2. ZJAWISKA KONTAKTOWE

Transkrypt

1 . ZJAWISKA KONTAKTOWE Możliwe są trzy rozae kotaktów: kotakt - tego samego rozau złącze -, +-, +-, l-h (styk omowy z metalem), homozłącze kotakt wóch różego rozau (Ge-Si) heterozłącze kotakt metal złącze m-s (ois: charakterystyka aięciowo-rąowa) kotakt metal-izolator- (MIS) (ois: charakterystyka oemościowoaięciowa) Połączeia METAL-PÓŁPRZEWODNIK lub PÓŁPRZEWODNIK- PÓŁPRZEWODNIK wytwarzaą obszary rześciowe (złącza), gzie kocetraca ośików obiega o te w obętości materiału. Właściwości tych obszarów zmieiaą się z aięciem zewętrzym, co w efekcie ae ieliiowe charakterystyki rąowo- aięciowe. Wykorzystue się to o: rostowaia, wzmaciaia, geeraci rgań i i.

2 Eergia elektroów w metalu Rozkła gęstości elektroów Większość metali est obrymi rzewoikami rąu część elektroów est słabo związaa z oami sieci krystalicze i może swoboie rzemieszczać się w metalu (elektroy swoboe). Jeak mimo to, że elektroy te są "swoboe" w obrębie aego metalu, ie ozacza to wcale, iż mogą łatwo wyostać się a zewątrz metalu. Zauą się bowiem oe w zasięgu ziałaia sił elektryczych ola krystaliczego wytwarzaego rzez oy sieci krystalicze. Aby więc ouścić metal, elektro musi osiaać oowieio użą eergię o rzezwyciężeia tych oziaływań (tzw. raca wyścia).

3 W tem. T > 0 istieą elektroy mogące ouścić metal. Gęstość rąu emitowaych elektroów (rąu termoemisi) określa wzór Richarsoa: AT ex q / kt A - Stała Richarsoa q termoyamicza raca wyścia Metal Ag Au Al Cu Ni Pt Praca wy.(ev) Jee elektroowolt (1 ev) est to eergia, aką uzyskue elektro, który est rzysieszay aięciem rówym 1 woltowi: 1 ev = 1 e 1 V = 1, J 1 J 6, ev

4 Emisa elektroów z ółrzewoika N (cm -3 ) Praca wyścia w temeraturze okoowe (ev) Si GaAs Praca wyścia z PP zależy o kocetraci omieszek malee ze wzrostem koc.

5 .1. Kotakt metal-ółrzewoik (złącze Schottky`ego) Jeśli m >, elektroom łatwie wyostać się z ółrzewoika, J> Jm metal Si tyu Sta rze ustaleiem się rówowagi Założeie : m

6 Sta rówowagi Elektroy z M i P maą możliwość rzemieszczaia się i wyrówaia swoego otecału elektrochemiczego (oziomu Fermiego). Kieruek rzemieszczeń zależy o relaci rac wyścia.

7 Sta rówowagi rzy bezośreim kotakcie Pole kotaktowe zakrzywia oziomy eergetycze. Powstae ole elektrycze, wytwarzae rzez ozbawioe elektroów oory (N D +) w rzyzłączowe warstwie PP o grubości. W metalu gromazi się łauek amiarowy elektroów, który w warukach rówowagi termoyamicze owstrzyma alszy ich rzeływ. Tak owstae bariera otecału (bariera Schottky ego) q B o stroie metalu. Aby okoać barierę qu D elektro musi zyskać eergię otecalą.

8 Potecał ola V(x) est związay z gęstością łauku rzestrzeego ρ(x) rówaiem Poissoa: V x (x) 0 Przy stałe gęstości ρ = qn eergia otecala elektroów wyosi: q ( x) qv N ( x) 0 rzy czym grubość warstwy zaorowe wyliczoa z waruku la x=0 φ(x) = qu D wyosi: 0 N U q D 1/

9 Przykła: Dae: N = cm -3 ε = 10 U D = 1 V 0 U N q D 1/ Obliczoa szerokość warstwy zubożoe = 1 μm Zmiaa eergii a asma owoue zmiaę kocetraci elektroów: ( x) Nc ex ( x) WF / kt 0ex ( x) / kt 0 - kocetraca rówowagowa w obętości ółrzewoika

10 .1.1. Wływ aięcia zewętrzego a obszar kotaktu m- U= 0 a. w kieruku rzewozeia a. w kieruku zaorowym Naięcie zewętrze zmieia rówież grubość warstwy zaorowe: Wszystkie oziomy ooszą się o qu, bariera malee 0 ( UD U) qn Wszystkie oziomy ouszczaą się o qu, bariera rośie

11 .1.. Przewozeie rąu rzez złącze z barierą Schottky`ego W staie rówowagi rąy 1 i są rówe ( 1 = = s ) w = 1 - = 0 rzykłaaąc aięcie w kieruku rzewozeia zmieszamy barierę o qu i strumień elektroów łyących z ółrzewoika o metalu (J 1 =J m ) wzrośie qu kt e razy (zgoie ze statystyką). Tyle razy wzrośie oowiei rą, oczas gy rą z metalu o ółrzewoika (J =J m ) ie zmiei się. Prą wyakowy la kieruku rzewozeia: s e qu kt s s e qu kt 1

