الكترونيات

الكترونيات 1. توصيلية الجوامد 2. أشباه الموصلات، تعريفها ، مميزات السيلكون الترانزيستور ... (p-n) 3. المركبات الألكترونية الوصلة الثنائية د. ن. ثابت E-mail: natabet@kfupm.edu.sa Tel. 3 860 2443/4105

1. الموصلات Conductors

1.التوصيلية الكهربائية I V V V = R I V L R = r L/A (W.m)المقاومية r = 1/s (W-1.m-1)التوصيلية

التوصيلية الكهربائية V=1 mV L=10 cm A= 1 mm 2 A L I = 0.6 A , s = 6x 107W-1m-1 Cu نحاس I = 2 10-8 A, s = 2W-1m-1 Ge جرمانيوم I < 10-20 A,s < 10-13W-1m-1Al2O3الألمينيومأكسيد

سؤال:ما هي خواص المادة التي تتحكم في التوصيل الكهربائي؟ الشحنة J = nq v A/cm2 كثافة التيار: سرعة الألكترونات n: كثافة الألكترونات الحرة (عددها في وحدة الحجم)

Conductorsالموصلات Metals الفلزات

Conductorsالموصلات Metals الفلزات E مجال كهربائي 1022 الكترون حر cm-3 نحاس:

Drift velocity سرعة الأنزياح حركة عشوائية انزياح الألكترونات في الأتجاه المعاكس للمجال الكهربائ E نقطة البداية نقطة النهاية نقطة البداية نقطة النهاية v = m E معدل السرعة = 0

التوصيلية الكهربائية v = mE J = n q m E حركية الألكترونات: Mobility J = s E I /A = s V/L V= (s -1 L/A) I s = n q m تتأثربالحرارة و الشوائب (Defects) تتأثربالحرارة و العيوب

حركية الألكترونات ذرات تهتز ذرة شائبة - - اصطدام الكترون بذرة شائبة اصطدام الكترون بذرات مهتزة

سرعة الألكترونات الخلاصة العيوب البلورية و الأهتزازات الذرية تعيق حركة الألكترونات زيادة درجة الحرارة و تركيز الشوائب يقلل من سرعة الألكترونات

التوصيلية الكهربائيةتأثير درجة الحرارة على V0 I V A V0

2. شبهالموصلات Semiconductors

(Diamond) البنية الماسية ZnS بنية أمثلة GaAs, AlAs, ZnSe,CdS,InSb C, Si, Ge, Sn أمثلة

Semiconductors2. الموصلات شبه (Silicon ) السيلكون رابطة تساهمية T = 0K ألكترونات تساهمية

Semiconductors شبه الموصلات مثال : السيلكون ذرات السيلكون فجوة ألكترون حر T = 300K عند 1010 الكترونات حرةcm-3

طاقة الألكترونات في الجوامد 2p4 2s2 1s2 ذرتان ذرة وحيدة

طاقة الألكترونات في الجوامد مستوى N 2p شريط الكترون 4N 2s شريط الكترون 2N الكترون 2N 1s شريط N : ذرات عديدة

طاقة الألكترونات في الجوامد الطاقة 2p شريط 2s شريط 1s شريط المسافة

موصلات، شبه موصلات و عوازل شريط التوصيل فارغ مملوء جزئيا شريط التكافؤ: مملوء T = 0K موصل شبه موصل أو عازل

شبه موصلات و عوازل عازل شبه موصل شريط التوصيل فجوة الطاقة Eg <5eV Eg >5 eV شريط التكافؤ: مملوء Eg (eV)فجوة الطاقة Ge Si InP GaAs CdTe CdSe CdS SiC ZnO GaN Al2O3 MgO SiO2 CaO 0.66 1.12 1.35 1.43 1.45 1.73 2.42 2.86 3.4 3.5 8 9 8 9 عوازل شبه موصلات

التحريض الحراري للألكترونات ألكترون حر فجوة ألكترون حر Ec Ev فجوة pi= ni:قانون حفظ الشحنة (Valence Band): شريط التكافؤ Si: ni = 1010cm-3 Ge ni = 3. 1013 cm-3

