PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Transkriptio

1 39 POLIJOHTEISTA Yleistä Pyrittäessä löytämään syy kiinteiden aineiden erilaiseen sähkön johtavuuteen joudutaan perehtymään aineen kidehilassa olevien atomien elektronisiin energiatiloihin. Seuraavassa asiaa valaistaan kovasti yksinkertaistaen. Kaavamaisesti voidaan sanoa, että lähellä toisiaan olevien atomien uloimmat elektroniset tilat ovat jakautuneet ns. valenssivyöhön ja johtavuusvyöhön, joiden välissä on kielletty vyöhyke (kuva). Se, kuinka vaikeaa elektronin siirtyminen valenssivyöltä johtavuusvyölle on, riippuu kielletyn vyöhykkeen leveydestä E g. Vyön leveyden perusteella aineet jaetaan eristeisiin, puolijohteisiin ja johteisiin (kuva).

2 40 Johteilla valenssivyö ja johtavuusvyö ovat osittain päällekkäin ja hyvin pieni energia riittää vapauttamaan elektronin sidoksestaan johtavuusvyölle. Puhtaat puolijohteet Tärkeimpien puolijohteiden piin (Si) ja germanium (Ge) sisemmät elektroniset tilat ovat täynnä (piillä K ja L ja germaniumilla K, L ja M), mutta uloimmissa tiloissa (piillä M ja germaniumilla N) on kummallakin neljä ns. sidoselektronia (valenssielektronia). Kiteessä kukin atomi muodostaa kovalenttisen sidoksen neljän lähimmän naapuriatomin kanssa. Kukin

3 kovalenttinen sidos muodostuu kahdesta sidoselektronista, jotka ovat kahdelle atomille yhteisiä. 41 Lämpötilan absoluuttisessa nollapisteessä puolijohteet ovat käytännöllisesti katsoen eristeitä. Lämpötilan noustessa jotkut sidoselektronit saavat niin paljon lisäenergiaa, että voivat vapautua sidoksistaan johtavuusvyölle. Vapautuneen elektroniin paikalle sidoksessa jää aukko ja kyseisestä emäatomista tulee positiivinen ioni (kuva). Naapuriatomin sidoksesta siirtyy elektroni helposti aukkoon, jolloin ko. atomista puolestaan tulee positiivinen ioni, jne. Voidaan sanoa, että aukot käyttäytyvät sähkökentässä kuten positiiviset varauksenkuljettajat. Näin sähkön johtuminen tapahtuu myös valenssivyössä. Luonnollisesti vapautuneet elektronit toimivat johtavuusvyössä negatiivisina varauksenkuljettajina. Puhtaalla puolijohteella on yhtä paljon positiivisia ja negatiivisia varauksenkuljettajia.

4 Seostetut puolijohteet 42 Puhtailla puolijohteilla ei ole suurta käytännön merkitystä. Puolijohteiden ominaisuuksia voidaan kuitenkin muunnella lisäämällä niihin hyvin pieniä määriä sopivia epäpuhtauksia. Niinpä jos pii- tai germaniumatomien joukossa on atomi, jolla on viisi sidoselektronia, esim. antimoni (Sb), muodostaa se ympäröivien atomien kanssa kovalenttiset sidokset, joissa on kaksi yhteistä elektronia. Jäljelle jäävä yksi elektroni kiinnittyy hyvin löyhästi antimoniatomiin, joten hyvin pieni lämpöenergia riittää vapauttamaan sen. Antimoniatomi jää paikalleen pysyväksi positiiviseksi ioniksi Tällaisia epäpuhtausatomeja nimitetään donoreiksi ja syntynyttä puolijohdetta N-tyypin puolijohteeksi, koska varauksenkuljettajien enemmistö on elektroneja ja vähemmistö aukkoja. On huomattava, että puolijohde kokonaisuudessaan on neutraali.