12 Aaliza la aięcia wsteczego ae aalogicze wyrażeie ze zmieioym zakiem aięcia. Kieruek rzewozeia : U > 0 Kieruek zaorowy : U < 0 > 1 - grubość warstwy zaorowe Prostowaie a złączu metal / ółrzewoik (rą rzewozeia >> rąu wsteczego) Dokłaa teoria rąu łyącego rzez barierę uwzglęia wiele czyików (gęstość staów ow., rozmiar bariery, roza ruchu ośików w obszarze bariery). Zae teorie aą wyrażeia zbliżoe kształtem o wrowazoego, różice oawiaą się w wyrażeiach a s.

13 Elektryczy schemat zastęczy złącza la racy yamicze r s rezystaca szeregowa C oemość barierowa C oemość yfuzya Poemość złączowa C zależy o aięcia zewętrzego. Poemość yfuzya C est o zaiebaia ze wzglęu a iewystęowaie gromazeia ośików la U > 0 w obliżu warstwy iolowe (czas relaksaci ielektrycze w metalu est barzo mały).

14 Dioa Schottky'ego - ioa ółrzewoikowa, w które zastosowao złącze metal-ółrzewoik. Posiaa małą oemość złącza, zięki czemu tyowy czas rzełączaia wyosi tylko około 100 s. Dioy te zauą zastosowaie w ukłaach ziałaących rzy uże częstotliwości. Dioy Schottky'ego maą rówież mieszy saek aięcia w kieruku rzewozeia (U F = 0,3 V) iż ioy krzemowe (U F = 0,6-0,7 V). Symbol ioy Schottky ego

15 .. Złącze - Jest to obszar, w którym astęue zmiaa tyu rzewoictwa Powierzchia rozzielaąca - złącze techologicze. W otoczeiu - warstwa rześciowa (zubożoa, zaorowa) bęąca iolową warstwą ieruchomego łauku. Właściwości złącza zależą o rozau materiału, omieszek i sosobu rozłożeia omieszki ma a to wływ techologia. Złącze stoowe (metalurgicze) Si - Al Ge - I grzeik Al -Si Roztoioy rut Al silie omieszkue Si aąc materiał -Si. Metoa obecie rzako stosowaa. Złącze - ostawowa część skłaowa io, trazystorów biolarych i uiolarych.

16 Złącze yfuzye T >1000 C -Si -Si B SiO Dyfuza omieszki oorowe o ółrzewoika lub akcetorowe o. Stosue się omieszki w formie gazowe lub ciekłe. Źróło ieograiczoe o stałe wyaości stała kocetraca ośików o ołożem Źróło ograiczoe całkowita ilość atomów omieszki stała ie zmieia się w czasie yfuzi

17 Rozkła omieszki w złączu yfuzyym wyika z raw yfuzi (rawa Ficka) Rozkła omieszki rzy yfuzi akcetora ze źróła o stałe wyaości N a (0) N a (x) N x - wsółrzęa złącza techol. wyzaczoa rzez rówaie N a (x ) - N = 0 x x W obliżu x rzebieg aroksymue się zależością N( x) N a N ax Jest to rzykła tzw. złącza liiowego -.

18 Złącze imlatowae Domieszkowaie w wyiku bombarowaia kryształu oami omieszek w rzeziale eergii o ziesiątek o setek kev. Możliwy est owoly rofil rozkłau. Rozkła omieszek w wyiku wielokrote imlataci oów o różych eergiach Proces iskotem. (tem. okoowa) Przykła złącza skokowego (abrut)

19 Złącza eitaksale W trakcie rocesu aoszeia eitaksalego wrowaza się omieszkę z fazy gazowe lub ciekłe. Eitaksa (gr. ei + taxis = ołożoy a) wzrost owych warstw mookryształu a istieącym ołożu krystaliczym. Ukła istieące sieci krystalicze ołoża est owielay. Przykła złącza skokowego otrzymaego metoą eitaksi Eitaksa ozwala kotrolować omieszkowaie warstwy eitaksale, zarówo tyu ak i, i est to iezależe o omieszkowaia ołoża.

