MATERIAŁY A PRĄD. Przewodniki, półprzewodniki i izolatory

Transkrypt

1 MATERIAŁY A PRĄD CZĘŚĆ DRUGA : PÓŁPRZEWODNIKI Przewodniki, półprzewodniki i izolatory metal minimalna przewodność σ min ~ 10 3 Ω -1 cm -1 izolator

2 Przewodniki, półprzewodniki i izolatory Przewodniki, półprzewodniki i izolatory 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

3 Struktura krystaliczna półprzewodników Si a=5.43 A GaAs a=5.63 A Najczęściej: struktura diamentu i blendy cynkowej (ZnS) Wiązania chemiczne

4 Wiązania chemiczne: kowalencyjne wiązanie zhybrydyzowane Krzem: Fig 8-8 of Bloss, Crystallography and Crystal Chemistry. MSA 1s 2s 2p 1s 2(sp 3 ) C-C-C angle = 109 o 28 Wiązania chemiczne: kowalencyjne wiązanie zhybrydyzowane Struktura pasmowa półprzewodników (tutaj: Si) wynika właśnie z wiązania chemicznego. Fig 8-8 of Bloss, Crystallography and Crystal Chemistry. MSA

5 Półprzewodniki samoistne Czyste półprzewodniki, których właściwości zależą wyłącznie od pierwiastków, z których są zbudowane (np. Si, GaAs), a nie od zanieczyszczeń i domieszek.

6 Półprzewodniki samoistne T=0K wszystkie elektrony związane T>0K wzbudzenia termiczne powodują zerwanie niektórych wiązań Półprzewodniki samoistne T= 0 K T> 0 K 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

7 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Półprzewodniki samoistne Gdy półprzewodnik umieścimy w polu elektrycznym, elektrony w pasmie przewodnictwa przemieszczają się w jedną stronę, a dziury w pasmie walencyjnym w drugą. Półprzewodniki samoistne 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Przewodność elektryczna półprzewodnika rośnie wraz z temperaturą.

8 Przykład: kryształ germanu oporność właściwa w 25 o C = 43 Ω cm; przewodność właściwa w 25 o C = Ω 1 cm -1 ; przerwa energetyczna = 0.67 ev; koncentracje elektronów w pasmie przewodnictwa w 25 o C = 2.5 x el/cm 3 ; koncentracje elektronów w pasmie walencyjnym w 25 o C = 1.77 x el/cm 3 ; Półprzewodniki domieszkowane 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Gdy atom krzemu zostanie zastąpiony przez atom 5-wartościowy, pojawia się dodatkowy elektron, a w przerwie energetycznej powstaje poziom donorowy.

9 Półprzewodniki domieszkowane 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Gdy domieszka jest 3-wartościowa, wówczas brakuje jednego elektronu (powstaje dziura dodatnia) a w przerwie energetycznej powstaje poziom akceptorowy. Półprzewodniki domieszkowane n p Zarówno dodatkowy elektron, jak i dziura są słabo związane i łatwo je można oderwać od atomów domieszek (tzn. już stosunkowo niewielka temperatura wystarczy aby zjonizować domieszkę)

10 W 0K wszystkie elektrony domieszek są związane z domieszkami. TYP N: Gdy temperatura rośnie, elektrony z poziomów donorowych są wzbudzane termicznie do pasma przewodnictwa (przeskok o energię E D gdzie E D <<E g ). TYP P: Gdy temperatura rośnie, elektrony z pasma walencyjnego są wzbudzane termicznie i przechodzą na poziomy akceptorowe (przeskok o E A, gdzie E A <<E g ).

11 Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa półprzewodnika domieszkowanego typu n. Przykład: domieszkowany krzem Krzem domieszkowany typu p, o przewodności właściwej 100 Ω 1 cm -1 w zakresie temperatury pokojowej: koncentracja atomów boru powinna wynosić 1.30 x atomów/cm 3. Jest to 26 atomów domieszek na milion atomów krzemu (!).

12 Zastosowania półprzewodników Diody; Tranzystory; Układy scalone; Diody elektroluminescencyjne, lasery; Ogniwa fotoelektryczne, sensory; Dioda półprzewodnikowa Dodatni biegun baterii przyłączony do strony p diody: płynie duży prąd, ponieważ dziury z obszaru p przemieszczają się do strony n, a elektrony z części n pędzą do strony p. Tam rekombinują.

13 Dioda półprzewodnikowa Dodatni biegun baterii jest przyłączony do strony n diody. Dziury i elektrony są przyciągane do przeciwnych biegunów. W pozostałej części diody brakuje swobodnych nośników ładunku (izolator): prąd nie płynie. Dioda półprzewodnikowa

14 Dioda półprzewodnikowa Złącze n-p (dioda półprzewodnikowa) ma zatem właściwości prostujące: przepuszcza prąd tylko w jedną stronę. Tranzystor Dwa złącza półprzewodnikowe. Używane między innymi jako wzmacniacz.

15 Tranzystor Złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia: dziury przepływają przez złącze i przedostają się na drugą stronę bazy, do kolektora. Mała zmiana napięcia emiter-baza powoduje dużą zmianę prądu płynącego przez kolektor (i zmianę napięcia na obciążeniu). Tranzystor polowy Napięcie bramki decyduje, czy prąd od źródła do drenu płynie (kanał może być szeroki, o małym oporze, lub wąski o bardzo dużym oporze).

