Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Transkrypt

1 Przyrządy i układy półprzewodnikowe Prof. dr hab. Ewa Popko ewa.popko@pwr.edu.pl p.231a A-1

2 Zawartość wykładu Wy1, Wy2 Wy3 Wy4 Wy5 Wy6 Wy7 Wy8 Wy9 Wy10 Wy11 Wy12 Wy13 Wy14 Wy15 Współczesna technologia półprzewodników i urządzeń półprzewodnikowych. Wzrost kryształów litych i warstw epitaksjalnych. Rodzaje półprzewodników i ich właściwości. Koncentracja równowagowa elektronów i dziur w półprzewodnikach samoistnych i domieszkowanych Nośniki nadmiarowe w półprzewodnikach: ekscytacja optyczna i elektryczna Dyfuzja i dryft nośników. Relacja Einsteina. Równanie ciągłości. Kwazipoziomy Fermiego. Złącze p-n w stanie równowagi termodynamicznej. Ładunek przestrzenny w złączu p-n. Równanie Poissona i jego rozwiązanie. Pole elektryczne w złączu. Obszar zubożony i potencjał wbudowany. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n. Równanie Schockley a. Model małosygnałowy diody p-n. Dioda w układach prostowniczych. Pojemność złącza p-n. Waraktory. Transport prądu przez rzeczywiste złącze p-n. Efekt Zenera, jonizacja zderzeniowa. Dioda Zenera i dioda lawinowa. Układy pracy. Złącze metal-półprzewodnik: prostujące i omowe. Charakterystyka I-V diody Schottky ego. Zastosowania. Test zaliczeniowy

3 Literatura LITERATURA PODSTAWOWA: [1] Materiały do wykładu, dostępne poprzez internet : [2] E.Płaczek-Popko, Fizyka odnawialnych źródeł energii Skrypt DBC [3] W.Marciniak Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone WNT Warszawa 1987 [4] S.Kuta Elementy i układy elektroniczne Wyd. AGH, wyd. I 2000 LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA: [1] S.M.Sze Physics of Semiconductor Devices J.Wiley and Sons, NY 1981, dostępna wersja elektroniczna, e-książki, BG P.Wr. [2] M.Rusek, J.Pasierbiński Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach WNT Warszawa 1990

4 Pierwszy tranzystor

5 Wstęp do półprzewodników 1. Budowa atomu 2. Półprzewodniki, przewodniki i izolatory 3. Wiązanie kowalencyjne 4. Przewodnictwo półprzewodników

6 Półprzewodniki - historia

7 Budowa atomu Atom zbudowany jest z trzech podstawowych cząstek: Protony (ładunek dodatni) Neutrony (obojętne) Jądro (rdzeń atomowy) Elektrony (ładunek ujemny) ATOM

8 Budowa atomu Liczba atomowa Liczba atomowa = liczbie protonów w jądrze Kolejność atomów w tablicy układu okresowego wynika z liczby atomowej Atom wodoru Atom helu

9 Budowa atomu Powłoki i orbity - Orbity grupują się w powłoki (ang. shells) - Różnice energii pomiędzy poziomami w obrębie powłoki są << od różnic energii pomiędzy powłokami - Energia elektronu rośnie ze wzrostem odległości od jądra

10 Budowa atomu Elektrony walencyjne - Elektrony o najwyższej energii znajdują się na zewnętrznych powłokach - Są to elektrony walencyjne - Walencyjność potencjał konieczny do usunięcia elektronu walencyjnego 4 elektrony walencyjne Atom krzemu Atom germanu

11 Model Bohra Niels Bohr elektrony krążą wokół jądra jadro jest zbudowane z: i) +protonów ii) neutralnych neutronów

12 Półprzewodniki, przewodniki i izolatory Atom może być przedstawiony jako powłoka walencyjna i rdzeń Rdzeń składa się z wewnętrznych powłok i jadra Atom węgla: -powłoka walencyjna 4 e -wewnętrzna 2 e Jadro: -6 protonów -6 neutronów

13 Półprzewodniki, przewodniki i izolatory Przewodniki materiał przewodzący prąd elektryczny Najlepsze przewodniki są monoatomowe (Cu, Ag, Au, Al) jeden elektron walencyjny słabo związany z atomem swobodny elektron izotalory materiał nie przewodzący prądu elektrycznego elektrony walencyjne są mocno związane z atomem, brak swobodnych elektronów

14 Półprzewodniki materiał, który przewodzi prąd elektryczny lepiej niż izolator i gorzej niż przewodnik powszechnie używane półprzewodniki: krzem(si), german Ge), i diament (C). te półprzewodniki posiadają 4 elektrony walencyjne

15 Układ okresowy pierwiastków W obrębie okresu promienie atomów zmniejszają się malejąc w danym okresie od strony lewej do prawej. Wiąże się to ze wzrostem liczby protonów w jądrze, tzn. z silniejszym przyciąganiem elektronów przez jądro. W obrębie grup promienie atomów wzrastają wraz ze wzrostem liczb atomowych. Wiąże się to ze wzrostem liczby powłok elektronowych, których wpływ na wielkość średnicy atomu przewyższa wpływ wzrostu ładunku jądra, decydującego o zmniejszeniu średnicy atomu

16 Półprzewodniki, przewodniki i izolatory Pasma energetyczne

17 Półprzewodniki, przewodniki i izolatory W ciałach stałych istotnemu rozszczepieniu ulegają stany elektronów walencyjnych. Rozszczepione poziomy grupują się w pasma. Najwyższe pasmo obsadzone elektronami w niemetalach nazywa się pasmem walencyjnym. Sąsiednie wyższe pasmo nazywa się pasmem przewodnictwa. Obszar energii zawartej pomiędzy pasmami, niedozwolony dla elektronów nazywa się przerwą wzbronioną.

18 Półprzewodniki, przewodniki i izolatory Struktura pasmowa 1eV (elektronowolt) energia, jaką uzyskuje elektron w polu elektrycznym o różnicy potencjałów 1V

19 Półprzewodniki, przewodniki i izolatory Porównanie atomu półprzewodnika i przewodnika Atom Si: 4 elektrony walencyjne półprzewodnik Konfiguracja elektronowa: 2:8:4 Atom Cu: Tylko 1 elektron walencyjny Dobry przewodnik Konfiguracja elektronowa:2:8:18:1 14 protonów 14 jąder 10 elektronów na powłokach wewnętrznych 29 protonów 29 jąder 28 elektronów na powłokach wewnętrznych

20

21 Stała sieci, konfiguracja elektronowa i przerwa wzbroniona

22

23