20 Buowa złącza -

21 ..1. Sta rówowagowy złącza Obie warstwy rze zetkięciem wykazuą oboętość elektryczą. Zetkięcie obszarów N i P rowazi o wzaeme yfuzi ośików a skutek graietów kocetraci. W obszarze graiczym warstwy N ozostaą ieskomesowae łauki oatie ieruchomych cetrów oorowych, w obszarze graiczym warstwy P ieskomesowae łauki ueme ieruchomych cetrów akcetorowych. Naięcie wytworzoe w obszarze złącza - bariera otecału. Aimaca formowaie złącza: htt://

22 W obszarze graiczym owstae warstwa iolowa łauku, wytwarzaąc ole elektrycze rzeciwziałaące yfuzi ośików większościowych - warstwa zaorowa. Całkowity łauek warstwy iolowe musi być rówy zero. qn q a 0 Stą: głębokość wikaia warstwy tym większa, im miesza kocetraca omieszek. iolowa warstwa łauku rzestrzeego W obszarze + brak łauków swoboych

23 Łauek rzestrzey wytwarza ole elektrycze E(x) i otecale V(x), które moża wyzaczyć z rówaia Poissoa: V x e E grav 0 Dla złącza skokowego otrzymue się ast. rzebiegi otecału V(x) i ola elektryczego E(x) Dla: x E( x) E( x) Aalogiczie: qn x qn 0 a Dla: x x x (obszar ) 0 x x x x x Wbuowae ole elektrycze (obszar 1) Obszar1: qna V x) V x x 0 Obszar : qn V ( x) Vk x x ( 0 U D - aięcie yfuzye (bariera otecału), aięcie wbuowae

24 Wysokość bariery moża wyliczyć z aalizy rąu uoszeia i yfuzi: U D kt q l kt q l - koc. elektroów w materiale - koc. ziur w materiale Bariera est tym większa, im większa est różica mięzy kocetracami ośików aego zaku w obu obszarach. Przykła obliczeń

25 Przykła obliczeia wysokości bariery U D : Materiał : Si N = 5 x cm -3 = N a = 5 x cm -3 = T K i 1,5 10 cm 3 Z rawa ziałaia mas: i i i i, W obszarze zubożoym mamy raktyczie o czyieia z samoistą kocetracą ośików (~10 10 cm -3 ) wobec ~10 15 cm -3 w obszarach ozabarierowych. 0, ,5 4, cm 4 cm kt U D l l 0, 66 4 q 40 4,5 10 V

26 Szerokość bariery wylicza się ze zmia otecału i waruku eutralości elektrycze. Dla złącza skokowego: N N 0 a U rzyłożoe aięcie U D U q N N zewętrze a Dla U < 0 (olaryzaca wstecza) rozmiar bariery rośie Zmiaa aięcia olaryzaci ae zmiaę wysokości bariery i e grubości. Zmiaa grubości związaa est ze zmiaą łauku iolowego.

27 Moża zefiiować oemość barierową orzez zmiaę łauku iolowego: Q 0 S C U Po ostawieiu za otrzymue się: C C ( U) 1 C 0 U U D 1/ (x) Q + Q + C 0 x Q - Q - Zmiaa łauku iolowego Q Q Q 0 U D Zależość oemości barierowe o aięcia olaryzaci

28 ... Przeływ rąu rzez złącze - Sta rówowagi Brak aięcia zewętrzego

29 Przeływ rąu rzez złącze - W c E Sta rówowagi U= 0 W F D E D D E W D D E Prą wyakowy łyący rzez złącze rówy zero.

30 Polaryzaca w kieruku zaorowym źróło zewętrze U ma bieguowość zgoą z bieguowością aięcia yfuzyego (a rys oz. B). Bariera otecału zwiększa się o wartość aięcia zewętrzego rośie szerokość warstwy zaorowe (większa wartość łauku rzestrzeego). Maleą skłaowe yfuzye rąów elektroowego i ziurowego (ie zmieiaą się skłaowe uoszeia ośików mieszościowych). Polaryzaca w kieruku rzewozeia biegu oati źróła ołączoy z warstwą P, a uemy z N (rzeciwa bieguowość o aięcia yfuzyego). Bariera otecału malee o wartość aięcia zewętrzego. Malee szerokość warstwy zaorowe. Rosą skłaowe rąu yfuzi elektroów i ziur. Skłaowe rąu uoszeia ośików mieszościowych ozostaą a iezmieioym oziomie.

31 Naięcie wstecze Rośie bariera otecału Prą ośików większościowych (yfuzyy) silie malee, rą ośików mieszościowych (uoszeia) ie zmieia się Dla kieruku rzewozeia: rą ośików większościowych rośie, rą ośików mieszościowych ie zmieia się.

32 Prą wyakowy (rówaie ioy): I I s qu ex kt 1 U > 0 kier. rzewozeia U < 0 kier. zaorowy I s - rą asyceia Rzeczywisty rzebieg obiega o iealego w zakresie rzewozeia:

33 Rozkła kocetraci ośików w złączu brak aięcia zewętrzego aięcie w kieruku rzewozeia Bariera la yfuuących ośików większościowych obiża się o qv iiekca ośików mieszościowych

34 aięcie w kieruku zaorowym Nośiki mieszościowe są wychwytywae rzez ole złącza i rzeoszoe a rugą stroę - ekstrakca ośików mieszościowych.

35 Do oczytaia lub oberzeia: - rozbuowae wykłay z PP (POL) htt://skaczmarek.zut.eu.l/materialy/elektroika.html Itrouctio to Semicouctors (ENG) -htt://