5 Jos puhtaaseen puolijohteeseen lisätään puolestaan atomi, jolla on 3 sidoselektronia, esim. indium (In), muodostaa tämä naapuriatomien kanssa kovalenttisidokset, joista yksi jää vajaaksi (kuva alla). 43 Tällaisia epäpuhtausatomeja sanotaan akseptoreiksi ja syntynyttä puolijohdetta P-tyypin puolijohteeksi, koska enemmistö varauksenkuljettajista on aukkoja. Diodi Diodi valmistetaan seostamalla puhdas puolijohde akseptori- ja donoriatomeilla niin, että toinen puoli on P- tyypin ja toinen puoli N-tyypin puolijohde. Tyyppien väliin muodostuu raja-alue, jossa P-materiaalin aukot diffundoituvat N-materiaaliin ja rekombinoituvat elektronien kanssa. Vastaavasti N-materiaalin elektronit diffundoituvat P-materiaaliin, jossa ne rekombinoituvat aukkojen kanssa. Rajapintaan muodostuu näin kapea ns. tyhjennysalue, jossa ei ole varauksenkuljettajia eivätkä kiinteät ionisoituneet donorit ja akseptorit

6 neutraloidu. P-tyypin rajavyöhykkeelle syntyy näin negatiivinen avaruusvaraus ja N-tyypin rajavyöhykkeelle vastaavasti positiivinen avaruusvaraus (kuva a). 44 Raja-alueeseen syntyneessä estokerroksessa vaikuttaa sähkökenttä synnyttäen P- ja N-alueiden välille pysyvän potentiaalieron. N-tyypin johtavuusvyön elektronien täytyy nyt ylittää kynnys q D päästäkseen P- tyypin puolijohteeseen. Elektronin (tai aukon) varaus on q 1, As. Jännitettä D sanotaan diffuusiojännitteeksi. Huoneen lämpötilassa germaniumilla D on noin 0,4 V ja piillä noin 0,75 ev. Kun diodi kytketään kuvan mukaisesti ulkoiseen jännitelähteeseen, pienenee potentiaalikynnys ja enemmistövarauksenkuljettajien diffuusio kasvaa voimakkaasti, mikä saa aikaan vastaavan virran ulkoisesa piirissä. Diodi on kytketty päästösuuntaan.

7 Kun diodi kytketään ulkoiseen jännitelähteeseen päinvastoin kuin edellä, kasvaa energiakynnys. Enemmistövarauksenkuljettajien diffuusio pienenee, kun taas rajapinnassa oleva sähkökenttä kuljettaa jatkuvasti vähemmistövarauksenkuljettajia. Näin estosuuntaan kytketyssä diodissa kulkee jännitteestä riippumaton hyvin pieni estovirta. Ideaalisen diodin virta I jännitteen funktiona noudattaa yhtälöä I I e -, q / fkt s ( 1) missä I s on diodin estosuuntainen kyllästysvirta, f on valmistustekniikasta riippuva vakio (»1-2), T on lämpötila sekä k ja q tunnettuja luonnonvakioita. Kuvassa alla on esitetty ideaalisen diodin ominaiskäyrä. 45

8 Kuvassa voidaan erottaa neljä toisistaan poikkeava aluetta. 46 Päästöalueella jännite on ylittänyt kynnysarvon ja virta kasvaa lähes lineaarisesti jännitteen funktiona. Virran kasvua rajoittaa ainoastaan puolijohdemateriaalin ja kytkentälankojen resistanssi. Kynnysjännitteen läheisyydessä diodin virta kasvaa eksponentiaalisesti jännitteen kasvaessa. Estoalueella diodin läpi kulkeva estosuuntainen virta on lähes riippumaton jännitteestä. Se on lähes kokonaan vähemmistövarauksenkuljettajien aiheuttamaa. Vähemmistövarauksenkuljettajia syntyy liitosalueella elektronien lämpöliikkeen ansiosta. Läpilyöntialueella estosuuntainen jännite aiheuttaa atomisidosten rikkoutumisen ja siten voimakkaan virran kasvun. Valodiodi Edellä tutustuimme puolijohdediodiin, jonka toiminnassa olennaista on potentiaalivallin muodostuminen P- ja N-alueiden rajapinnalle. Kun diodi kytketään päästösuuntaan (positiivinen jännite P-osaan ja negatiivinen jännite N-osaan), diodi johtaa, koska ulkoinen jännite alentaa potentiaalivallia. Valodiodi muistuttaa

