělených částech P a N Nyní je k dispozici pouze tlačítko START. Po jeho stisknutí dojde ke spojení obou polovodičů. Díky rozdílným koncentracím elektronů a děr v těchto dvou částech, začne docházet k jejich difúzi. Díry přecházejí do části typu N, elektrony do části typu P. Díry, které odejdou z oblasti P, po sobě zanechají nevykompenzované ionizované akceptory, elektrony zanechávají nevykompenzované

ionizované donory. Difundující elektrony rekombinují v oblasti P s děrami, stejně tak díry, které difundují do oblasti N zde rekombinují s elektrony. Vzniká tak nábojová dvojvrstva s vysokou intenzitou elektrického pole (difúzní napětí, označení +, v kroužku), způsobující zakřivení energetických hladin, bránící další difúzi. Rovnovážný stav je v modelu znázorněn zastavením pohybu volných elektronů a děr. Ve skutečnosti však nedochází k úplnému zastavení difúze. Difúzní napětí způsobuje drift minoritních elektronů a děr ve směru opačném k difúzi. Když se driftová proudová hustota vyrovná difúzní proudové hustotě, nastává na P-N přechodu rovnováha. V tomto stavu jsou Fermiho energetické hladiny vyrovnány. Oblast v blízkosti spojení obou částí má sníženou koncentraci nositelů náboje, nazývá se hradlová vrstva (na obr. 3.6 je znázorněna zeleně). Takto již vypadá i skutečná situace na P-N přechodu, pokud neuvažujeme původně rozdělené oblasti P a N. Obr. 3.6 Rovnovážný stav po spojení částí P a N Koncentrace nositelů náboje je znázorněna v grafu na obr. 3.7. Tlačítkem STOP lze oba polovodiče od sebe oddělit a po jejich spojení opět sledovat difúzi a změny energetických hladin. Obr. 3.7 Koncentrace nositelů náboje na P-N přechodu Pokud jsou oba polovodiče spojeny a soustava je v rovnováze, je možné pomocí posuvníku připojit na P-N přechod vnější zdroj napětí.

Obr. 3.8 Připojení vnějšího napětí na P-N přechod v závěrném směru Nejdříve sledujeme změny na P-N přechodu, pokud je připojeno napětí se stejnou polaritou jako difúzní napětí (posuvník vlevo od nulové polohy). Dochází ke zvýšení energetické bariéry. Nositelé náboje putují do energeticky výhodnějších míst. Elektrony do míst s nižší energií, díry do míst s vyšší energií (obr. 3.8). Zároveň se zvyšuje energie E e, potřebná k přechodu elektronů z donorových příměsí (z Fermiho hladiny) do vodivostního pásu a energie E d potřebná k vytvoření díry, přechodem elektronů z valenčního pásu do akceptorových příměsí (na Fermiho hladinu). V blízkosti přechodu proto dochází ke snížení koncentrace nositelů náboje (obr. 3.9). Hradlová vrstva se rozšiřuje. Šířka hradlové vrstvy je naznačena v grafu koncentrací čárkovanými čarami. Tato hodnota je pro různé polovodiče různá, závisí především na množství příměsí. Dokonce v rámci jednoho P-N přechodu má část P a část N zpravidla různou šířku hradlové vrstvy. Obr. 3.9 Koncentrace nositelů náboje při závěrném napětí na P-N přechodu Při této polaritě procházejí přechodem pouze minoritní nositelé, ty nejsou z důvodu přehlednosti v modelu zakresleny. Závěrný proud je znázorněn ve V-A charakteristice (obr. 3.10). Jeho velikost jsou řádově pikoampéry, je téměř zanedbatelný.

Obr. 3.10 V-A charakteristika P-N přechodu závěrný proud Pokud je připojeno napětí opačné polarity, než je difúzní napětí (posuvník vpravo od nulové polohy), snižuje se energetická bariéra a zmenšuje se šířka hradlové vrstvy. Pokud se tato napětí vyrovnají mohou elektrony volně procházet do polovodiče P, kde rekombinují s majoritními děrami a díry do polovodiče N, kde rekombinují s majoritními elektrony (obr. 3.11). Přechodem prochází proud. Zvýšená koncentrace elektronů v oblasti P a děr v oblasti N je patrná i z grafu na obr. 3.12. Obr. 3.11 Připojení vnějšího napětí na P-N přechod v propustném směru Obr. 3.12 Koncentrace nositelů náboje na P-N přechodu při průchodu proudu Model dále nastiňuje využití usměrňujících účinků P-N přechodu v usměrňovacích diodách. V dolní části okna je umístěna její schématická značka, připojení ke zdroji napětí a V-A charakteristika, na níž je zakreslována aktuální situace. Pokud napětí v propustném směru přesáhne hodnotu 0,6V, začne diodou procházet proud, znázorněný čárkovanými čarami (obr. 3.13).

Obr. 3.13 Usměrňovací dioda s V-A charakteristikou