דינמיקה קוונטית: מעבר מחסומים, מתכות, מוליכים למחצה, דיודות

דינמיקה קוונטית: מעבר מחסומים, מתכות, מוליכים למחצה, דיודות

הודעהעל ידי dcohen » 08:33 30/11/2010

לא בטוח שאספיק נושא זה.
dcohen
 
הודעות: 2027
הצטרף: 10:13 22/02/2007
מיקום: פיסיקה, חדר 310

מוליכים למחצה, דיודות, טרנזיסטורים.

הודעהעל ידי ilyaa » 21:42 04/12/2010

מסכמים:
עמית קליגר
איליה אוסלנדר
ilyaa
 
הודעות: 73
הצטרף: 15:10 14/02/2010

Re: דינמיקה קוונטית: מעבר מחסומים, מתכות, מוליכים למחצה, דיודות

הודעהעל ידי ilyaa » 16:03 14/12/2010

מסכמים:
איליה אוסלנדר
עמית קליגר
ilyaa
 
הודעות: 73
הצטרף: 15:10 14/02/2010

Re: דינמיקה קוונטית: מעבר מחסומים, מתכות, מוליכים למחצה, דיודות

הודעהעל ידי klgamit » 20:30 04/01/2011

מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה

המבנה הגבישי של מתכות בעלות מוליכות גבוהה כגון נחושת, אלומיניום וכסף הוא כזה שהאלקטרונים החיצוניים ביותר יכולים לנוע בחופשיות (למעשה משותפים) בין כל האטומים שבמתכת. תכונה זאת נשארת נכונה על פני טווח גדול של טמפרטורות. ברוב המתכות כל אטום מספק אלקטרוני חופשי אחד כזה כך שמספר האלקטרונים החופשיים לס"מ מעוקב הוא בסדר גודל של .
ההולכה החשמלית במקרה זה נובעת מתנועת האלקטרונים החופשיים תחת השפעת שדה חשמלי.

בניגוד למוליכים טובים, המבנה של מבודדים הוא כזה שעל פני טווח טמפרטורות גדול כמעט כל האלקטרונים נשארים
קשורים לאטומים המקוריים שלהם. כתוצאה מכך, אין הרבה מטענים שיכולים לנוע תחת השפעת שדה חשמלי. כלומר
המוליכות החשמלית של חומרים מבודדים היא זניחה. התנגדות סגולית של מבודד טוב כגון קוורץ יכולה להגיע ל- בהשוואה ל- או עבור מתכת טיפוסית.
מבחינה מסוימת, בטמפרטורת החדר, מוליכים למחצה הם גם מבודדים גרועים וגם מוליכים גרועים. ההתנגדות הסגולית שלהם ב- נמצאת בטווח של . מוליכים למחצה הם מבודדים בטמפרטורות נמוכות והופכים למוליכים טובים בטמפרטורות גבוהות. גרמניום וסיליקון הם יסודות השימושיים ביותר בתור מוליכים למחצה כיום בתחום האלקטרוניקה ומשתמשים בהם בדיודות וטרנזיסטורים.

חורים

התכונה שהופכת את המוליכים למחצה לשונים כל כך ממתכת היא שהרווח שנשאר לאחר שאלקטרון משתחרר מקשר קוולנטי מתנהג כאילו היה חלקיק חופשי עם מטען הפוך לאלקטרון ומסה שכמעט זהה לו. אלקטרון כזה שיכול להשתחרר מהאטום שלו נקרא אלקטרון ערכיות וה"חלקיק" החיובי שהוא משאיר מאחוריו נקרא חור. החור הזה טעון חיובית ומסוגל למעשה לנוע בתוך המוליך למחצה.

תמונה
שרטוט 1: חור בגביש סיליקון

ניתן לראות בתנועת החור כמעבר של יינון בין האטומים במוליך למחצה.
מודל מדויק יותר המשמש על מנת להסביר את ההתנהגות של מוליכים למחצה מדבר על רמות האנרגיה של האלקטרונים שבמל"מ.

