PÓŁPRZEWODNIKI W ELEKTRONICE. Powszechnie uważa się, że współczesna elektronika jest elektroniką półprzewodnikową.

Transkrypt

1 PÓŁPRZEWODNIKI W ELEKTRONICE Powszechnie uważa się, że współczesna elektronika jest elektroniką półprzewodnikową. 1

2 Półprzewodniki Półprzewodniki to ciała stałe nieorganiczne lub organiczne o przewodnictwie elektrycznym typu elektronowego i przewodności elektrycznej większej od przewodności dielektryków i mniejszej od przewodności metali. 2

3 Krzem (Si) Krzem jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej. Otrzymuje się go przemysłowo przez redukcję krzemionki (SiO 2 ) węglem w piecu elektrycznym. Krzem czysty (99,9%) poddaje się następnie oczyszczaniu strefowemu. W wyniku wielokrotnego oczyszczania strefowego uzyskuje się surowiec półprzewodnikowy o czystości rzędu 99,999%. Tak oczyszczony krzem poddaje się precyzyjnemu domieszkowaniu i krystalizacji w celu uzyskania materiału wyjściowego o pożądanej w procesie produkcji przyrządów PP strukturze i rezystywności. 3

4 Krzem (Si) Rezystywność krzemu może mieć wartość w przedziale od 300 kωcm do 0,001 Ωcm. W normalnych warunkach fizycznych ma on: skośną przerwę energetyczną o szerokości 1,12 ev, wytrzymałość na przebicie 300 kv/cm, względną stałą dielektryczną 11,9; ruchliwość elektronów rzędu 1000 cm 2 /Vs, ruchliwość dziur cm 2 /Vs, koncentrację samoistną nośników ładunku 1, cm -3. Krzem jest pierwiastkiem IV grupy układu okresowego; liczba atomowa 14, czterowartościowy, średnica atomu 2,35Å, krystalizuje w układzie regularnym typu diamentu o stałej sieciowej 5,43Å, ma ok atomów/cm 3 i moduł Younga 10890kG/mm 2. 4

5 Arsenek galu (GaAs) Arsenek galu jest stosowany przede wszystkim na diody elektroluminescencyjne, lasery, i przyrządy mikrofalowe. Umożliwia on uzyskanie jeszcze mniejszego prądu nasycenia i wyższej maksymalnej dopuszczalnej temperatury złącza p-n niż krzem. W normalnych warunkach fizycznych ma on: 1. prostą przerwę energetyczną o szerokości 1,43 ev, 2. wytrzymałość na przebicie 350 kv/cm, 3. względną stałą dielektryczną 12,9; 4. ruchliwość elektronów 6 razy większą niż w krzemie. 5

6 Inne, częściej stosowane półprzewodniki GaP, GaN, InAs, InP, InSb, CdS, PbTe, tlenki: Cu, Ni, Mn, Fe i ich mieszaniny, SiC, AlGaAs, GaAsP, SiGe. Bada się możliwości stosowania półprzewodników organicznych, np. pentacenu. Są próby stosowania jako półprzewodnika diamentu. 6

7 Elektrony w atomie Elektrony walencyjne Jądro Elektrony 7

8 Półprzewodnik samoistny - to półprzewodnik o doskonałej sieci krystalicznej. i-si a=5,431a 8

9 Atomy i rdzenie atomowe Si oraz Ge Si oraz Ge należą do grupy IV układu okresowego pierwiastków. Mają po 4 zewnętrzne elektrony. Tylko zewnętrzne elektrony uczestniczą w tworzeniu wiązań kowalencyjnych. Pozostałe elektrony i jądra można traktować w przybliżeniu jako rdzeń atomowy o ładunku +4q. 9

10 Wiązania kowalencyjne w krysztale Si Atom Si w sieci krystalicznej dzieli się swoimi 4 elektronami walencyjnymi z 4 otaczającymi go atomami, tworząc wiązanie kowalencyjne.

11 Energetyczny model pasmowy półprzewodnika W półprzewodniku, w wyniku oddziaływania rdzeni atomowych, dochodzi do utworzenia pasma przewodnictwa. Jest ono oddzielone przerwą energetyczną od pasma walencyjnego. Elektrony pasma walencyjnego i niższych nie mogą poruszać się swobodnie po krysztale.