16 PÓŁPRZEWODNIKI Zagadnienia materiałowe Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Materiały półprzewodzące wykorzystywane w elektronice to: Pierwiastki: najbardziej znane to krzem i german. Może to być też np. cyna w jednej ze swych postaci krystalograficznych. Związki chemiczne : najbardziej znane to GaAs, GaP, InP, CdS, PbS i wiele innych. Stopy (np. Si 1-x Ge x, Al 1-x Ga x As i inne). Polimery i inne związki organiczne.

17 Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Materiały półprzewodzące muszą być niezwykle czyste: bardzo niewielka ilość zanieczyszczeń zmienia przewodność elektryczną o kilka rzędów wielkości. Ilość nieplanowanych zanieczyszczeń musi być mniejsza niż 10-9 (atomu zanieczyszczenia na atom półprzewodnika).

18 Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Można zaprojektować półprzewodnik o danych właściwościach fizycznych: wybór odpowiedniego materiału (o odpowiedniej przerwie energetycznej); odpowiednie domieszkowanie; Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Najważniejszą cechą, od której zależą praktycznie wszystkie właściwości półprzewodnika jest przerwa energetyczna. Wielkość przrwy energetycznej zależy od składu półprzewodnika. Np:

19 Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Również właściwości optyczne zależą od składu półprzewodnika, czyli od szerokości jego przerwy energetycznej. Np: współczynnik załamania Al x Ga 1-x In 0.53 As Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Co ważniejsze, kolor półprzewodnika zależy od przerwy energetycznej α (m - 1 ) Si 3 2 a-si:h Ge In 0.7 Ga 0.3 As 0.64 P 0.36 GaAs InP Photon energy (ev) In 0.53 Ga 0.47 As Wavelength (µm) Fig. 9.19: Absorption coefficient (α) vs. wavelength (λ) for various semiconductors (Data selectively collected and combined from various sources.) From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002)

20 Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Materiały półprzewodzące wykorzystywane w elektronice to: Monokryształy. Polikryształy. Materiały amorficzne. Cienkie warstwy. Półprzewodniki : inżynieria materiałowa Technologie, które są wykorzystywane przy tworzeniu elementów półprzewodnikowych: Wytwarzanie monokryształów, polikryształów i materiałów amorficznych. Nanoszenie cienkich warstw. Litografia. Trawienie.

21 Przewodzące polimery Ogólnie mówiąc, polimery zazwyczaj nie przewodzą prądu. Niektóre jednak przewodzą (najczęściej są to półprzewodniki). Najlepiej poznane polimery przewodzące bazują na polianilinie, politiofenie, polipyrrolu i poliacetylenie. Podobnie do zwykłych półprzewodników domieszkowanie zwiększa przewodnictwo. Przewodność właściwa polimerów przewodzących jest rzędu 10-6 to 10-2 Siemensów/cm Polimery przewodzące Przewodność (w S/cm) Metale 10 5 Best conducting plastics 10 2 PPV, PANI 10-5 Si 10-7 PVC, mika Teflon 10-22

22 Polimery przewodzące Po wytworzeniu są izolatorami lub półprzewodnikami o szerokiej przerwie energetycznej (tzn. wymagają np. domieszkowania) Są krystaliczne i trudno się rozpuszczają. W związku z tym trudno się z nich wytwarza cokolwiek. Polimery przewodzące Wszystkie mają naprzemiennie ułożone wiązanie pojedyńcze i podwójne. Majązdelokalizowane elektrony; Delokalizacja jest 1D;

23 Pierwsze przewodzące polimery [ ] n Poliacetylen Polianilina Politiofen Poli(p-fenylen) Polipyrrol Zrozumienie delokalizacji elektronów w łańcuchu a. b. c. Schematyczne przedstawienie zhybrydyzowanych orbitali sp 2 węgla (2, p x, p y ) i niezhybrydyzowanych orbitali p z Nakładanie się orbitali p z sąsiednich atomów węgla w płaszczyźnie równoległej do łańcucha tworzy ścieżkę przewodnictwa elektrycznego.

24 Przewodnictwo jest 1-wymiarowe Obie konfiguracje mają taka samą energię Domieszkowanie przewodzących polimerów Utlenianie lub redukcja łańcucha powoduje powstanie kationowych lub anionowych rodników Można domieszkować nawet 50% jednostek łańcucha I 2 I 3 - I Nośniki ładunku (polarony/dziury) sa zdelokalizowane w 1D Transport pomiędzy łańcuchami odbywa się poprzez hopping (przeskok) nośnika ładunku. Polaron pair

25 Problemy Domieszki nie są stabilne w powietrzu. Dość trudne wytwarzanie domieszkowanych polimerów (nie rozpuszczają się w typowych rozpuszczalnikach organicznych). Rozpuszczalne polimery przewodzące OR ( RO ) n ( ) n Poly(p-phenylenevinylene) LEDs Polyfluorene LEDs ( ) n Polythiophene TFTs and PVs Electrodes TFTs Antistatic film Electrode LEDs

26 Zastosowania Jako przewodnik; W elektromagnetycznych ekranach chroniących układy elektroniczne; Można by je zastosować jako inteligentne szyby (wykorzystując optyczne właściwości). Diody organiczne Dioda organiczna nie różni się niczym od diody np. krzemowej.

27 Diody luminescencyjne Pierwsza Polymer Light-Emitting Diode (PLED) 1990 PLED składa się z niedomieszkowanego polimeru umieszczonego pomiędzy elektrodami odleglymi od siebie o około nm: Obecnie ich efektywność wynosi 5-10%. Polimerowe fotodiody, lasery i bateria słoneczne również są już wytwarzane (pierwsza w 1993). Literatura Donald R. Askeland, Pradeep P. Phule, The Science and Engineering of Materials. Robert Loss, School of Physical Sciences Department of Applied Physics.