ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

Transkrypt

1 ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA wykład 2 PÓŁPRZEWODNIKI luty Lublin

2 krzem u ej n o z r o w t rze i p o ytk d u pł m rze k Od m ik ro pr oc es or ET F S MO p rzy rząd Od p iasku do Ten wykład O CZYM BĘDZIEMY MÓWIĆ?

3 MODEL ATOMU L 2 8 M nie zapełniona Powłoka Liczba kwantowa główna n Liczba elektronów na powłoce Dozwolona liczba elektronów na powłoce Stan powłoki K 1 2 zapełniona zapełniona Krzem 14 ma 14 elektronów

4 eć krystaliczna ciał stałych W zależności od stopnia uporządkowania struktury wewnętrznej ciała stałe dzielimy na: krystaliczne i amorficzne (bezpostaciowe).

5 MONOKRYSZTAŁ A POLIKRYSZTAŁ polikryształ uporządkowanie tylko wewnątrz pewnych obszarów (ziaren). monokryształ uporządkowanie w całej objętości kryształu,

6 STRUKTURA DIAMENTU

7 WSKAŹNIKI PŁASZCZYZN Oznaczenie orientacji płaszczyzn w krysztale dokonuje się za pomocą wskaźników Millera. Zespół trzech liczb (hkl), które otrzymuje się z przecięcia punktów danej płaszczyzny z osiami krystalograficznymi kryształu

8 PODZIAŁ MATERIAŁÓW Podział ze względu na przewodzenie prądu: IZOLATORY PÓŁPRZEWODNIKI PRZEWODNIKI

9 PÓŁPRZEWODNIKI 5 B, Ge, C (IV grupa) Krzem i german Domieszki typu p: B, Ga, In Domieszki typu n: P, As 6 C Bor 7 N Węgiel Azot Al Aluminium Krzem P Fosfor Ga Ge As Gal 5.91 German 5.32 Arsen 5.72

10 ZWIĄZKI PÓŁPRZEWODNIKOWE 5 B AIVBIV: Ge, C, GeC AB: III V GaAs, InP, GaAsP Azotki: GaN, AlN, InN, GaAlN AIIBVI: CdSe, HgTe, HgCdTe Bor 6 C 7 N 2.34 Węgie 2.62 l Al Azot P Aluminiu 2.70 m Krzem Fosfor Ga Ge As Gal 5.91 German 5.32 Arsen 5.72

11 MODEL ATOMU BOHRA 4 E= Z e me n h E pasmo dozwolone pasmo zabronione pasmo dozwolone pasmo zabronione pasmo dozwolone pasmo zabronione pasmo dozwolone E całkowita energia elektronu Z liczba atomowa pierwiastka (dla krzemu Z=14) e ładunek elementarny (1, C) me masa elektronu (1, kg) n numer orbity h stała Plancka (6, J s) ε0 przenikalność elektryczna próżni (8, F/m)

12 MODEL pasmowy E pasmo przewodnictwa swobodne elektrony pasmo zabronione pasmo walencyjne dziury

13 Energia elektronu Potencjał MODEL pasmowy pasmo przewodnictwa (conduction band) pasmo walencyjne (valence band) przewodnik pasmo przewodnictwa (conduction band) V pasmo przewodnictwa (conduction band) EC przerwa energetyczna EG (bandgap) EV pasmo walencyjne (valence band) pasmo walencyjne (valence band) półprzewodnik dielektryk

14 ORIENTACYJNE DANE DLA RÓŻNYCH MATERIAŁÓW

15 WYCIĄGANIE MONOKRYSZTAŁÓW KRZEMU Jan Czochralski Profesor Politechniki Warszawskiej Wariant metody CZ Ttopn. () = 1417 OC

16 WYCIĄGANIE MONOKRYSZTAŁÓW KRZEMU

17 WYCIĄGANIE MONOKRYSZTAŁÓW KRZEMU Pręt monokryształu krzemu o średnicy 300 mm (12 cali) Ciężar ok. 250 kg Źródło: Smithsonian, 2000

18 ŚCIĘCIA GŁÓWNE I POMOCNICZE NA PODŁOŻACH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

19 DEFEKTY SIECI KRYSTALICZNEJ zanieczyszczenia wtrącenie pomiędzy atomy w węzłach siatki krystalicznej atomów innych pierwiastków, brak atomów w niektórych węzłach siatki luki zastąpienie w niektórych węzłach siatki krystalicznej atomów półprzewodnika atomami innego pierwiastka domieszki przesunięci płaszczyzny krystalograficznej całej grupy atomów względem siebie dyslokacje

20 SWOBODNE ELEKTRONY I DZIURY Jeżeli doprowadzona energia jonizacji jest dostatecznie duża to powstające siły zrywają wiązania atomowe i uwolnione w ten sposób elektrony mogą się swobodnie poruszać w krysztale. Te elektrony nazywamy elektronami swobodnymi. Po każdym uwolnionym elektronie pozostaje w siatce krystalicznej dodatnio naładowany jon związany z jądrem atomu. Nazywamy go dziurą.

