Félvezető anyagok fizikája

2015.10.13 14:36

Kvantummechanika
A kvantummechanika olyan átfogó fizikai elmélet, amelyet az atomi és a szubatomi rendszerek leírására dolgoztak ki.
Eszerint az atomban lévő elektronok potenciális energiája és a hozzárendelt állandó elektronpályák csak diszkrét energiaértékeket vehetnek fel. Szilárd anyagokban azonban az erős atomi kölcsönhatások miatt az egyedi atomok diszkrét energiaértékei kiszélesednek és energiasávokban (megengedett energiaszintekben) tömörülnek, amelyek tiltott sávokkal (tiltott energiaértékekkel) vannak egymástól elválasztva.
Tiltott sáv
A megengedett energiaszintek tiltott sávokkal (tiltott energiaértékekkel) vannak egymástól elválasztva.
Vezetési sáv
Ha az atomot megfelelő nagyságú energiával gerjesztjük, akkor a vegyértékelektron kiszakad az atomi kötelékből és bekerül a vezetési sávba.
Energiasáv
Szilárd anyagokban azonban az erős atomi kölcsönhatások miatt az egyedi atomok diszkrét energiaértékei kiszélesednek és energiasávokban (megengedett energiaszintekben) tömörülnek.
Vegyértéksáv
Vegyértéksávnak vagy valenciasávnak nevezzük az atom maximális energiaszintű elektronpályáját. A vegyértéksávban található elektronok a vegyérték- vagy valenciaelektronok.
Ha az atomot megfelelő nagyságú energiával (ionizációs energiával) gerjesztjük, akkor a vegyértékelektron kiszakad az atomi kötelékből és bekerül a vezetési sávba. Ott szabad töltéshordozóként viselkedve növeli az anyag vezetőképességét, amelyet a vegyérték és a vezetési sáv közötti tiltott sáv szélessége határoz meg.
Az elektronvolt (eV) az elektron 1 V gyorsító feszültség hatására létrejövő mozgási energiája.
Tiltott sávok különbsége

• Vezető anyagok esetén a tiltott sáv szélessége nagyon kicsi (0.2 eV), ami azt jelenti, hogy már
szobahőmérsékleten is nagyon sok vezetési elektronnal rendelkeznek.
• Félvezető anyagok esetén a tiltott sáv szélessége nagyobb (0.7…1.2 eV), ezért szobahőmérsékleten és tiszta állapotban szigetelőként viselkednek. Azonban ha a hőmérsékletük nő, akkor egyre több vezetési elektronjuk keletkezik, vagyis a vezetőképességük növekszik.
• Szigetelő anyagok esetén a tiltott sáv szélessége már olyan nagy (>1.5 eV), hogy gerjesztés hatására sem képződik jelentős mennyiségű vezetési elektron. A vezetőképességük megközelítőleg nulla.
Az atomok vagy molekulák összekapcsolódásának típusa meghatározza az anyag áramvezető képességét.
 

Félvezető elemek
A félvezető anyagok lehetnek kémiai elemek és vegyületek is. A legfontosabb félvezető elemek:
• a germánium (Ge) és
• a szilícium (Si),
amelyek a periódusos rendszer IV.A csoportjába tartoznak. Félvezető elemként viselkednek bizonyos fémötvözetek, például a gallium-arzenid (GaAs) és az indium-antimonid (InSb) is.
A félvezető anyagok tulajdonságai
Minden atom a vegyértékelektronjait négy másik atommal osztja meg, így alakul ki egy szimmetrikus tetraéderes szerkezet. Ez a gyémánt típusú kristályszerkezet a nagyon kemény és stabil kristályokra jellemző.

Félvezetők sajátvezetése
A félvezető eszközök gyártására használt nagy tisztaságú monokristályos (egykristályos) anyagokban minden elektront lekötnek a kovalens kötések, egyetlen szabad töltéshordozót sem tartalmaznak. Ezek alapján azt mondhatnánk, hogy a félvezető anyagok tökéletesen szigetelnek. Ez azonban csak az abszolút nulla hőmérsékleten igaz. Ha a félvezető anyag hőmérsékletét megnöveljük, akkor a hőenergia hatására néhány kovalens kötés felbomlik, ami a vezetőképesség megnövekedését vonzza magával. A kötéséből kilépő elektron elektronhiányt, azaz pozitív töltésű lyukat hagy maga után. A lyuk egy negatív töltés hiányt jelent, amely magához vonz egy szomszédos elektront. Ez az elektron szintén lyukat hagy maga után, tehát elektromos tér hatására a lyuk a negatív, míg az elektron a pozitív pólus felé áramlik.
Az imént leírtakat az elektron-lyuk pár hőhatás révén történő képzésnek nevezik.
 

