Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Transkrypt

1 Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

2 Półprzewodnik typu n IV-Ge V-As Jeżeli pięciowartościowy atom V-As zastąpi w sieci atom IV-Ge to cztery elektrony biorą udział w wiązaniu kowalentnym, piąty elektron jest prawie swobodny. Podlega on siłom kulombowskiego oddziaływania dodatniego pola (+As) domieszki. Oddziaływanie jest słabe bo dla Ge ε= 16 (energia jonizacji E j =0.01eV jest 256 razy mniejsza niż E j swobodnego atomu). domieszka donorowa Półprzewodnik typu n - część atomów IV- Ge zastąpiona przez V-As: (a) w O K atom As nie jest zjonizowany, (b) jonizacja atomów As w T>0K, powstanie swobodnych elektronów, (c) położenie poziomu donorowego E d.

3 Jeżeli trówartościowy atom III-In zastąpi w sieci atom IV-Ge to jedno z wiązań pozostaje niewysycone, gdyż atom In ma o jeden elektron mniej niż Ge. Wiązanie może być uzupełnione dowolnym elektronem od Ge. Przejście takie wymaga bardzo małej ilości energii. domieszka akceptorowa Półprzewodnik typu p IV-Ge III-In Półprzewodnik typu p - część atomów Ge zostaje zastąpiona przez III-In: a) w T=0K ma czwarte wiązanie niewysycone, b) w T>0 K następuje wysycenie wiązania domieszki i jednoczesne pojawienie się dziury, c) położenie poziomu akceptorowego E a.

4 Półprzewodnik typu n IV-Si V-As E d =0.049 ev

5 Półprzewodnik typu p IV-Si III-B E a = ev

6 Akceptorowe poziomy energetyczne w Ge

7 Energie jonizacji domieszek Energie jonizacji V-wartościowych domieszek w Si i Ge Energie jonizacji III-wartościowych domieszek w Si i Ge

8 Ruchliwość nośników [m 2 /s V] V d = λ a V V d = j ne = ee λ m V ruchliwość zależy od sredniej drogi swbodnej λ=l i sredniej prędkości nośników z prawa Ohma przewodnictwo elektronowe przewodnictwo dziurowe przewodnictwo=konduktywność wypadkowa σ = e + ( n h μ h ne e μ )

9 Zależność temperaturowa ruchliwości

10 Zależność temperaturowa ruchliwości Teoretyczna zależność ruchliwości nośników od temperatury Zależność ruchliwości elektronów od temperatury w Ge przy różnych koncentracjach domieszki donorowej Ze wzrostem koncentracji domieszek ruchliwość nośników maleje, a maksimum ruchliwości przesuwa się w stronę wyższych temperatur

11 Zależność temperaturowa ruchliwości

12 Przewodnictwo = konduktywność Ruchliwość nośników z wyjątkiem bardzo niskich temperatur (<100K) jest proporcjonalna do T -3/2. Zależność potęgowa upraszcza się.

13 W skali półlogarytmicznej konduktywność (przewodnictwo) Dla półprzewodników samoistnych

14

15 Zależność temperaturowa przewodnictwa (konduktywności) półprzewodników domieszkowych Jest uwarunkowana głównie zależnością koncentracji nośników od temperatury Niskie temperatury E j energia jonizacji domieszek

16 Niskie temperatury - nachylenie odcinka ab wynosi E j /2k. W tym obszarze, przewodnictwo bardzo szybko wzrasta z temperaturą na skutek termicznej jonizacji domieszek i pochodzi od nośników wiekszościowych rośnie T

17 Temperatury umiarkowane (obszar nasycenia) koncetracja nośników większościowych pozostaje praktycznie stała i równa koncentracji domieszki (N d ). Jednocześnie w tym zakresi temperatur o ruchliwości decyduje rozproszenie na fononach μ T -3/2. Oznacza to, że konduktywność (przewodnictwo) maleje ze wzrostem temperatury, zmiany są niewielkie - odcinek bc. rośnie T

18 W temperaturach wysokich następuje jonizacja Ge,Si i koncentracja nośników jest taka sama jak w materiale samoistnym. Ruchliwość nośników maleje z temperatura proporcjonalnie μ T 3/2. Przewodnictwo opisane jest wzorem: Odpowiada to odcinkowi cd, z nachylenia wyznaczamy energię przerwy wzbronionej E g (tgα E g /2k). Im większa jest koncentracja domieszek, tym całkowita jonizacja następuje w wyższej temperaturze, jednocześnie w wyższej temperaturze następuje przejście w obszar samoistny.

19 Dioda p-n W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego E, w pobliżu styku obszarów p i n swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu p, natomiast dziury do obszaru typu n (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwóch swobodnych nośników. Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, w wyniku czego w pobliżu kontaktu pozostają jedynie odsłonięte jony domieszek: ujemne akceptorów i dodatnie donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, warstwa zaporowa. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p, natomiast ładunek ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje.

20 Polaryzacja w kierunku przewodzenia W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość warstwy zaporowej. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru n do p i z p do n. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ze źródła zasilania jednak wciąż dopływają nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny. Jego wartość opisuje przybliżone równanie, zwane równaniem Shockleya: U T - potencjał elektrokinetyczny, który wynosi ok. 26 mv dla T = 300 K (27 C) Polaryzacja w kierunku zaporowym W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.