21 GENERACJA PAR ELEKTRON-DZIURA np. energia termiczna, foton E - pasmo przewodnictwa pasmo zabronione + pasmo walencyjne

22 MECHANIZMY JONIZACJI ATOMÓW podgrzanie (promieniowanie cieplne) generacja termiczna naświetlenie (promieniowanie świetlne w zakresie fal widzialnych i niewidzialne) fotogeneracja przyspieszenie nośników ładunku w polu elektrycznym i nadanie im takiej energii, że są one w stanie wybić z siatki krystalicznej kolejne elektrony, a te następne itd. tak, że proces ten rozwija się lawinowo jonizacja zderzeniowa.

23 GENERACJA I REKOMBINACJA POŚREDNIA Dodatkowe dozwolone poziomy energetyczne ulokowane w pobliżu środka pasma zabronionego (spowodowane np. domieszką miedzi w germanie lub złota w krzemie). Nie są ani donorami, ani akceptorami są centrami generacyjnorekombinacyjnymi zwane centrami SRH (zjawisko zanalizowali Shockley, Read, Hall). Centra, dla których przetrzymywanie nośników jest większe niż generacji-rekombinacji, nazywane są pułapkami. Na powierzchni półprzewodnika stany powierzchniowe działają jak centra SRH i zmniejszają czas życia nośników przy powierzchni.

24 SWOBODNE ELEKTRONY I DZIURY Można zatem w półprzewodniku wyróżnić prąd elektronowy związany z poruszającym się ładunkiem ujemnym wytworzony przez swobodne elektrony i prąd dziurowy związany z ładunkiem dodatnim wytworzonym przez poruszające się dziury. e e e e e

25 DLACZEGO KRZEM? InP 4 Materiał (średnica płytki) GaAs 6 12 (12 ) GaAs (6 ) InP (4 ) Cena płytki Cena 1 mm Cenę podano w jednostkach względnych. Średnice płytek to stan najbardziej zaawansowanej technologii produkcji masowej w 2006 r.

26 PÓŁPRZEWODNIK SAMOISTNY NA PRZYKŁADZIE KRZEMU Załóżmy, że: krzem jest idealnie czysty (bez zanieczyszczeń i domieszek), jego sieć krystaliczna nie posiada żadnych defektów. Taki idealizowany półprzewodnik będziemy nazywali półprzewodnikiem samoistnym. Dla T=0K wszystkie elektrony walencyjne tworzą wiązania miedzyatomowe (są związane z atomami), pasmo przewodnictwa jest puste => brak swobodnych elektronów

27 ALCHEMIA PÓŁPRZEWODNIKÓW Dodanie śladowych zanieczyszczeń (domieszki) wywołuje duże zmiany właściwości elektrycznych Czysty kryształ krzemu Dodaj troszkę fosforu (P) Dużo elektronów (typ n) Małe i równe sobie liczby elektronów i dziur Dodaj troszkę boru (B) Dużo dziur (typ p)

28 DOMIESZKA DONOROWA P nadmiarowy elektron (-) P P Atom fosforu jest domieszką typu n (donorem).

29 DOMIESZKA DONOROWA półprzewodnik typu n E dużo elektronów pasmo przewodzenia pasmo zabronione mało dziur pasmo walencyjne

30 DOMIESZKA AKCEPTOROWA B B B nadmiarowa dziura (+) Atom boru jest domieszką typu p (akceptorem)

31 DOMIESZKA AKCEPTOROWA półprzewodnik typu p E mało elektronów pasmo przewodzenia pasmo zabronione dużo dziur pasmo walencyjne

32 PRAWO DZIAŁANIA MAS Dla T>0K w półprzewodniku samoistnym, w warunkach równowagi termodynamicznej, koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa jest równa koncentracji dziur w pasmie walencyjnym, czyli ni = p i 10-3 ni (,T=300K) = ~10 cm Około atomów krzemu/cm3. Koncentracja 1010 par elektron-dziura/cm3 oznacza, że tylko 1 atom krzemu na 5,000,000,000,000 (5 1012, 5 trylionów) stracił elektron wskutek energii termicznej.

