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

Transkrypt

1 PÓŁPRZEWODNIKI W ELEKTRONICE Powszechie uważa się, że wsółczesa elektroika jest elektroiką ółrzewodikową. 1

2 Półrzewodiki Półrzewodiki to ciała stałe ieorgaicze lub orgaicze o rzewodictwie elektryczym tyu elektroowego i rzewodości elektryczej większej od rzewodości dielektryków i miejszej od rzewodości metali. 2

3 Krzem (Si) Krzem, to ajszerzej stosoway materiał ółrzewodikowy. Wykouje się z iego rawie wszystkie owszechie stosowae rzyrządy PP. Wyarł o iegdyś rozowszechioy ółrzewodik - germa. Zaletą krzemu w orówaiu z germaem jest: mała wartość rądu asyceia, duża wartość aięcia rzebicia oraz maksymalej douszczalej temeratury złącza -, jak rówież korzyste właściwości techologicze, a rzede wszystkim łatwość wytwarzaia warstw dielektryczych stabilizujących właściwości owierzchiowe oraz ułatwiających rowadzeie selektywego domieszkowaia. 3

4 Krzem jest jedym z ajbardziej rozowszechioych ierwiastków w skoruie ziemskiej. Otrzymuje się go rzemysłowo rzez redukcję krzemioki (SiO 2 ) węglem w iecu elektryczym. Krzem czysty (99,9%) oddaje się astęie oczyszczaiu strefowemu. W wyiku wielokrotego oczyszczaia strefowego uzyskuje się surowiec ółrzewodikowy o czystości rzędu 99,999%. Tak oczyszczoy krzem oddaje się recyzyjemu domieszkowaiu i krystalizacji w celu uzyskaia materiału wyjściowego o ożądaej w rocesie rodukcji rzyrządów PP strukturze i rezystywości. 4

5 Rezystywość krzemu może mieć wartość w rzedziale od 300 kωcm do 0,001 Ωcm. W ormalych warukach fizyczych ma o: skośą rzerwę eergetyczą o szerokości 1,12 ev, wytrzymałość a rzebicie 300 kv/cm, względą stałą dielektryczą 11,9; ruchliwość elektroów rzędu 1000 cm 2 /Vs, ruchliwość dziur cm 2 /Vs, kocetrację samoistą ośików ładuku 1, cm -3. Krzem jest ierwiastkiem IV gruy układu okresowego; liczba atomowa 14, czterowartościowy, średica atomu 2,35Å, krystalizuje w układzie regularym tyu diametu o stałej sieciowej 5,43Å, ma ok atomów/cm 3 i moduł Youga 10890kG/mm 2. 5

6 Arseek galu (GaAs) Arseek galu jest stosoway rzede wszystkim a diody elektrolumiescecyje, lasery, i rzyrządy mikrofalowe. Umożliwia o uzyskaie jeszcze miejszego rądu asyceia i wyższej maksymalej douszczalej temeratury złącza - iż krzem. W ormalych warukach fizyczych ma o: 1. rostą rzerwę eergetyczą o szerokości 1,43 ev, 2. wytrzymałość a rzebicie 350 kv/cm, 3. względą stałą dielektryczą 12,9; 4. ruchliwość elektroów 6 razy większą iż w krzemie. 6

7 Ie, częściej stosowae ółrzewodiki GaP, GaN, IAs, IP, ISb, CdS, PbTe, tleki: Cu, Ni, M, Fe i ich mieszaiy, SiC, AlGaAs, GaAsP, SiGe. Bada się możliwości stosowaia ółrzewodików orgaiczych,. etaceu. Są róby stosowaia jako ółrzewodika diametu. 7

8 Elektroy w atomie Elektroy wartościowości Jądro Elektroy 8

9 Półrzewodik samoisty -to ółrzewodik o doskoałej sieci krystaliczej. i-si a5,431a 9

10 Model asmowy ółrzewodika samoistego Eergia Pasmo rzewodictwa Swobode elektroy ( i ) W C W V W G i i Swobode dziury ( i ) Pasmo wartościowości Przestrzeń 10

11 i Kocetracja samoista ( i ) N ex i 1,5 Si,T 300K WG 2kT milioów swobodych elektroów i tyleż samo swobodych dziur w objętości 1mm 3! 10 cm 3 11

12 Półrzewodiki domieszkowae i-si + (P lub As lub Sb) -Si krzem doorowy Pierwiastki iątej gruy układu okresowego i-si+(b lub Al lub Ga) -Si krzem akcetorowy Pierwiastki trzeciej gruy układu okresowego 12

13 Model asmowy jedorodego ółrzewodika doorowego Eergia Pasmo rzewodictwa Swobode elektroy ( ) (ośiki większościowe) W C W G > N D Joy domieszek doorowych (N D cm -3 ) W V Pasmo wartościowości Swobode dziury ( ) (ośiki miejszościowe) 2 i N D Przestrzeń 13

14 Eergia W C Model asmowy jedorodego ółrzewodika akcetorowego Pasmo rzewodictwa Swobode elektroy ( ) (ośiki miejszościowe) 2 i N A W G < N A Joy domieszek akcetorowych (N A cm -3 ) W V Swobode dziury ( ) Pasmo wartościowości (ośiki większościowe) Przestrzeń 14

15 Gazy : elektroowy i dziurowy W k / śr 3 2 kt ν t / śr kt 3 m W temeraturze okojowej średia rędkość termicza elektroów jest rówa ok. 200km/s. Prądy dyfuzyje J J,dyf,dyf qd qd grad grad 15

16 ν ν Prądy rzewodictwa elektryczego w ółrzewodiku jedorodym μ μ ν[m/s] E GaAs E } 10 3 Si 1kV/cm V/mm 10mV/μm 10 E[V/cm] t μ q ; ; m μ t q m ν ν ν s ν s 100km/s r J J J,u,el,u,el (q μ D D qν qν + q μ σ kt μ q kt q r ) E μ 16

17 I r J σe; r E r + - U σ dv U E ; I S J; dx L J r q ( μ + μ ) Si[σ,S,L]; S-ole rzekroju, L - długość I S σ E S σ U L U L S 1 σ I; U R I; R L S ρ; ρ 1 σ 17

18 Wewętrze ole elektrycze w ółrzewodiku iejedorodym E kt q grad E kt q grad Moża wytworzyć iejedorodości tak zacze, że uzyskuje się atężeia wewętrzego ola elektryczego sięgające wartości rzędu 10kV/mm. 18