9 rakenteeltaan ja toiminnaltaan tavallista puolijohdediodia. Valodiodissa ulkopuolelta tulevat valokvantit antavat elektroneille ja aukoille niin paljon energiaa, että ne pystyvät ylittämään potentiaalivallin, vaikka ulkoista jännitettä ei olisi vaikuttamassa. Näin valodiodi sitä valaistaessa toimii virtalähteenä. Rajapinnan yli jännite syntyy siten, että N-osa on negatiivinen napa. 47 Valodiodin valolle herkin alue on rajapinnalle muodostunut tyhjennysalue. sein menetellään niin, että valodiodissa P- ja N-alueiden väliin synnytetään ohut puhtaan puolijohteen alue, jolloin valolle herkkä alue suurenee ja diodin herkkyys paranee. Tällaista valodiodia sanotaan PIN-valodiodiksi. Leveällä tyhjennysalueella on sekin hyvä puoli, että tällöin diodi on herkkä laajalla valon aallonpituusalueella. Tyhjennysalueen leveyttä voidaan vielä lisätä käyttämällä estosuuntaan kytkettyä ulkoista jännitettä. Valodiodin synnyttämää virtaa voidaan käyttää esimerkiksi kuumentamaan ulkoista vastusta. Näin valodiodi muuttaa valokvanttien energian sähköiseksi energiaksi.

10 48

11

12

13 39 JÄNNITTEEN MITTAAMISESTA Kun yleismittarilla mitataan vaihtojännitettä, mittari mittaa tasasuunnatun vaihtojännitteen aritmeettista keskiarvoa, mutta asteikko laaditaan osoittamaan sinimuotoisen vaihtojännitteen tehollista arvoa. Tehollinen arvo: Vaihtojännite syöttää kuormaan saman tehon kuin sen tehollisen arvon suuruinen tasajännite. Esimerkiksi sinimuotoinen vaihtojännite ˆ sin(2 p f ) syöttää vastukseen (resistanssi R) tehon 1 ˆ 2 sin 2 (2 p f ). R Sini-funktion neliön aikakeskiarvo on puoli, joten keskimääräinen teho on ˆ 2 1 P. 2 R Vastaava tehollinen tasajännite syöttää saman tehon 1 2 P, R joten tehollinen arvo saadaan jakamalla huippuarvo 2 :lla ˆ. 2

14 Kun oskilloskoopilla mitataan vaihtojännitettä, käytetään osoittimena elektronisädettä, joka on riittävän nopea seuraamaan jännitteen arvoa joka hetki. Mitataan jännitteen ns. hetkellistä arvoa. Kuvapinnalta voidaan lukea esim. vaihtojännitteen huipusta huippuun arvo hh, joka on kaksi kertaa jännitteen huippuarvo, ts. 2 ˆ hh. Jännitteen tehollinen arvo saadaan laskemalla hh. 2 2 Tasajännitteellä oskilloskoopin säteen poikkeama nollatasosta antaa samanlaisen lukemapoikkeaman kuin yleismittarin näyttö. Oskilloskoopin rakenteeseen, toimintaperiaatteeseen ja nappulatekniikkaan perehdytään yksityiskohtaisesti työvuorolla. 40

