Luku 18: Sähköiset ominaisuudet

Esitys aiheesta: "Luku 18: Sähköiset ominaisuudet"— Esityksen transkriptio:

1 Luku 18: Sähköiset ominaisuudet
Käsiteltäviä aiheita... Miten sähkönjohtavuutta ja sähkövastusta karakterisoidaan? Mitkä fysiikaaliset ilmiöt erottavat toisistaan johteet, puolijohteet ja eristeet? Miten hilaviat, lämpötila ja deformaatio vaikuttavat metallien sähkönjohtavuuteen? Miten epäpuhtaudet (ja seostus) vaikuttavat puolijohteiden sähkönjohtavuuteen?

2 Integroitu piirilevy • SEM-kuvat piirilevystä (scanning electron microscope) 0,5 mm (a) (d) 45 mm Al Si (seostettu) Pistekartta Si:n (puolijohde) konsentroitumisesta Si näkyy vaaleana (b) Pistekartta Al:n (johde) konsentroitumisesta Al näkyy vaaleana (c) Fig. (d) from Fig (a), Callister 7e. (Fig is courtesy Nick Gonzales, National Semiconductor Corp., West Jordan, UT.) Fig. (a), (b), (c) from Fig. 18.0, Callister 7e.

3 Sähkönjohtavuus • Ohm:in laki DV = I R
potentiaaliero (volttia = J/C) C = Coulomb sähkövastus (Ohm) virta (amp. = C/s) I e - A (poikkipinta- ala) DV L Ominaissähkövastus, r ja johtavuus, s geometriasta riippumaton Ohm:in laki ominaissähkövastus on materiaaliominaisuus ja näytteestä riippumaton E, sähkö- kentän voimakkuus vastus (Ohm-m) J: virrantiheys johtavuus Sähkövastus

4 Sähköiset ominaisuudet
Kumpi johtaa paremmin sähköä? Analogia veden virtaukselle putkessa Eli, vastus riippuu geometriasta, jne. D 2D

5 Määritelmät J =   yksi tapa esittää Ohm:in laki J  virrantiheys
  sähköinen potentiaali = V/ or (V/  ) elektronivuo johtavuus jännitegradientti J =  (V/ ) Sähkövirran kuljettajat kiinteissä aineissa useinmiten elektronit myös ionit (erityisesti nesteliuoksissa)

6 Sähkönjohtavuus: vertailu
Huoneenlämpötila-arvot (Ohm-1-m-1) = (Ω-m)-1 METALLIT johteet polystyreeni <10 -14 polyetyleeni -15 -10 -17 soodalasi betoni -9 alumiinioksidi <10 -13 KERAAMIT POLYMEERIT eristeet -11 7 hopea 6,8 x 10 7 kupari 6,0 x 10 7 rauta 1,0 x 10 pii 4 x 10 -4 germanium 2 x 10 GaAs 10 -6 PUOLIJOHTEET puolijohteet Selected values from Tables 18.1, 18.3, and 18.4, Callister 7e.

7 Esimerkki: sähkönjohtavuus
Mikä on pienin johtimen halkaisija (D) niin, että DV < 1,5 V? 100m - - e I = 2,5A + kuparijohdin DV < 1,5V 2,5A 6,07 x 10 (Ohm*m) 7 -1 100m Ratkaistaan D: D > 1,87 mm

8 Elektronivyörakenne So the individual atomic energy levels interact to form molecular energy levels . Adapted from Fig. 18.2, Callister 7e.

9 Elektronien energiavyöt
Valenssivyö – täysi – korkein miehitetty energiataso Johtavuusyö – tyhjä – matalin miehittämätön energiataso johtavuusvyö valenssivyö contains valence electrons from the atoms Adapted from Fig. 18.3, Callister 7e.

