SuperminarenandClaude Sonnet 5.5
f7fa8cfbc1
- Sections and slides rewritten in Swedish; German law and institutions replaced by Swedish/CEPT/ITU equivalents (PTS, SSA, PTSFS 2025:1, SSMFS 2008:18), unverified statements marked "% TODO VERIFY" - New toc: INSTEG, HAREC, UPPGRADERING; section idents are Swedish (see ident-map.tsv) - Exam-question tags, BNetzA question pool, solutions and the German SWL course removed - Static pages, snippets, applets, READMEs and image alt-texts translated - TikZ labels translated; SVG drawings regenerated (drawing 689 still fails to build upstream: it references a missing photo) - Changed from the original: not endorsed by DARC e.V., SSA or PTS Co-Authored-By: Claude Sonnet 5.5 <[email protected]>
67 lines
4.1 KiB
Markdown
67 lines
4.1 KiB
Markdown
% Halvledare II
|
|
% DF2DR 2024-08-19
|
|
|
|
Grundämnet i vår moderna värld är halvledarmaterial. Gott skäl att ägna sig lite mer ingående åt dem. Halvledare har en kristallgitterstruktur, det vill säga deras atomer är ordnade periodiskt.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:854:a_silizium_halbleiter:Halvledarkristall av kisel]
|
|
</margin>
|
|
|
|
Alla halvledarmaterial har två egenskaper gemensamt:
|
|
|
|
---
|
|
|
|
Det finns ett *bandgap* (energigap), som är en följd av den periodiska strukturen. Det betyder att elektroner i kristallen inte kan ha vissa energier. Den högsta energi som elektroner bundna till atomer har kallar vi *valensbandsenergi*. Eftersom elektronerna alla är bundna till gitteratomer kan de inte bidra till strömflödet. Det finns ytterligare energitillstånd som elektronerna kan nå - de ligger i *ledningsbandet*, som ligger bandgapets storlek över valensbandets kant. Elektroner i ledningsbandet kan bidra till strömflödet om vi lägger en spänning över halvledarprovet. De behöver då en energi som är större än bandgapet. Den energin kan de ta upp i form av termisk energi, och därför är mycket rena halvledare vid låga temperaturer mycket goda isolatorer.
|
|
|
|
<margin>
|
|
Bandgapets energi bestäms av halvledarens kemiska sammansättning. Jämfört med Si har Ge ett betydligt mindre, GaAs och InP ett något större och GaN ett mycket större bandgap.
|
|
</margin>
|
|
|
|
Kisel (Si) och germanium (Ge) är *grundämneshalvledare* (liksom förresten diamant, som är kristallint kol). Men det finns också kemiska föreningar som är halvledare (*föreningshalvledare*), som galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP) eller galliumnitrid (GaN).
|
|
|
|
---
|
|
|
|
Material med bandgap kallas bara halvledare om de dessutom är *dopbara*. Deras ledningsförmåga kan ändras inom vida gränser genom avsiktlig förorening av det mycket rena halvledarmaterialet. Arsenik (As) har till exempel, jämfört med grundämneshalvledarna, en elektron mer i det yttre elektronskalet. Denna elektron kan mycket lätt och med lite energi bli en fri elektron i ledningsbandet. En sådan dopning kallar vi *n-dopning*.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:855:a_n_dotierung:n-dopning]
|
|
</margin>
|
|
|
|
---
|
|
|
|
Men vad händer om vi förorenar halvledaren med ett material som har en elektron för lite i det yttre elektronskalet? En sådan elektronbrist kallar vi ett *hål*. Eftersom atomen tidigare var neutral har elektronbristen en positiv laddning. Hålen kan också röra sig i kristallen och bidra till strömflödet. En sådan dopning kallar vi *p-dopning*.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:856:a_p_dotierung:p-dopning]
|
|
</margin>
|
|
|
|
Sammanfattningsvis kan vi konstatera:
|
|
* n-dopning ger ett överskott av elektroner i halvledaren.
|
|
* p-dopning ger ett överskott av hål i halvledaren.
|
|
|
|
---
|
|
|
|
Kombinerar man i en kristall, men rumsligt åtskilda, p-dopade och n-dopade zoner sker ett utbyte av laddningsbärare i kontaktplanet: Elektroner rör sig från det n-dopade området mot det p-dopade området, hål rör sig från det p-dopade området mot det n-dopade området. Denna rörelse av laddningsbärare, som orsakas av skillnaderna i täthet hos elektroner och hål, kallar vi diffusionsström.
|
|
|
|
Denna laddningsseparation skapar å andra sidan ett elektriskt fält med motsatt verkan, som leder till en fältström. I jämvikt (utan yttre pålagd spänning) balanserar diffusionens och det elektriska fältets verkningar varandra exakt. Mellan p- och n-zonerna uppstår ett område utan fria laddningsbärare, som kallas *utarmningszon* eller *spärrskikt*. En sådan struktur utgör en *pn-diod*.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:857:a_pn_uebergang:PN-övergång]
|
|
</margin>
|
|
|
|
---
|
|
|
|
Nu lägger vi på en yttre spänning som är mer positiv på p-området (*anoden*) än på n-området (*katoden*). Den positiva elektroden drar elektroner över utarmningszonen och den negativa elektroden drar hål. Utarmningszonen bryts ned och en ström flyter. Detta är drift i *framriktningen*.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:956:a_pn_uebergang_mit_spannung:PN-övergång med yttre spänning]
|
|
</margin>
|
|
|
|
---
|
|
|
|
Vänder vi nu på spänningen vidgas utarmningszonen och strömflödet upphör. Detta är diodens *backdrift* (spärrdrift).
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:957:a_pn_uebergang_mit_spannung:PN-övergång med yttre spänning]
|
|
</margin>
|