JU MSŠ “Hasan Kikić”
Elektrotehničar računarske tehnike i automatike
Gradačac
2016/2017
MATURSKI RAD
Tema:
Poluprovodnici
Učenik: Profesorica:
Edina Djedović, IV-4 Arijana Sulejmani
April 2017, Gradačac
1
Sadržaj:
Uvod
3
Poluprovodnički elementi i jedinjenja
4
Slobodni elektroni i šipljine u poluprovodnicima
6
Teorija energetskih zona
8
Primesni poluprovodnici
9
Poluprovodnik P-tipa
10
Poluprovodnik N-tipa
11
Fermijev nivo
11
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
12
PN spoj – Dioda
12
Nepolarisani PN spoj
14
Direktno polarisan PN spoj
15
Inverzno polarisani PN spoj
15
Strujno naponska karakteristika diode
16
Parametri dioda
17
Foto dioda
17
Varikap dioda, Zener dioda, Tunel dioda, Laserska dioda
18
Svetleća dioda - LED, Šotki dioda
19
Bipolarni tranzistori
20
Statičke karakteristike bipolarnih tranzistora
21
Unipolarni tranzistori - FET
23
Tiristori
24
Integrisana kola
25
Literatura
26
2
Poluprovodnički elementi i jedinjenja
U kolonama na levoj strani tablice periodnog sistema elemenata nalaze se metali. Atomi
metala mogu lako izgubiti jedan ili dva elektrona i postati pozitivni joni. Oni su dobri
provodnici električne struje, s obzirom da je kod njih veza izmeĎu atoma i elektrona u
spoljašnjoj orbiti slaba, tako da se elektroni mogu relativno lako osloboditi i postati
slobodni. Elementi u kolonama na desnoj strani tablice periodnog sistema imaju elektrone u
spoljašnjim opnama čvrsto vezane; oni su, prema tome, izolatori. U srednjim kolonama
tablice nalaze se elementi kod kojih je provodnost znatno manja nego kod dobrih
provodnika, a znatno veća nego kod izolatora. Oni čine klasu poluprovodnika. Tu spadaju
12 elementarnih poluprovodnika: bor (B), ugljenik (C), silicijum (Si), fosfor (P), sumpor
(S), germanijum (Ge), arsen (As), selen (Se), kalaj (Sn), antimon (Sb), telur (Te) i jod (J). U
tabeli 1. prikazani su položaji pomenutih elemenata u periodnom Mendeljejevom sistemu.
Danas se od elementarnih poluprovodnika skoro isključivo koristi silicijum, dok se drugi,
kao sto su arsen, fosfor i bor upotrebljavaju za dopiranje silicijuma, čime se menja njegova
provodnost.
GRUPA
II
III
IV
V
VI
VII
PERIODA
II
Be
B
C
N
O
III
Al
Si
P
S
Cl
IV
Ga
Ge
As
Se
Br
V
In
Sn
Sb
Te
J
Xe
VI
Pb
Bi
Po
At
Tabela 1. položaj poluprovodničkih elemenata u periodnom sistemu elemenata
Još 1950. godine zapaženo je da neka jedinjenja elemenata III i V grupe periodnog sistema
imaju poluprovodničke osobine. Posebnu pažnju privlačio je galijum-arsenid (GaAs), jer se
smatralo da će, zahvaljujući svojim osobinama, zameniti silicijum u komponentama na bazi
PN–spoja. Istraživanja poluprovodničkih jedinjenja su nastavljena i vrlo su aktuelna, s
obzirom da komponente na bazi ovih jedinjenja mogu biti efikasni izvori, ili, pak, detektori
kako infracrvenih radijacija, tako i radijacija u vidljivom spektru. Svi poluprovodnici, i
elementarni i poluprovodnička jedinjenja, imaju kristalnu strukturu. Elementarni
poluprovodnici imaju kristalnu rešetku dijamantskog tipa, dok je rešetka poluprovodničkih
jedinjenja modifikovana dijamantska struktura, takozvana struktura sfalerita, slika 1.
4
Slika 1. Kristalna struktura
Rešetke dijamantskog tipa čine kovalentne veze, tj. atomi u težištu tetraedra povezani su sa
četiri atoma na vrhovima tetraedra. Struktura sičlicijuma je ista kao dijamantska, ali atomi u
rešetki nisu isti. Dakle, kod rešetki sa dijamantskom strukturom svaki atom je vezan sa četiri
obližnja atoma, tako da su ovi od njega podjednako udaljeni i meĎusobno se nalaze na jednakim
rastojanjima, poznatim pod nazivom "tetraedralni radijus".
Tetraedralni radijus se kod dijamantske strukture izračunava na osnovu (√3/8)
a
, pri čemu je
a
konstanta rešetke. Na primer, kod silicijuma je
a=0,543072nm
, tako da je tetraedralni radijus
0,118nm
. Poluprovodnički materijal od koga se proizvode komponente treba da ima pravilnu
kristalnu strukturu po celoj zapremini; to je, takozvani, monokristal. MeĎutim, monokristal nije
izotropan, s obzirom da njegove osobine zavise od pravca. To uslovljava da i karakteristike
poluprovodničkih komponenata u znatnoj meri zavise od orijentacije površine monokristala.
Zbog toga se kristali seku po odreĎenoj ravni. Tako da, položaj svake ravni kristalne rešetke se
može odrediti sa tri cela uzajamno prosta broja.
5
Slika 3. Generacija i rekombinacija para elektron-šupljina.
Atom, koji je izgubio jedan elektron, teži da upotpuni pekinutu valentnu vezu. On "izvlači"
elektron iz neke obližnje valentne veze u kojoj je elektron na relativno većem energetskom
nivou (Slika 3.) Tada posmatrani atom postaje električno neutralan, ali se šupljina pojavijuje
na mestu sa koga je privučen elektron za neutralizaciju. Može se reći da se ne kreću samo
elektroni, nego se kreću prazna mesta (šupljine) u suprotnom smeru od kretanja elektrona.
Slobodni elektroni i šupljine u kristalu poluprovodnika predstavljaju energetske
nesavršenosti kristala i imaju ograničeno vreme života, jer se u kretanju kroz kristal susreću
i rekombinuju uspostavljajući ponovo valentne veze.
Termičko raskidanje valentnih veza raste sa temperaturom, dok je brzina ponovnog
uspostavljanja valentnih veza srazmerna koncentraciji slobodnih nosilaca naelektrisanja.
Zbog toga, koncentracije slobodnih elekrona i šupljina pri svakoj temperaturi imaju onu
vrednost pri kojoj se uspostavlja ravnoteža izmeĎu brzine raskidanja i brzine ponovnog
uspostavljanja valentnih veza. Koncentracije slobodnih elektrona (
n0
) i šupljina (
p0
) su
meĎusobno jednake. Proces raskidanja valentnih
veza, kao i obrnuti proces ponovnog
vezivanja slobodnih elektrona i šupljina u valentne veze, u velikoj meri zavisi od postojanja
nesavršenosti kristala (defekata). Prisustvo strukturnih nesavršenosti ne menjaju koncentraciju
sopstvenih nosilaca naelektrisanja, jer strukturne nesavršenosti u istoj meri potpomažu
razbijanje valentnih veza I njihovo ponovno uspostavljanje. One na protiv samo smanjuju
vreme života slobodnih elektrona, odnosno šupljina.
7