10 Elektronien liikkuminen
Metallit (johtimet) lämpöenergia saa useat elektronit korkeampaan energiatilaan + - Energiatilat metalleilla lähellä olevat energiatilat ovat saavutettavissa lämpövärähtelyn ansiosta täysi vyö Energia osittain täytetty valenssi-vyö tyhjä väli täydet tasot Energia täysi vyö täytetty valenssivyö tyhjä vyö täydet tasot

11 Energiatilat: eristeet ja puolijohteet
korkeammat energiatilat ei saavutettavissa (> 2 eV) Puolijohteet korkeampiin energiatiloihin pienempi “hyppy” (< 2 eV) Energia täydet tasot väli ? Energia täydet tasot väli tyhjä vyö tyhjä vyö täytetty valenssivyö täytetty valenssivyö täysi vyö täysi vyö

12 Varauksenkuljettajat
Adapted from Fig (b), Callister 7e. kaksi varauksenkuljetusmekanismia elektroni – negatiivinen varaus aukko – yhtäsuuri, positiivinen varaus liikkuvat eri nopeuksilla - ajautumisnopeus Korkeampi lämpötila tuo enemmän elektroneja johtovyöhön   kun T Elektronit siroavat epäpuhtauksista, raerajoista, jne.

13 Metallit: sähkövastus, lämpötila ja epäpuhtaudet
Epäjatkuvuudet kasvattavat sähkövastusta raerajat dislokaatiot korvausatomit vakanssit siroavat elektroneja, jolloin elektronin kulkema matka kasvaa muokattu Cu + 1,12 at.%Ni T (°C) -200 -100 Cu + 3,32 at.%Ni Cu + 2,16 at.%Ni 1 2 3 4 5 6 Sähkövastus, r (10 -8 Ohm*m) Cu + 1,12 at.%Ni “puhdas” Cu Sähkövastusta kasvattavat korkeampi lämpötila epäpuhtaudet kylmämuokkaus  = lämpötila epäpuhtaudet deformaatio Adapted from Fig. 18.8, Callister 7e. (Fig adapted from J.O. Linde, Ann. Physik 5, p. 219 (1932); and C.A. Wert and R.M. Thomson, Physics of Solids, 2nd ed., McGraw-Hill Book Company, New York, 1970.)

14 Tehtävä: sähkönjohtavuus
Arvioi Cu-Ni seoksen sähkönjohtavuus , kun seoksen myötölujuus on 125 MPa Adapted from Fig. 18.9, Callister 7e. Myötölujuus (MPa) p.% Ni 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 180 p.% Ni Sähkövastus, r (10 -8 Ohm*m) 10 20 30 40 50 125 30 21 wt%Ni Adapted from Fig. 7.16(b), Callister 7e. p.% Ni = 21 Kuvaajasta saadaan

15 Puhtaat puolijohteet: sähkönjohtavuus ja lämpötila
Puhdas pii (Si) toisin kuin metalleilla, johtavuus kasvaa lämpötilan kasvaessa elektronit voivat ylittää enrgiavälin lämpötilan kasvaessa materiaali Si Ge GaP CdS energiaväli (eV) 1,11 0,67 2,25 2,40 Energia täysi vyö tyäsi valenssi-vyö tyhjä vyö täydet tasot väli ? Sähkönjohtavuus, s (Ohm*m) -1 50 10 1 000 -2 2 3 4 puhdas (seostamaton) T(K) Adapted from Fig , Callister 5e. (Fig adapted from G.L. Pearson and J. Bardeen, Phys. Rev. 75, p. 865, 1949.) Selected values from Table 18.3, Callister 7e.

16 Sähkönjohtavuus elektronien ja aukkojen avulla
Elektronit ja aukot + - elektroni aukko parinmuodostus ei ulkoista sähkökenttää valenssi- Si atomi parin vaellus ulkoinen sähkökenttä ulkoinen sähkökenttä Sähkönjohtavuus elektronien lkm/m 3 elektronien liikkuvuus aukkojen lkm/m aukon liikkuvuus Adapted from Fig , Callister 7e.

17 Itseisjohtaminen ja epäpuhtausjohtaminen
elektronien lkm = aukkojen lkm (n = p) esim. puhdas Si Epäpuhtausjohtaminen n ≠ p esiintyy kun lisätään epäpuhtauksia, joilla on eri määrä valenssielektroneja kuin matriisilla (esim. Si) n-tyypin epäpuhtausjoht. (n > p) ei ulkoista sähkökenttää 5+ 4 + fosforiatomi valenssi-elektroni Si atomi johdin-elektroni aukko p-tyypin epäpuhtausjoht. (p > n) ei ulkoista sähkökenttää booriatomi 3 + 4 Figs (a) & 18.14(a), Callister 7e.