15 OLN YLIOPISTO FYSIIKAN OPETSLABORATORIO Työn suorittaja: Koulutusohjelma: Fysiikan laboratoriotyöt 1 Mittauspäivä: / 20 klo - Ohjaaja: OSKILLOSKOOPPI JA KOKOAALTOTASASNTAS Ennakkotehtävät: ,5 5 7, , , , Tutkittaessa sinimuotoista vaihtojännitettä oskilloskoopin näytöllä havaitaan yllä oleva signaali. Oskilloskoopin jänniteskaala k V on 5 V/cm ja aikaskaala k A on 5 ms/cm. Valitse seuraavista oikea vaihtoehto i), ii) tai iii). a) Tutkittavan jännitteen huipusta huippuun arvo on i) 5V, ii) 20 V, iii) 40 V b) Kun tutkittava jännite mitataan digitaalisella yleismittarilla asettamalla AC/DC-valitsin ACasentoon mittari näyttää lukemaa i) 113,1 V, ii) 20,0 V, iii) 14,1 V. c) Signaalin jaksonaika on i) 5 ms, ii) 10 ms, iii) 20 ms. d) Signaalin taajuus on i) 20 Hz, ii) 50 Hz, iii) 100 Hz. 2. Tässä työssä lähdetään liikkeelle verkkojännitteestä, josta on tarkoitus muokata vaiheittain tasajännitettä. Selvitä, mikä on verkkojännitteen taajuus ja tehollinen jännite Suomessa. f eff 3. Seuraavassa on lueteltu vaiheet, joiden avulla verkkojännite voidaan muokata tasajännitteeksi ja kuvailtu lyhyesti, mitä kussakin vaiheessa tapahtuu. Aseta vaiheet oikeaan järjestykseen numeroin 1 4 ensimmäisestä viimeiseen ja valitse annetuista kuvauksista a)- d) oikea. - kondensaattorisuodatus - kokoaaltotasasuuntaus - RC - suodatus - muuntaja a) pienentää verkkojännitteen jatkoa varten sopivamman suuruiseksi. b) muuttaa jännitteen jo hyvin tasaiseksi, niin että jännitteen voidaan ajatella muodostuvan hyvin pienestä vaihtojännitekomponentista, joka vaihtelee tasajännitetason molemmin puolin. c) toteutetaan neljän sillaksi kytketyn diodin avulla. Sillasta saadaan ulos sykkivää tasajännitettä. d) perustuu siihen, että kondensaattori latautuu suotimeen saapuvan jännitteen kasvaessa ja purkautuu jännitteen pienentyessä.

16 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 1 1. Jännitteiden tutkiminen AC Signaaligeneraattorin jännite Oskilloskooppi Mittari AC G m (cm) k V (V/cm) Mhh (V) Meff (V) Meff (V) V f AC t m (cm) Signaaligeneraattorin taajuus Oskilloskooppi k A (ms/cm) T M (ms) f (Hz) Laskuri f (Hz) O Pariston jännite DC Oskilloskooppi Mittari DC E m (cm) k V (V/cm) M (V) M (V) V O

17 Oskilloskooppi ja kokoaaltotasasuuntaus 2. Muuntaja, diodisilta ja kondensaattorisuodatus D1 D2 T + - C 1 R L AC1 DC1 M D3 D4 C 1 R L Jännite Oskilloskooppi Yleismittari Jaksonaika M T AC DC AC DC AC p DC DC1 AC DC RC-suodatus D1 D2 R + - C 1 C R L AC2 DC2 D3 D4 C 2 R

18 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 1 4. Laskut Kondensaattorisuodatus: Laskettu rippelijännite Mitattu rippelijännite T p rp» AC1 RLC1 Vertaa toisiinsa kondensaattorisuodatetun jännitteen jaksonaikaa T ja tuloa R L C 1. Päteekö tässä yhtälön (4.6) johtamisessa tehty oletus T<< R L C 1? Mitattu jaksonaika T Tulo R L C 1 Kondensaattorisuodatuksen hyvyysluku S 1 AC DC 1 1 RC-suodatus: Suotimen ulostulo- ja sisäänmenojännitteiden suhteet Mitatut: ì ï AC : í ïdc : ï î AC2 AC1 DC2 DC1 Lasketut: ì ïac : ï í ïdc : ï î AC2 AC1 DC2 DC (2pfRC2 ) RL R + R L 2 1 RC-suotimen hyvyysluku S 2 AC DC 2 2

19 Oskilloskooppi ja kokoaaltotasasuuntaus 5. Kuvat

20 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt