Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

Halvlederfysikk. Krystaller og evnen til å lede elektrisk strøm Doping, n-doping og p-doping Energibetraktninger, ledningsbånd og valensbånd Halvlederen.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "Halvlederfysikk. Krystaller og evnen til å lede elektrisk strøm Doping, n-doping og p-doping Energibetraktninger, ledningsbånd og valensbånd Halvlederen."— Utskrift av presentasjonen:

1 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

2 Krystaller Atomer Elektroner Elektriske strømmer Hvordan ser en krystall ut i mikrokosmos? Atomene i krystallen er i bevegelse!

3 Betingelse for å få elektrisk strøm gjennom et stoff. + - Strøm?

4 Si-atomer, 4 elektroner i ytterste skall Elektroner, ganske sterkt bundne til sine atomer Kald krystall (silisium): Strøm:NEI Fordi:Her er ingen bevegelige ladningsbærere

5 Varmere krystall: Strøm:Ja, men den er liten Fordi:Noen få elektroner er frigjort fra sine atomer og er ladningsbærere i en strøm Noen få elektroner ”rystes” ut av sine atomer.

6 Alle metaller er gode ledere av elektrisk strøm. Hvorfor?

7 Metall: Strøm:Ja Fordi:Store mengder elektroner er tilnærmet frie og driver rundt mellom atomene nærmest som en tåke. De er bevegelige ladningsbærere.

8 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:IsolatorLederHalvleder Frie ladningsbærere (elektroner): IngenStore mengder Noen

9 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)

10 n - doping Si: Fremmedatom: Dette gir n – materiale med elektroner som ladningsbærere. Det 5. elektronet blir ”til overs”, og driver rundt i krystallen:

11 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)

12 Hullstrøm: 1) 2) 3) Elektronhopp mot venstre betyr at hullet går mot høyre. Hullet har positiv ladning, fordi et elektron mangler. Tid

13 + - Strøm i dopede halvledere: n-materiale: Elektroner vandrer mot venstre (”5.te elektroner”), elektronstrøm. p-materiale: Hull vandrer mot høyre, hullstrøm. Elektronstrøm Hullstrøm. Animasjoner:

14 Energibetraktninger: Ledningsbånd Valensbånd

15 Energinivåer for elektroner i enkeltatomer: Energi Grunntilstand Eksiterte tilstander Analogi: Trinn i trapp Forbudte områder Gulv Eksempler: Velg atomtype

16 Energibånd for elektroner i faste stoff (for eksempel metall): Energi Valensbånd, plassering av ”faste” elektroner Ledningsbånd, tilnærmet løse elektroner Analogi: En litt spesiell trapp… Forbudt område

17 Halvleder : Energi Ledningsbånd: Nesten ingen løse elektroner n-dopet halvleder : Energi Inndopede elektroner Valensbånd Fullt

18 Halvleder: Energi Ledningsbånd: Nesten ingen løse elektroner p-dopet halvleder: Energi Valensbånd: Fullt Valensbånd: Inndopede ledige plasser, hull

19 Energi Valensbånd Ledningsbånd

20 p – n overgangen, grunnlaget for all moderne elektronikk p - materialen - materiale Inngår i: Dioder, transistorer, sensorer mm

21 Figur 2-16 Når en p - krystall og en n – krystall føyes sammen, dannes et sjikt av ioner med positiv og negativ ladning. Kalles et sperresjikt. Sammenlign kondensator: E pn pn F F Elektronvandring

22 Sjiktet kalles sperresjikt fordi det hindres partikler med ”feil” ladning å komme over på motsatt side. Figur 2-18: Positive hull utsettes for elektrisk kraft med feltet. Negative elektroner utsettes for elektrisk kraft mot feltet.

23 Diode i sperreretning: Det finnes ikke ladningsbærere med ”korrekt” fortegn. Batteriet bare forsterker virkningen av sperresjiktet. Batteriladningene trekker samme vei som sperresjiktet. Resultat: Ingen strøm gjennom krystallen.