12 Model pasmowy półprzewodnika samoistnego Energia Pasmo przewodnictwa Swobodne elektrony (n i ) W C W V W G n i =p i Swobodne dziury (p i ) Pasmo walencyjne Przestrzeń 12

13 Półprzewodnik samoistny kreacja e-h W idealnym krysztale półprzewodnika, bez defektów również bez domieszek, w temperaturze zera bezwzględnego pasmo walencyjne powinno być pozbawione dziur, a w paśmie przewodnictwa nie powinno być elektronów Dla T > 0 K termiczne drgania atomów prowadzą do zerwania niektórych wiązań i generacji par elektron-dziura o koncentracji odpowiednio n i = p i. Elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie walencyjnym mogą przewodzić prąd elektryczny.

14 Ruch dziury w paśmie walencyjnym T.Floyd, Electronic Devices, Prentice-Hall, 1999 Oswobodzenie elektronu przejście do pasma przewodnictwa zostawia dziurę w paśmie walencyjnym ruch elektronu pasma walencyjnego odpowiadający mu ruch dziury Bariera energetyczna pomiędzy dziurą, a elektronami walencyjnymi sąsiednich atomów Si jest niewielka. Termiczne drgania atomów w sieci krystalicznej wystarczają do jej pokonania i prowadzą do przemieszczania się dziury swobodnie po krysztale w paśmie walencyjnym. 14

15 n n i Koncentracja samoistna (n i ) Nexp i 1,5 Si,T= 300K WG 2kT milionów swobodnych elektronów i tyleż samo swobodnych dziur w objętości 1mm 3! 10 cm 3 15

16 Półprzewodniki domieszkowane i-si + (P lub As lub Sb) n-si krzem donorowy Pierwiastki piątej grupy układu okresowego i-si+(b lub Al lub Ga) p-si krzem akceptorowy Pierwiastki trzeciej grupy układu okresowego 16

17 Model pasmowy jednorodnego półprzewodnika donorowego Energia Pasmo przewodnictwa Swobodne elektrony (n n ) (nośniki większościowe) W C W G n n >p n n n N D Jony domieszek donorowych (N D cm -3 ) W V Pasmo walencyjne Swobodne dziury (p n ) (nośniki mniejszościowe) p n n 2 i N D Przestrzeń 17

18 Półprzewodnik donorowy (n) Domieszka donorowa obce atomy o większej wartościowości. Liczba elektronów swobodnych jest równa liczbie atomów domieszki. Powstaje półprzewodnik typu n (negative). 18

19 Model pasmowy jednorodnego półprzewodnika akceptorowego Energia W C W V W G n p <p p Pasmo przewodnictwa p p N A n n Swobodne elektrony (n p ) (nośniki mniejszościowe) Jony domieszek akceptorowych (N A cm -3 ) p 2 i N A Swobodne dziury (p p ) Pasmo wartościowości (nośniki większościowe) Przestrzeń 19

20 Półprzewodnik akceptorowy (p) Domieszka akceptorowa obce atomy o mniejszej wartościowości. Liczba dziur swobodnych jest równa liczbie atomów domieszki. Powstaje półprzewodnik typu p (positive). 20

21 Diody -prostownicze, - stabilizacyjne (Zenera), fotodiody, - elektroluminescencyjne, -- pojemnościowe (warikapy)

22 Diody - klasyfikacje Rodzaj złącza diody p-n diody p-i-n diody m-s (Schottky'ego) diody heterozłączowe Przeznaczenie ogólnego przeznaczenia prostownicze stabilizacyjne (Zenera) pojemnościowe (warikapy) przełączające optoelektroniczne mikrofalowe 22

23 Prostujące złącza półprzewodnikowe Złącze P-N P + Si N - Si Złącze M-S Złącze Schottky ego Metal N - Si 23

24 Model idealnego złącza PN Anoda x p x n Katoda P N x j Obszar quasineutralny P Warstwa przejściowa Obszar quasineutralny N 24

25 Charakterystyka prądowonapięciowa idealnego złącza PN 10I S I I/I S (0,715V) 5I S U Si I S (0,656V) 0 0,2 0,4 0,6 U[V] I S prąd nasycenia (na) V T potencjał elektrotermicznyv T = kt/q 26 mv dla T = 300 K I ( U) I S exp 1 VT U 25

26 Charakterystyka rzeczywistego złącza PN Zakres przewodzenia I I Anoda U Katoda U F I F U Zakres przebicia I R U R Zakres zaporowy 26

