Przewodność elektryczna półprzewodników

Transkrypt

1 Przewodność elektryczna półprzewodników p koncentracja dziur n koncentracja elektronów Domieszkowanie półprzewodników donory i akceptory 1

2 Koncentracja nośników ładunku w półprzewodniku domieszkowanym Zjawisko Halla W polu magnetycznym o indukcji B na ładunek q poruszający się z prędkością v działa siła Lorenza F = q v B Schemat układu doświadczalnego do pomiaru efektu Halla. Linie przerywane oznaczają tory, po których poruszałyby się elektrony n i dziury p w polu magnetycznym o indukcji B, gdyby nie pojawiło się napięcie Halla U H. Stałą Halla R H wyznacza się na podstawie pomiaru napięcia Halla U H, natężenia prądu w warstwie o grubości d oraz indukcji magnetycznej B: R H =U H d/(b) Jeśli występuje tylko jeden rodzaj nośników ładunku (elektrony albo dziury) to stała Halla jest odwrotnie proporcjonalna do ich koncentracji n R H =1/(ne) e - ładunek elementarny 2

3 Zastosowanie zjawiska Halla do wyznaczania koncentracji nośników Zależność stałej Halla od temperatury dla krzemu a) typ p, koncentracja boru (akceptora) cm -3 b) typ n, koncentracja arsenu (donora) cm -3 Przy mniejszej koncentracji domieszki (b) widoczny jest obszar nasycenia i obszar samoistny. Koncentracja nośników i przewodność przy różnych poziomach domieszkowania 3

4 Ruchliwość nośników - zależność od temperatury Złącze p-n sytuacja równowagowa Po obu stronach złącza tworzą się obszary zubożone w nośniki. Pole elektryczne pochodzące od obszarów naładowanych zapobiega dalszemu przenoszeniu nośników między obszarami p i n. 4

5 Złącze p-n napięcie zaporowe Przyłożenie napięcia polaryzującego złącze w kierunku zaporowym utrudnia przechodzenie elektronu przez obszar złącza Złącze p-n w kierunku przewodzenia Elektrony, które przeszły przez obszar złącza ulegają rekombinacji z dziurami. Przez złącze przepływa prąd. 5

6 Złącze p-n w równowadze Polaryzacja w kierunku przewodzenia Polaryzacja w kierunku zaporowym Dioda charakterystyka 6

7 dealna charakterystyka prądowonapięciowa złącza p-n ev ( V ) = 0 exp 1 kbt = en 0 2 i Dn A Ln N A Dp + L N p D Przebicie złącza przy polaryzacji zaporowej Przebicie Zenera tunelowanie elektronów przez wąską warstwę zaporową, w złączu silnie domieszkowanym Złącze metal-półprzewodnik φ B praca wyjścia elektronu z metalu Złącze prostujące bariera Schottky Kontakt omowy (np. ind na krzemie typu p) 7

8 Struktura MS Metal insulator - semiconductor (MS) 8

9 Struktura MOS (metal-oxide semiconductor) Warstwa tlenku (SiO 2 ) jest izolatorem Poziomy energetyczne elektronów w półprzewodniku typu p bez przyłożonego napięcia do bramki (metalu oddzielonego izolatorem). Dodatnie napięcie polaryzacji bramki wytwarza warstwę zubożoną przy powierzchni półprzewodnika Wyższe napięcie polaryzacji bramki wytwarza cienką warstwę inwersyjną typu n na powierzchni półprzewodnika Przy jeszcze wyższym dodatnim napięciu polaryzacji bramki elektrony w warstwie inwersyjnej stają się zdegenerowane (potencjał chemiczny wewnątrz pasma). Przekrój tranzystora polowego MOSFET (field efect transistor) z kanałem typu n. Zakreskowana została warstwa zubożona w półprzewodniku typu p odpowiadająca zadanej polaryzacji. Kanał z inwersją obsadzeń typu n tworzy się pod elektrodą bramki na granicy półprzewodnika i tlenku. Kolejne etapy procesu wytwarzania tranzystora MOSFET z kanałem typu n na powierzchni płytki monokryształu krzemu. a) Pokrywanie powierzchni tlenku żywicą fotoutwardzalną i naświetlanie maski b) Rozpuszczanie nieutwardzonej maski i wytrawianie SiO 2. c) Wprowadzenie domieszki donorowej do obszaru źródła i drenu na drodze dyfuzji. d) Naparowanie warstwy metalu i nałożenie warstwy żywicy foto-utwardzalnej. Fragmenty warstwy metalu zostaną selektywnie usunięte zgodnie z naświetlona maską pozostawiając elektrody źródła, bramki i drenu. 9

