Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

Halvlederfysikk. Krystaller og evnen til å lede elektrisk strøm

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "Halvlederfysikk. Krystaller og evnen til å lede elektrisk strøm"— 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.

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

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

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 Stoff: Isolator Leder Halvleder Ingen Store mengder Noen
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

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. Animasjoner: Elektronstrøm Hullstrøm.

14 Energibetraktninger:
Ledningsbånd Valensbånd

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

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

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

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

19 Energi Ledningsbånd Valensbånd

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

21 Elektronvandring 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. p n p n Sammenlign kondensator: E F F

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

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

26 hf hf Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor) 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).

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

28 Regneeksempel: Kan alle bølgelengder slå ut elektroner?
Energi DE = eV Konklusjon: Bølgelengder kortere enn 1110 nm slår ut elektroner, lengre bølgelengder har ingen effekt. 1110 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.

30 Foton mot krystall Elektron-hull par
h f 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.

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

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 linse Sensoren plasseres i bilde- planet 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?

35 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?

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 Hvordan kan du se det på bildet?
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 (Light Emitting Diode)
Krystaller kan lyse! LED (Light Emitting Diode)

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

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

41 Elektronstrøm p n Energi I og omkring sperresjiktet Led museum. 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.

42 Lyser med en smal lysstråle med spesielle egenskaper
Laseren: Lyser med en smal lysstråle med spesielle egenskaper

43 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. Det utsendte fotonet er en ”kloning” av det stimulerende fotonet og går i samme retning. Foton som passerer Dette er stimulert emisjon av fotoner.

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/m2)

45 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

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 l Intensitet Dette tilsvarer å måle opp en veistrekning på 1000 km med en nøyaktighet på 1 mm. Laser l

48 Halvlederlasere: Mye brukt Størrelse ned til et sandkorn

49 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?

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"

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google