תמונה
שרטוט 2

בגרף ניתן לראות שתי רצועות או תחומי אנרגיה: התחתון מייצג את המצב שבו האלקטרונים קשורים ולא יכולים לנוע והעליון מצב שבו יש לאלקטרונים מספיק אנרגיה כדי להשתחרר מהאטומים שלהם ולגרום למעבר זרם במל"מ. המרווח שבין התחום התחתון והעליון של האנרגיה קטן ככל שהטמפרטורה עולה, כלומר נדרשת פחות אנרגיה על מנת ליצור זרם כאשר הטמפרטורה עולה. ניסויים הראו שאפשר לאפיין את המרווח הזה כתלות בטמפרטורה ע"י הביטוי הבא:



כאשר הם קבועים התלויים בחומר הספציפי בלבד ממנו עשוי המל"מ.

דרך נוספת לשלוט ברמות האנרגיה הנ"ל היא אילוח. אילוח של מוליכים למחצה הוא תהליך שבו מוכנסים אטומים זרים לתוך המל"מ. כאשר מל"מ מסוים מאולח מספיק, רווח האנרגיה שהוזכר הנ"ל קטן. עובדה זו ניתן להסביר ע"י כך שכאשר צפיפות האטומים הזרים מספיק גדולה, פונקציות הגל של האלקטרונים שלהם מתחילות להיות חופפות אחת לשניה והדבר מאפשר להם מעבר מאטום לאטום במחיר של אנרגיה נמוכה יותר.
הנוסחה שקושרת בין צמצום רווח האנרגיה לבין צפיפות האילוח N היא:



כאשר q הוא המטען, הוא הקבוע הדיאלקטרי של המל"מ, k הוא קבוע בולצמן ו-T היא הטמפרטורה בקלווין.

כפי שכבר צויין, אלקטרונים שמקבלים מספיק אנרגיה כדי להגיע לפס ההולכה משאירים בפס הערכיות חורים שמתנהגים כמטענים חיוביים המסוגלים לזוז בפס הערכיות ולתרום לזרם החשמלי. זרם זה נתון ע"י הנוסחה



כאשר V הוא נפח המל"מ, q מטען האלקטרון ו- מהירות המטען. הסכום הוא על כל האלקטרונים שנעים בתוך פס ההולכה. ניתן לכתוב אותו ביטוי ע"י חיסור של הזרם כתוצאה מהאלקטרונים שעברו לפס ההולכה מכלל האלקטרונים שהיו בפס הערכיות:



האינדקס a מייצג כאן את כלל האלקטרונים ששייכים לפס הערכיות (a=all) והאינדקס m את האלקטרונים שחסרים בפס הערכיות כתוצאה ממעברם לפס ההולכה (m=missing).
ניתן לראות שהסכום השמאלי בביטוי הנ"ל מתאפס באופן טריוויאלי שכן אין זרם בכלל במל"מ אם אין מחסור של אלקטרונים בפס הערכיות. לכן נקבל את הביטוי הסופי עבור הזרם:



שמראה שהזרם הכולל במל"מ הוא כתוצאה ממטענים חיוביים שנמצאים בפס הערכיות, כלומר החורים.

דיודות

דיודה היא התקן שתפקידו להעביר זרם חשמלי בכיוון אחד ולהוות מבודד עבור זרם שיזרום בכיוון המנוגד. באופן כללי דיודה מורכבת משתי שכבות כאשר באחת יש נושאי מטען חיוביים ובשניה נושאי מטען שליליים. שרטוט 3 מדגים פוטנציאל חשמלי עבורו יעבור זרם בדיודה ובשרטוט 4 הפוטנציאל לא יביא להעברת זרם. האופיין הכללי של דיודת PN מתואר בשרטוט 5.