اندماج الألكترونات و الفجوات Electron Hole Recombination انتقال ألكترونين الى شريط التكافؤ فناء ألكترونين و فجوتين ألكترونات و انبعاث فوتونين Eg Eph=Eg(eV)=1.24/l(mm) فجوات (Valence Band): شريط التكافؤ

(Doped Silicon) n السيلكون المشوب نوع ألكترون ضعيف الارتباط ذرة شائبة من المجموعة الخماسية: P, As, Sb,….. ألكترونات تساهمية

مساهمةالشوائب المانحة في زيادة عدد الألكترونات الحرة ألكترون حر ألكترونان حران ألكترون مرتبط بالشائبة المانحة D0 D+ فجوة حرة (D0) شائبة مانحة غير مؤينة (D+) شائبة مانحة مؤينة ND ~ n ND + p = n:قانون حفظ الشحنة

(Doped Silicon) p السيلكون المشوب نوع موقع ألكتروني شاغر ذرة شائبة كاسبة من المجموعة الثالثة: B, Al, In, Ga,….. ألكترونات تساهمية

مساهمةالشوائب الكاسبة في زيادة عدد الفجوات ألكترون حر ألكترون حر A- A0 فجوة (A0) كاسبة غير مؤينة شائبة (A-) شائبة كاسبة مؤينة NA + n = p:قانون حفظ الشحنة NA ~ p

التوصيلية في أشباه الموصلات نوعان : n و p + + + - - + - - - + - + + + - - + - تيار ناتج عنانتقال الألكترونات تيار ناتج عن انتقالالفجوات s = p q mp s = n q mn

3. المركبات الألكترونية: p-n الثنائية: الوصلة الترانزيستور

p-n الثنائية: الوصلة Nd= n ألكترونات حرة Na= p فجوا ت + - - - - + + + - + + - + - - - - + - + - + + - + + + - ذرات شوائب كاسبة ذرات شوائب مانحة - + - - + - - + + + - + + - + - - - - + - + + - + + + -

(V=0, I=0) في حلة الأتزان :p-n الثنائية الوصلة Nd= n مجال كهربائي داخلي Na= p - + - - - + + + - + - + - - + - + + - + + - Neutral n- region Depleted region Neutral p- region منطقة حيادية (غير مشحونة) n من نوع منطقة مشحونة ومفرغة من الألكترونات و الفجوات منطقة حيادية (غير مشحونة) p من نوع

تحت تأثير جهد خارجي الثنائيةالوصلة - Forward bias جهد أمامي + V V المجال الكهربائي الخارجي - - + - + E - + - - + - - + المجال الكهربائي الداخلي تيارمتزايد أسيا مع تزايد الجهد

تحت تأثير جهد خارجي الثنائيةالوصلة Reverse bias جهد عكسي + - V V المجال الكهربائي الخارجي - - + + - E - + - - + - - + المجال الكهربائي الداخلي تيار ضعيف و ثابت

تحت تأثير جهد خارجي الثنائيةالوصلة I=I0 exp[(qV/kT)-1]

الوصلةالثنائيةالباعثة للضوء Light Emitting Diode (LED) Forward bias جهد أمامي V V R Eph=Eg (eV)=1.24/l(mm) - - - + + - - + - - + + - - + - - - + GaN: 3.5eV, ZnO: 3.4eV,l = 0.35mm :ضوء أزرق !!!

أول ترانزيستور مصنوع من الجرمانيوم (1947) مناطق مشوبة مجمع الباعث القاعدة (Ge)شبه موصل

http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_4/backbone/r4_1_2.htmlhttp://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_4/backbone/r4_1_2.html

InP and GaAs-based Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) http://www.eecs.umich.edu/dp-group/HBT/

MOSFET ترانزيستور http://www.columbia.edu/~oj15/materials/transistor

بداية عصر النانتكنلوجيا نانوأنبوب من الكربون http://www.research.ibm.com/nanoscience/fet.html

يتضاعف عدد الترانزيستورات في الميكربروسيسر الواحد كل سنتين

الكترونيات

الكترونيات

Presentation Transcript