24 Diode i lederetning: Batteriet svekker/oppveier virkningen av sperresjiktet. Batteriladningene og sperresjiktet trekker nå ladningene i hver sin retning. Resultat: Strøm gjennom krystallen. E p n + --

25 Halvledere som sensor. Hva skjer når en halvleder bestråles?

26 hf Resultat: Bestråling: Fotoner treffer elektroner i silisiumkrystallen. Elektroner slåes ut (fotoelektrisk effekt) dersom fotonet har nok energi. Det skapes elektron-hull par. (To par på tegningen). Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor)

27 + - halvleder lys strøm Ingen strøm Energi Ledningsbånd Valensbånd hf  E = 1.12 eV Kan du forklare at lysintensiteten bestemmer strømmens størrelse?

28 Energi  E = 1.12 eV Regneeksempel: Kan alle bølgelengder slå ut elektroner? Konklusjon: Bølgelengder kortere enn 1110 nm slår ut elektroner, lengre bølgelengder har ingen effekt nm er IR stråling.

29 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!

30 Foton mot krystall Elektron-hull par 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. h f

31 Det leveres strøm til denne enheten (Motor, batteri som lades opp og lignende) Fotodioden/solcelle Det elektriske feltet i sperresjiktet drar elektroner og hull i hver sin retning slik at ladningene blir atskilt. h f

32 Billeddannende sensor, CCD Charge Coupled Device

33 Hva er et digitalt bilde? Et digitalt bilde er et bilde gjort om til en matrise av tall. Lysskala: Svart grått hvitt

34 Objekt Sensoren plasseres i bilde- planet linse Hvert element (pixel) i matrisen er en sensor som registrerer lysmengden (antall fotoner) som treffer. Hva betyr antall pixler for bildets kvalitet? I dette eksemplet er det brukt 81 sensorer Noen fotontreff. Mange fotontreff.

35 E: Det elektriske feltet i p-n overgangen Drar elektroner mot høyre p n Fotonet slår ut ett elektron som dras over til n-matererialet. Antall elektroner her er et mål for antall fotoner som treffer i løpet av eksponeringstiden. Animasjon? Halvlederkrystaller i matrise: E

36 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)?

37 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).

38 Krystaller kan lyse! LED (Light Emitting Diode)

39 Stråling fra et atom: Elektronet avgir energi, emitterer ett foton Energi Grunntilstand h f =  E

40 Stråling fra krystall: Elektronhopp fra ledningsbånd til valensbånd. Elektronet avgir energi, emitterer et elektron Energi h f =  E

41 p n Energi Elektronstrøm 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. I og omkring sperresjiktet

42 Laseren: Lyser med en smal lysstråle med spesielle egenskaper

43 Vanlig lys kommer fra tilfeldige, spontane elektronhopp. Vanlig lys: Laserlys: Foton som passerer Laserlys fås når forbipasserende fotoner stimulerer elektroner til å hoppe og sende ut fotoner. Det utsendte fotonet er en ”kloning” av det stimulerende fotonet og går i samme retning. Dette er stimulert emisjon av fotoner. Stimulert emisjon.

44 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/m 2 )

45 For å ha stort nok antall stimulerende fotoner brukes speil: Lasermateriale Fotoner går fram og tilbake mellom speilene Speil; det ene er delvis gjennomsiktig Laserstråle Animasjon?

46 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?

47 Sammenligning med sollys. Intensitet Sollys Intensitet Laser Dette tilsvarer å måle opp en veistrekning på 1000 km med en nøyaktighet på 1 mm.

48 Halvlederlasere: Mye brukt Størrelse ned til et sandkorn

49 p n Energi Elektronstrøm Halvlederlaseren: En LED (lysende diode) med speil/speilende flater. 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?

50 Dette ble mange varianter omkring samme tema med store muligheter for sammenroting. Se på sammendraget side i kompendiet. Dersom du drukner i stoff, kan du bli reddet av German Coast Guard


Laste ned ppt "Halvlederfysikk. Krystaller og evnen til å lede elektrisk strøm Doping, n-doping og p-doping Energibetraktninger, ledningsbånd og valensbånd Halvlederen."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google