Transcript elektroner

Halvlederfysikk.
• Krystaller og evnen til å lede elektrisk strøm
• Doping, n-doping og p-doping
• Energibetraktninger, ledningsbånd og valensbånd
• Halvlederen som sensor
• Lysende halvledere
• Laseren
Krystaller
•Atomer
•Elektroner
•Elektriske strømmer
Hvordan ser en krystall ut i mikrokosmos?
Atomene i krystallen er i bevegelse!
Betingelse for å få elektrisk strøm gjennom et stoff.
Strøm?
+
-
Kald krystall (silisium):
Si-atomer, 4 elektroner i ytterste skall
Strøm:
Fordi:
Elektroner, ganske sterkt bundne
til sine atomer
NEI
Her er ingen bevegelige ladningsbærere
Varmere krystall:
Strøm:
Fordi:
Noen få elektroner ”rystes” ut av
sine atomer.
Ja, men den er liten
Noen få elektroner er frigjort fra sine
atomer og er ladningsbærere i en strøm
Alle metaller er gode ledere
av elektrisk strøm.
Hvorfor?
Metall:
Strøm:
Fordi:
Ja
Store mengder elektroner er tilnærmet frie og
driver rundt mellom atomene nærmest som en tåke.
De er bevegelige ladningsbærere.
Konklusjon:
For å få strøm gjennom et stoff så må det finnes bevegelige ladningsbærere
(elektroner) i stoffet.
Når det gjelder elektriske egenskaper deles verden i 3:
Stoff:
Isolator
Leder
Halvleder
Frie
ladningsbærere
(elektroner):
Ingen
Store
mengder
Noen
DOPING:
Tilsetting av fremmedatomer som ligner silisium,
men som har
•Ett elektron mer enn silisium i ytterste skall (5)
Eller
•Ett elektron mindre enn silisium i ytterste skall (3)
n - doping
Si:
Fremmedatom:
Dette gir n – materiale med elektroner som ladningsbærere.
Det 5. elektronet blir ”til overs”, og driver rundt i krystallen:
p - doping
Si:
Fremmedatom:
Dette gir p – materiale med hull som ladningsbærere.
Det manglende elektronet er en ledig plass (hull),som driver rundt i krystallen:
Ledig plass for elektroner (hull)
Hullstrøm:
1)
Tid
Elektronhopp mot venstre
betyr at hullet går mot høyre.
2)
3)
Hullet har positiv ladning,
fordi et elektron mangler.
Strøm i dopede halvledere:
+
-
n-materiale:
Elektroner vandrer mot venstre
(”5.te elektroner”),
elektronstrøm.
p-materiale:
Hull vandrer mot høyre,
hullstrøm.
Animasjoner:
Elektronstrøm
Hullstrøm.
Energibetraktninger:
•Ledningsbånd
•Valensbånd
Energinivåer for elektroner i enkeltatomer:
Energi
Eksiterte tilstander
Forbudte områder
Analogi: Trinn i trapp
Eksempler: Velg atomtype
Grunntilstand
Gulv
Energibånd for elektroner i faste stoff (for eksempel metall):
Energi
Ledningsbånd, tilnærmet løse elektroner
Forbudt område
Analogi: En litt spesiell trapp…
Valensbånd, plassering av ”faste” elektroner
Halvleder:
n-dopet halvleder:
Energi
Energi
Ledningsbånd:
Nesten ingen
løse elektroner
Valensbånd
Fullt
Inndopede
elektroner
Halvleder:
p-dopet halvleder:
Energi
Energi
Ledningsbånd:
Nesten ingen
løse elektroner
Valensbånd:
Fullt
Valensbånd:
Inndopede ledige
plasser, hull
Energi
Ledningsbånd
Valensbånd
p – n overgangen,
grunnlaget for all moderne elektronikk
p - materiale
Inngår i:
Dioder, transistorer,
sensorer mm
n - materiale
Elektronvandring
Figur 2-16
p
n
Når en p - krystall og en
n – krystall føyes sammen,
dannes et sjikt av ioner
med positiv og negativ ladning.
p
p-side
Kalles et sperresjikt.
n
sperresjikt
n-side
Sammenlign kondensator:
E
F
p-side
E
sperresjikt
n-side
F
Sjiktet kalles sperresjikt fordi det hindres partikler med ”feil”
ladning å komme over på motsatt side.
Figur 2-18:
-
E
p
F
+
Positive hull utsettes for
elektrisk kraft med feltet.
n
-
F
Negative elektroner utsettes for
elektrisk kraft mot feltet.
+
Diode i sperreretning:
-
E
p
F
+
n
-
F
Det finnes ikke ladningsbærere med ”korrekt” fortegn.
Batteriet bare forsterker virkningen av sperresjiktet.
Batteriladningene trekker samme vei som sperresjiktet.
Resultat: Ingen strøm gjennom krystallen.
+
Diode i lederetning:
E
p
n
+
Batteriet svekker/oppveier virkningen av sperresjiktet.
Batteriladningene og sperresjiktet trekker nå ladningene i hver sin retning.
Resultat: Strøm gjennom krystallen.
Halvledere som
sensor.
Hva skjer når en
halvleder bestråles?
Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor)
hf
hf
Bestråling:
Fotoner treffer elektroner
i silisiumkrystallen.
Resultat:
Elektroner slåes ut (fotoelektrisk
effekt) dersom fotonet har nok energi.
Det skapes elektron-hull par.
(To par på tegningen).
+
halvleder
Energi
Ledningsbånd
Ingen
strøm
hf
DE = 1.12 eV
+
lys
halvleder
Valensbånd
strøm
Kan du forklare at lysintensiteten bestemmer
strømmens størrelse?
Regneeksempel: Kan alle bølgelengder slå ut elektroner?
Silisium :
DE  1.12eV  1.792 1019 J
Fotonenergien må være minst så stor (energiloven).
hf  DE
hc
 DE

hc

DE

Energi
DE =
1.12 eV
hc

DE
6.63 1034 Js 3.0 108 m
1.792 10
19
J
s  1.11 m  1110nm
Konklusjon:
Bølgelengder kortere enn 1110 nm
slår ut elektroner, lengre bølgelengder har ingen
effekt.
1110 nm er IR stråling.
Eksempel: Germaniumlinser
Germanium er en halvleder der bølgelengder
som er kortere enn 1.9 mikrometer slår elektroner
ut av valensbåndet.
Linsene ser helt svarte ut og vanlig lys går ikke
igjennom.
Forklar!
Linsene benyttes for å ta IR bilder (termisk
kamera) i
bølgelengdeområdet 2 – 12 mikrometer.
Forklar!
Foton mot krystall
Elektron-hull par
hf
Spørsmål:
Er det mulig å styre ladningene (positive hull og negative elektroner)
til hver sin side slik at vi får noe som ligner et batteri?
+ -
Svar:
Det er mulig å bruke en p – n overgang til dette.
Fotodioden/solcelle
Det elektriske feltet i sperresjiktet drar elektroner og hull i hver sin retning
slik at ladningene blir atskilt.
Stråling
hf
p-side
n-side
Pos.
ladning
Neg.
ladning
E
Elektronstrøm fra dioden
Det
leveres
Batteri
somstrøm
lades til denne enheten
(Motor, batteri som lades opp og lignende)
Billeddannende sensor,
CCD
Charge Coupled Device
Hva er et digitalt bilde?
Et digitalt bilde er et bilde gjort om til en matrise av tall.
0
100
200
255
Lysskala:
Svart
grått
hvitt
linse
Sensoren plasseres i bildeplanet
Objekt
Hvert element (pixel) i matrisen er en sensor
som registrerer lysmengden (antall fotoner)
som treffer.
Noen fotontreff.
Mange fotontreff.
I dette eksemplet er det brukt
81 sensorer
Hva betyr antall pixler for bildets kvalitet?
Halvlederkrystaller i matrise:
E: Det elektriske feltet i p-n overgangen
Drar elektroner mot høyre
n
p
E
Antall elektroner her er et mål
for antall fotoner som treffer i
løpet av eksponeringstiden.
Fotonet slår ut ett elektron som dras over
til n-matererialet.
Animasjon?
Hver pixel har en ladningsmengde som avhenger av
belysningen.
•Mange fotoner (lyst område) = stor ladning
•Få fotoner (mørkt område) = liten ladning
•Ladningene i hver pixel avleses elektronisk
•Ladningsverdiene settes inn på en lys-mørke skala,
for eksempel 0 -> 255
Animasjon (fargebilde)?
210 75
73
205 199 248
67
4
246 251 248 72
215
84
210
7
Bildeeksempel:
Her er et bilde av stjerner der noen piksler
har fått så stor ladning at ladningen lekker over
til nabopiksler.
Hvordan kan du se det på bildet?
(Ved å bla videre ca 15 bilder på denne nettsiden finer vi en animasjon av
det som skjer i sensoren).
Krystaller kan lyse!
LED
(Light Emitting Diode)
Stråling fra et atom: Elektronet avgir energi, emitterer ett foton
Energi
h f = DE
Grunntilstand
Stråling fra krystall: Elektronhopp fra ledningsbånd til valensbånd.
Elektronet avgir energi, emitterer et elektron
Energi
h f = DE
Elektronstrøm
p
n
Energi
•Dioden står i lederetningen
•Elektroner strømmer over fra n til p og
detter opp i hull.
•Elektronets energitap sendes ut som
et foton.
Animasjon av elektroner/hull/fotoner.
Led museum.
Laseren:
Lyser med en smal lysstråle
med spesielle egenskaper
Stimulert emisjon.
Vanlig lys:
Vanlig lys kommer fra tilfeldige,
spontane elektronhopp.
Laserlys:
Laserlys fås når forbipasserende
fotoner stimulerer elektroner til å
hoppe og sende ut fotoner.
Foton som passerer
Det utsendte fotonet er en ”kloning”
av det stimulerende fotonet og går
i samme retning.
Dette er stimulert emisjon av fotoner.
Et ”skred” av fotoner.
FØR:
ETTER:
Fotonene går ut
•I samme retning (smal stråle)
•I samme fase (i takt)
•Kan bygge opp en stråle med enorm intensitet (W/m2)
For å ha stort nok antall stimulerende fotoner brukes speil:
Lasermateriale
Fotoner går fram og tilbake mellom speilene
Laserstråle
Animasjon?
Speil; det ene er delvis gjennomsiktig
Hoveddelene i en laser:
Energi tilføres for å eksitere
elektroner til høyere energinivå.
Det kan gjøres med en blitslampe,
eller med elektrisk strøm gjennom
materialet.
Se hvordan elektroner eksiteres
og stimuleres til å hoppe?
Sammenligning med sollys.
Sollys
Intensitet

D
Intensitet

 109
Laser
Dette tilsvarer å måle opp en
veistrekning på 1000 km
med en nøyaktighet på 1 mm.

Halvlederlasere:
•Mye brukt
•Størrelse ned til et sandkorn
Halvlederlaseren: En LED (lysende diode) med
speil/speilende flater.
Energi
Elektronstrøm
p
n
Lysutsendingen foregår i og rundt
sperresjiktet der elektroner detter opp
i hull. Ved å utstyre dioden med
speilende flater vil fotoner gå fram og
tilbake mellom flatene og sørge for
stimulert lysutsending.
Se på denne dioden. Hvordan vil du plassere speilende flater for å få en laser?
Dette ble mange varianter omkring samme tema
med store muligheter for sammenroting.
Se på sammendraget side 51-67 i kompendiet.
Dersom du drukner i stoff, kan du bli reddet av German Coast Guard