33 PRAWO DZIAŁANIA MAS W półprzewodniku domieszkowanym, w warunkach równowagi termodynamicznej, iloczyn koncentracji elektronów w pasmie przewodnictwa i koncentracji dziur w pasmie walencyjnym zależy tylko od materiału podstawowego i od temperatury (czyli od ni2), a nie zależy od rodzaju i koncentracji domieszek. n p = ni 2 Warunek neutralności elektrycznej półprzewodnika: A n0 + N = p0 + N + D NA- koncentracja zjonizowanych domieszek akceptorowych ND+ koncentracja zjonizowanych domieszek donorowych

34 POZIOM FERMIEGO Poziom energetyczny, dla którego prawdopodobieństwo obsadzenia przez elektron wynosi 0.5 EC EFi= Ei samoistny = ang. intrinsic EV Ec dno pasma przewodnictwa Ev wierzchołek pasma walencyjnego EF poziom Fermiego EFi poziom Fermiego w półprzewodniku samoistnym

35 POZIOM FERMIEGO m*p EC + EV 1 EF = + kt ln * 2 2 mn Przy założeniu, że mn* = mp*, poziom Fermiego w półprzewodniku samoistnym znajduje się w połowie przerwy energetycznej. mn* masa efektywna elektronów mp* masa efektywna dziur

36 ENERGIA Ec ϕf EF Ei Ev ND kt ϕf = ln q ni POTENCJAŁ PÓŁPRZEWODNIK TYPU N potencjał Fermiego

37 Ec Ei EF Ev ϕf NA kt ϕf = ln q ni POTENCJAŁ ENERGIA PÓŁPRZEWODNIK TYPU P potencjał Fermiego

38 UNOSZENIE: MODEL DRUDE'A F = m*a Pole elektryczne E qe elektron dziura +q Centra rozpraszające dla elektronów: dla dziur: vn = µn E v p =μ p E v śr = q τc m* E { -q v = m* t µ cm 2 µ ( ruchliwość )[ ] V sekunda

39 UNOSZENIE (DRYFT) n- EC EF Ei EV + V -qv

40 PRĄD UNOSZENIA { J n = qnv n = qµ n ne σn { J p = qpv p = qµ p pe σp vn = µn E vp = µpe q 2 nτ ce (J n = E) mn (J p = q 2 nτ cp m p E)

41 KONDUKTYWNOŚĆ I REZYSTYWNOŚĆ σ = σ n + σ p = q ( µnn + µ p p ) 1 ρ= σ Ω 1cm 1 [Ωcm ]

42 RUCHLIWOŚĆ NOŚNIKÓW Ruchliwość [cm2/vs ] Krzem, T=300K elektrony dziury Koncentracja domieszek [cm-3 ]

43 DYFUZJA NOŚNIKÓW Dyfuzja w prawo X Brak dyfuzji w lewo Brak wypadkowego przepływu elektronów (dziur) w obszarze o stałej koncentracji Prędkość termiczna vth Rozkład prędkości w różnych kierunkach Wypadkowy przepływ w prawo (ujemny gradient)

44 TRANSPORT ŁADUNKÓW (PRĄD) Zależność Einsteina Ruchliwość i dyfuzyjność (współczynnik dyfuzji ) są związane zależnością: Unoszenie elektronów Unoszenie dziur Całkowity prąd unoszenia Kierunek określa pole elektryczne kt Dn = µn q kt Dp = µp q Dyfuzja elektronów Dyfuzja dziur Całkowity prąd dyfuzji Kierunek określa gradient koncentracji Całkowity prąd zależy od pola elektrycznego i dyfuzji

45 GĘSTOŚĆ PRĄDU Przypadek 1-wymiarowy (1-D) elektrony: dn( x ) J n = q µ n n ( x ) E ( x ) + qdn dx dziury: dp( x ) J p = q µ p p ( x ) E ( x ) qd p dx

46 POLE WBUDOWANE GRADIENT KONCENTRACJI DOMIESZEK NA (x) 1018 Domieszki: akceptory Obszar typu p 1017 W E(x) x + Pole elektryczne przyśpiesza elektrony EC Pole elektryczne ( wbudowane ) Ei EV EF x

47 Z MĄDREJ GŁOWY... Nikt nie powinien się zajmować półprzewodnikami, to takie mętne bagno; Kto wie czy one w ogóle istnieją! Wolfgang Pauli, 1931