תמונה
שרטוט 3


תמונה
שרטוט 4


תמונה
שרטוט 5


החלק הירוק מתאים למצב שבשרטוט 3 כאשר ניתן לראות שממתח חיובי מסוים מתחיל לזרום זרם משמעותי בדיודה. החלק הכחול מתאים למצב שבשרטוט 4 וניתן לראות שישנו זרם חלש יחסית גם במצב זה שנקרא זרם זליגה אחורי. החלק האדום מתאר מצב של מתח שלילי הגדול ממתח כלשהו עבורו גם מתחיל לזרום זרם משמעותי בכיוון ההפוך אך מתח כזה מביא בד"כ לפגם בדיודה.
ניתן לבנות דיודה באמצעות צירוף של שני סוגים של מוליכים למחצה שנקראים P ו-N. במוליך למחצה מסוג P יש עודף של חורים כלומר מטענים חיוביים ובמוליך למחצה מסוג N יש עודף של אלקטרוני ערכיות.

טרנזיסטורים - טרנזיסטור MOSFET

טרנזיסטור הוא רכיב אלקטרוני הבנוי מחומר מוליך למחצה ומשמש למגוון מטרות. ישנן מספר דרכים לבנות טרנזיסטור אך נבחר להרחיב על המבנה של טרנזיסטור מסוג MOSFET. באופן כללי MOSFET בנוי מ3 חלקים: מוצא (Source), שער (Gate) ושפך (Drain). המוצא והשפך עשויים ממל"מ מסוג P והשער ממל"מ מסוג N או להפך.

עקרון הפעולה של הטרנזיסטור מתבסס על שינוי ריכוז המטען באמצעות יצירת הפרש פוטנציאלים על השער. כיוון שהמוצא והשפך מאולחים הרבה יותר מגוף הטרנזיסטור אין אפשרות מעבר זרם כאשר לא פועל מתח. כאשר פועל מתח על השער, חורים מגוף הטרנזיסטור נדחים מהשער. מתח הסף של הטרנזיסטור מוגדר כמתח שעבורו (ועבור מתחים גדולים ממנו) נוצרת תעלה (Inversion Layer) בין המוצא לשפך המאפשרת מעבר זרם. בשרטוט 6 רואים מצב בו המתח על השער קטן ממתח הסף ובשרטוט 7 המתח גדול ממתח הסף ומתאפשר מעבר זרם.

תמונה
שרטוט 6


תמונה
שרטוט 7

ביבליוגרפיה

1. Introduction to semiconductor physics / R. B. Adler, A. C. Smith [and] R. L. Longini
2. http://www.wikipedia.org
3. http://ecee.colorado.edu/~bart/book/
נערך לאחרונה על ידי klgamit בתאריך 23:39 08/01/2011, נערך 8 פעמים בסך הכל.
klgamit
 
הודעות: 55
הצטרף: 18:12 17/11/2009

Re: דינמיקה קוונטית: מעבר מחסומים, מתכות, מוליכים למחצה, דיודות

הודעהעל ידי dcohen » 08:54 05/01/2011

נראה לי שיש כאן התמקדות בטריוויה ולא בחומר ובהסברים שהוצגו בהרצאה. בפרט נראה לי שכל החלק הראשון של ההרצאה שבו התחלתי עם "דינמיקה קוונטית" של מעבר מחסומים, ואח"כ הסברתי מה זה מוליך למחצה, וקישרתי למשוואת דירק לא בא לכדי ביטוי... גם בהמשך התעלמתם בסיכום מכל ההסברים שהיו בהרצאה ורק רשמתם מה הן העובדות "ההנדסיות".
dcohen
 
הודעות: 2027
הצטרף: 10:13 22/02/2007
מיקום: פיסיקה, חדר 310

Re: דינמיקה קוונטית: מעבר מחסומים, מתכות, מוליכים למחצה, דיודות

הודעהעל ידי klgamit » 23:40 08/01/2011

הסיכום עודכן.
klgamit
 
הודעות: 55
הצטרף: 18:12 17/11/2009


חזור אל מבוא לפיסיקה מודרנית

מי מחובר

משתמשים הגולשים בפורום זה: אין משתמשים רשומים ואורח אחד