27 Schemat budowy diody Obudowa Prostujące złącze półprzewodnikowe Wyprowadzenia 27

28 Diody prostownicze Prostownik jednopołówkowy 28

29 Diody prostownicze Prostownik jednopołówkowy Efekt prostowania jest częściowo zależny od częstotliwości napięcia prostowanego U 1 =12V, 50Hz R=10Ω, dioda 1N

30 Diody prostownicze Prostownik jednopołówkowy Efekt prostowania jest częściowo zależny od częstotliwości napięcia prostowanego U 1 =12V, 50kHz R=10Ω, dioda 1N

31 Diody prostownicze Prostownik mostkowy V ~ Hz _ u 1 t u 2 t 31

32 Diody stabilizacyjne r Z = U I I= I Z U Z0 P max = U Z I Zmax 32

33 Elementarny stabilizator napięcia U WY = U WE r Z rz + R 33

34 Wpływ temperatury na przewodzenie złącza PN Charakterystyki wsteczne I F[A] 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6 Charakterystyki przewodzenia 100C o 25C o -50C o Maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne 0,2 U F[V] 0 0,2 0,4 0,6 1,0 U T I= const 2mV/ K 34

35 Termometr diodowy +U CC U WY T K U U WY=b(T-T 0) T 0 -U CC U WY = b. (T-T 0 ) T 0 T b= k TUF K U ; k TUF 2mV/ o C 35

36 Wpływ oświetlenia na złącze PN Anoda I f Katoda 36

37 Charakterystyki I(U) fotodiody Dioda oświetlona I Dioda nie oświetlona U S f Napięcie fotoelektryczne U f Prąd fotoelektryczny ~ I f η I f = S f J J f natężenie promieniowania γx j ( W, λ) γ( wyk, λ) e [ 1 R( wyk, λ) ] G I I U = IS exp 1 V T ( U) = IDzw( U) If f I f η - wydajność kwantowa fotonów, γ,r - współczynniki pochłaniania i odbicia promieniowania, x j - głębokość złącza. 37

38 Charakterystyka widmowa fotodiody 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 S/S f fmax Oko D-Si 0,4 0,6 0,8 1,0 λ [ µ m] 38

39 Układ pracy fotodiody jako nieliniowego fotorezystora J f E + I f R L U WY U = R I = WY L f R L S f J f U WY 0 E 39

40 U f = V T ln Fotodioda jako ogniwo fotoelektryczne U f = V T ln I S + I S I f V T ln I I f S J f Uf U f U f max U = f max V j J f U f ~ ln I I f S SfJ ~ ln I S f 40

41 I f R (I,U) U f Charakterystyka ogniwa a-si o powierzchni 0,25cm 2 przy oświetleniu 1sun 41

42 Fotodioda kwadrantowa Powierzchnia światłoczuła Stosuje się do detekcji położenia plamki świetlnej. 42

43 Diody elektroluminescencyjne Φ ~I F GaAs - promieniowanie podczerwone, GaAs 1-x P x na GaAs - światło czerwone lub bursztynowe, GaAs 1-x P x na GaP - światło czerwone lub pomarańczowe, GaP - światło zielone lub czerwone lub żółte, SiC, GaN - światło niebieskie, InGaN - światło zielone lub niebieskie, GaN pokryte warstwą fluoryzującego fosforu - światło białe. 43

44 Charakterystyki I(U) I F[mA] Si U F[V] 0 0,6 1 1,5 2 2,5 3 3,5 44 Podczerwona Czerwona Zielona Bursztynowa Niebieska

45 Wskaźnik α-numeryczny 7 segmentowy z kropką 45

46 Laser półprzewodnikowy (krawędziowy) powierzchnie polerowane obszar aktywny 46

47 Odczyt CD ROMu Winylowa warstwa podłożowa Warstwa odblaskowa λ/4 Przeźroczysta warstwa ochronna Promień opóźniony o λ/2 Dioda laserowa 47

48 Pojemność barierowa złącza PN x n x p = d d ( V u) ~ j Q + C = Q j = εε = d dq du 0 Cj b S ( u) = Q b 48

49 Diody pojemnościowe C j C j0 ( u) = m 1 u V j 1 1 m, 2 3 C C r1 C r2 U 49

50 Obwody rezonansowe przestrajane diodą pojemnościową f a 2π 1 L C(U) f b = 2π 1 L 1 2 C(U) 50

51 Układ przylegania Detektor szczytowy 51

52 Ogranicznik poziomu 52

53 Układ wygaszania przepięcia induktora 53