A szabad töltéshordozók mozgásának félvezetőkben - a hőmozgáson kívül - két oka lehet:
•1.A töltéshordozók nem egyenletes eloszlása a kristályban.
•

Egy inhomogén szennyezettségű félvezető kristályban a töltéshordozók mozgása nem véletlenszerű, hanem azt a célt szolgálja, hogy egyenletesen kitöltsék a rendelkezésükre álló teret. Az ilyen koncentráció különbségből adódó töltéshordozó áramlást diffúziós áramnak nevezzük. Az elektronok diffúziója következtében a félvezető anyag egyes
részei között felborul az elektromos töltések egyensúlya, azonban ha az anyagot teljes egészére vizsgáljuk, elektromosan semleges marad.

 

2.Belső, vagy külső elektromos tér jelenléte.
 Az elektromos töltéseloszlás változása olyan belső villamos teret hoz létre, amelynek hatása a töltéshordozókat az eredeti helyükre kényszeríti vissza. Ez a folyamat egy újabb áramot idéz elő, melynek iránya pontosan ellentétes a diffúziós áraméval, viszont nagyságuk azonos. Ha egy félvezető egységkristályban a töltéshordozók mozgása külső vagy belső elektromos tér hatására jön létre, akkor ezt az áramot sodródási áramnak, vagy más néven driftáramnak nevezzük.


Termikus töltéshordozók
A félvezető anyagban rendszertelen mozgást végző elektronok ha találkoznak egy pozitív töltésű lyukkal, akkor azzal azonnal kötést létesítenek, amit rekombinációnak (újraegyesülésnek) nevezünk. Egységnyi kristálytérfogatban egy adott idő alatt keletkezett és rekombinálódó töltéshordozók száma azonos. A keletkezéstől az újraegyesülésig egy szabad töltéshordozó élete (fennmaradása) csak néhány másodpercre tehető. Azonban a félvezető kristályban mindig találunk az adott hőmérsékletre jellemző számú szabad töltéshordozó párokat. Ezek a termikus töltéshordozók hozzák létre a félvezető saját vezetését.
A szerkezeti félvezetők saját vezetése, amely egyenesen arányos a termikus töltéshordozók számával, exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel.

A félvezetők szennyezése (adalékolása)
Az elektronika szerkezeti félvezetőket kis értékű vezetőképességük miatt a gyakorlatban csak ritkán használ. A tiszta félvezetőket csak NTK- ellenállásként alkalmazzák.
A félvezető anyag vezetőképességét más atomokkal való szennyezéssel növelhetjük. A négy vegyértékű félvezető anyagokat három vagy öt vegyértékű atomokkal szokták szennyezni, így növelve meg vezetőképességét:
• - Három vegyértékű szennyező atomok: bór (B), alumínium (Al), indium (In), gallium (Ga)
• - Öt vegyértékű szennyező atomok: foszfor (P), antimon (Sb), arzén (As), bizmut (Bi).
 

Ha egy szilícium egységkristályt ötvegyértékű (pl. foszfor) atomokkal szennyezünk, akkor a foszfor atom négy elektronja kötést alakít ki a szomszédos szilícium atomok elektronjaival, míg az ötödik amelyik nem tud kötést kialakítani csak lazán kötődik atomtörzséhez, így már minimális energiaközlés hatására (szobahőmérsékletnél kisebb hőmérsékleten is) vezetési elektronná válik. Az ötvegyértékű atomok mindegyike tehát egy szabad töltéshordozót hoz létre a kristályban anélkül, hogy pozitív töltésű lyuk keletkezne.
Ilyenkor N-típusú szennyezésű szilíciumról beszélünk. A foszfor atomot mivel elektront ad, le donor atomnak, a szennyezést donor szennyezésnek nevezzük.
Az elektronokat N-típusú szennyezés esetén többségi töltéshordozóknak, míg a lyukakat kisebbségi töltéshordozóknak nevezzük. Az N-típusú félvezetőkben a vezetési elektronok egy része a donor atomokból, más része a hőmozgás okán keletkezik.

 

P-típusú szennyezés
A félvezető anyag vezetőképességének növelése három vegyértékű szennyezőatomok kristályba való beépítésével is létrehozható. Ilyen esetben csak három kovalens kötés jöhet létre, a negyedik kötésből hiányzó elektron helyén egy lyuk keletkezik. Akár már kis energia közlés esetén is létrejöhet az, hogy valamelyik közeli atom egyik elektronja erre az üres helyre beugorjon, és így saját helyét hagyja betöltetlenül. Ez a lyuk egy másik elektron számára marad betölthetővé, és így a lyuk kristályban történő vándorlása máris megvalósult.
A három vegyértékű atomok a lyukak létrehozásával elektronokat vesznek fel, ezért akceptor vagy P-típusú szennyező anyagoknak nevezzük őket. Az ilyen szennyezettségű félvezetőt P-típusú félvezetőnek nevezzük, amelyben a többségi töltéshordozók a pozitív töltéső lyukak, míg a kisebbségi töltéshordozók a negatív töltésű elektronok