10 MOSFET Metal-oxide-semiconductor (MOS) Field effect transistor (FET) Reżim liniowy Nasycenie Pierwsze układy scalone powstały w 1958 r. w laboratoriach przemysłowych: Texas nstruments Jack Kilby i Fairchild Robert Noyce Pierwszy działający układ scalony jeden tranzystor na płytce germanu Pierwszy planarny układ scalony na płytce krzemu 1961 r. Jack Kilby Nagroda Nobla z Fizyki w 2000 r. Płytka o rozmiarach 4x5 mm z układem scalonym pamięci EPROM wystające druty łączą płytkę z nóżkami kostki pamięci 10

11 Liczba tranzystorów w układach scalonych wprowadzanych na rynek w kolejnych latach wzrasta wykładniczo - w mikroprocesorach podwaja się co dwa lata - prawo Moore a Wytwarzane są coraz mniejsze tranzystory - rozmiary elementów zmniejszyły się od 500 nm w 1990 r. do 22 nm w 2012 r. granicę stanowi rozmiar atomu rzędu 1 nm 2008 ntel Nehalem Quad Core i7 microprocessor architecture technologia 45 nm, 731 milionów tranzystorów na powierzchni 263 mm 2 11

12 Fotodioda efekt fotoelektryczny wewnętrzny Przy polaryzacji zaporowej dioda jest czułym detektorem światła. Przy braku polaryzacji na złączu powstaje siła elektromotoryczna pracuje jako ogniwo słoneczne Fotodioda z napędu CD Złącze PN używane w fotodiodach do szybkich systemów optycznych Optoizolacja (przetworniki) Ogniwa słoneczne Najczęściej stosowane są ogniwa krzemowe (mono lub polikrystaliczne) 12

13 Widmo promieniowania słonecznego Generacja i rekombinacja pary elektron-dziura absorpcja i emisja fotonu g ene rac ja reko mb inac ja radiac yjna rekombinacja nieradiacyjna dziura elektron Energia 1 Fotogeneracja pary elektron-dziura w pobliżu złącza p-n zakres użyteczny (qv)

14 Jasna i ciemna charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa słonecznego l = d sc Prąd Charakterystyka ciemna l ev = o exp 1 AkBT sc V oc Napięcie o = oo ee a exp kbt L mp V mp Charakterystyka jasna sc Ak BT sc V = + oc ln 1 e o sc evoc = AEa Ak BT ln oo Ak BT ln e sc o Wydajność ogniw słonecznych η = mp P V in mp Prąd Charakterystyka ciemna V mp V oc Napięcie FF = mp sc V V mp oc η = scvoc FF P in L mp Charakterystyka jasna Eff. Voc Jsc FF (%) (V) (ma/cm 2 ) (%) Si-c Si-µc GaAs-c a-si (m odule) GaAs (thin film) CGS CGS ( module ) CdTe (ce ll) CdTe (module) Nanocr. dye sc 14

15 (%) Si GaAs CdTe Cu(nGa)Se 2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 E (ev) Maksymalna wydajność ogniwa jednozłączowego w zależności od przerwy energetycznej warstwy absorbera. Elektrody (Ni/Al) absorber okno E g2 p n E g1 Warstwa z przezroczystego tlenku przewodzącego (ZnO:Al) Warstwa buforowa (ZnO) Warstwa okna (CdS) Warstwa absorbera (CGS) Heterozłączowe ogniwo słoneczne Elektroda tylna (Mo) Podłoże szklane Cienkowarstwowa struktura z warstwą absorbera CGS Cun 0,8 Ga 0.2 Se 2 15

16 Poprawa wydajności ogniw słonecznych różnych typów Ogniwa słoneczne - zastosowania Solartaxi Nuna 4 zwycięzca World Solar Challenge Solarshuttle Serpentine Hyde park, Londyn 16