18 p-n tasasuuntaava liitos
Sallii elektronien liikkumisen vain yhteen suuntaan (hyödyllinen esim. muutettaessa vaihtovirtaa tasavirraksi) Valmistus: seostetaan fosforia (n) boorilla (p) seostetun kiteen toiseen päähän Tulos ei nettovirtaa, jos ei ulkoista potentiaalia myötäesijännite: varauksen- kuljettajat siirtyvät p- ja n-tyypin alueiden läpi ja yhdistyvät raja- pinnassa, virta kulkee estoesijännite: varauksen- kuljettajat siirtyvät pois p-n-liitoksesta virran kulku vaikeutuu Adapted from Fig , Callister 7e. + - p-tyyppi n-tyyppi + - p-tyyppi n-tyyppi + - p-tyyppi n-tyyppi

19 Itseispuolijohteet Puhtaasta materiaalista tehdyt puolijohteet
esim. pii (Si) ja germanium (Ge) ryhmä IVA alkuaineet Puolijohdeyhdisteet III-V yhdisteet esim. GaAs ja InSb II-VI yhdisteet esim. CdS ja ZnTe mitä suurempi ero elektronegatiivisuudessa alkuaineiden välillä, sitä suurempi ero energiatasojen välillä (energy gap)

20 Seostettu puolijohde: johtavuus ja lämpötila
Seostettu Si seostus kasvattaa johtavuutta syy: epäpuhtaudet laskevat vapaiden elektronien tuottamisen aktivaatioenergiaa Vertailu: itseis- ja epäpuhtausjohtaminen... epäpuhtausseostus: 1021/m3 n-tyypin donoria (P) T < 100 K: ”freeze-out”, lämpöenergia ei riitä virittämään elektroneja 150 – 450 K: ”ekstrinsinen” T >> 450 K: ”intrisinen” Fig , Callister 7e. (Fig S.M. Sze, Semiconductor Devices, Physics, and Technology, Bell Telephone Laboratories, Inc., 1985.) johtoelektronien konsentraatio (1021/m3) T (K) 600 400 200 1 2 3 freeze-out ekstrinsinen intrinsinen seostettu seostamaton seostettu 0,0013at.%B 0,0052at.%B sähkönjohtavuus, s (Ohm*m) -1 50 10 1 000 -2 2 3 4 puhdas (seostamaton) T(K) Fig , Callister 5e. (Fig G.L. Pearson and J. Bardeen, Phys. Rev. 75, p. 865, 1949.)

21 Varauksenkuljettajien lukumäärä
Itseisjohtaminen (intrinsic conductivity)  = n|e|e + p|e|e itseispuolijohteelle n = p   = n|e|(e + n) esim. GaAs GaAs n = 4,8 x 1024 m-3 Si n = 1,3 x 1016 m-3

22 Tasasuuntaavan liitoksen ominaisuuksia
Esto Fig , Callister 7e. Fig , Callister 7e.

23 Transistori (MOSFET) MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) Fig , Callister 7e.

24 Integroidut piirilaitteet
Fig , Callister 6e. Integroidut piirit - n. 25 nm “viivanleveys” > 1 MB välimuisti > komponenttia sirussa siru valmistetaan kerros kerrokselta johdinmateriaalina alumiini

25 Ferrosähköiset keraamit
Ferrosähköiset keraamit ovat dipolaarisia Curie-lämpötilaa matalammissa lämpötiloissa. jäähdytetään alle Tc:n vahvassa sähkökentässä saadaan materiaali, jolla on vahva dipolimomentti Fig , Callister 7e.

26 Pietsosähköiset materiaalit
Pietsosähköisyys – jännitys synnyttää virtaa ulkoinen jännite aikaansaa pituuden muutoksen levossa puristus synnyttää jännitteen Adapted from Fig , Callister 7e.

27 Yhteenveto Sähkönjohtavuus ja ominaissähkövastus ovat Sähkövastus on
materiaaliominaisuuksia geometriasta riippumattomia Sähkövastus on geometriasta ja materiaalista riippuva ominaisuus Johteet, puolijohteet ja eristeet... eroavat toisistaan siinä, kuinka helposti johtavuuselektronit siirtyvät korkeampiin energiatiloihin Metalleilla sähkönjohtavuus kasvaa deformation pienentyessä epäpuhtauksien vähentyessä lämpötilan on laskiessa Puhtailla puolijohteilla sähkönjohtavuutta kasvattaa korkeampi lämpötila seostus (esim. B (p-tyyppi) tai P (n-tyyppi) piihin (Si)

28 Tiedotettavaa Luettavaa: Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa: