Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Transkrypt

1 Półprzewodniki i elementy z półprzewodników homogenicznych Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Półprzewodniki samoistne Półprzewodniki posiadają przerwę energetyczną do około 3 4 ev. Na przykład przerwa energetyczna w krzemie to około 1.2 ev. Inne często spotykane półprzewodniki to Ge, GaAs, GaP, InP, InSb, CdS,...

3 Półprzewodniki samoistne Na skutek generacji termicznej powstają ruchliwe nośniki ładunku: elektrony i dziury. Ustala się równowaga między termiczną generacją par elektron-dziura i ich rekombinacją.

4 Półprzewodniki samoistne koncentracja nośników Koncentracja nośników samoistnych (zarówno elektronów jak i dziur) wynosi n i T =AT 3 2 exp E g0 2kT Na przykład w temperaturze pokojowej dla Si (E g0 = 1.2 ev) koncentracja wynosi około 1.5*10 10 cm -3, a dla GaAs (E g0 = 1.38 ev) wynosi około 1.8*10 6 cm -3

5 Półprzewodniki samoistne ruchliwość nośników Dla niewielkich pól elektrycznych ruchliwość jest stała. Zależy ona od temperatury (na skutek rozpraszana nośników na drganiach atomów sieci) =BT Stała k wynosi około 1.5. Poza tum na ruchliwość mają wpływ domieszki, defekty struktury krystalicznej, a przy dużej koncentracji nośników oddziaływania pomiędzy nimi.

6 Półprzewodniki domieszkowane Donory: P, As, Sb... Akceptory: B, Al, Ga, In... Również i w półprzewodnikach domieszkowanych równowaga między termiczną generacją par i rekombinacją jest dynamiczna. Gdy domieszki zwiększają koncentracją jednego typu nośników, to koncentracja drugiego typu maleje.

7 Półprzewodniki domieszkowane koncentracja nośników Wychodzimy z obojętności elektrycznej: q p n N d N a =0 Oraz z równowagi dynamicznej (dla półprzewodników niezdegenerowanych) Otrzymujemy np=n i 2 n= N d N a 2 [n i 2 N d N a ] p= N N a d [n 2 2 i N N 2 a d 2 ] 1 2

8 Półprzewodnik typu n Gdy mamy tylko donory i ich koncentracja jest duża w porównaniu z koncentracją nośników samoistnych N d n i n N d p n 2 i N d Typowe koncentracje to cm -3, czyli dosyć silne domieszkowanie. Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach podobnych do właściwości metali.

9 Półprzewodnik typu p Gdy mamy tylko akceptory i ich koncentracja jest duża w porównaniu z koncentracją nośników samoistnych N a n i p N a n n 2 i N a Typowe koncentracje to cm -3, czyli dosyć silne domieszkowanie. Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach podobnych do właściwości metali.

10 Ruch nośników w półprzewodniku Pierwszą przyczyną przepływu prądu jest dyfuzja. Jej składowe możemy zapisać tak (D p i D n to stałe dyfuzji): j dn =qd n d n d x j dp = qd p d p d x Normalny przepływ prądu pod wpływem pola elektrycznego nazywa się prądem unoszenia. E oznacza natężenie pola elektrycznego, a ruchliwość nośników: j un =qn n E j up =qp p E O trzeciej przyczynie przepływu prądu, termodyfuzji, nie będziemy teraz mówić...

11 Ruch nośników w półprzewodniku Równanie Einsteina Dla obu rodzajów nośników współczynnik dyfuzji i ruchliwość są związane równaniem Einsteina: D= kt q D=U T W temperaturze pokojowej U T wynosi około 25.8mV.

12 Parametry typowych półprzewodników struktura diamentu struktura blendy cynkowej

13 Zależność przewodnictwa od temperatury Zależności przewodnictwa półprzewodnika od temperatury ma bardzo duże znaczenie praktyczne. Przy zmianach temperatury zmieniają się n=n(t), p=p(t), n = n (T), p = p (T) W półprzewodniku samoistnym koncentracja zmienia się z temperaturą bardzo silnie (eksponent!) i przewodnictwo i =q n i n p rośnie ze wzrostem temperatury praktycznie tak, jak rośnie koncentracja

14 Zależność przewodnictwa od temperatury n i T =AT 3 2 exp Eg 2 k T Przy małym zakresie zmian temperatury używa się często względnego współczynnika zmian koncentracji (i przewodnictwa) wyważonego w %/K d n i T d T n i = 1 T 1.5 Eg 2 k T przy temperaturze 300K dla krzemu współczynnik ten wynosi około 8.3%/K

15 Zależność przewodnictwa półprzewodników domieszkowanych od temperatury ln( ) nośniki samoistne przeważają domieszki zjonizowane częściowa jonizacja domieszek 1/500K 1/10K 1/T Przykład zależności przewodnictwa półprzewodnika domieszkowanego od odwrotności temperatury.

16 Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) Termistory NTC charakteryzują się tym, że z wzrostem temperatury ich rezystancja spada

17 Termistor NTC Typowe materiały: Termistory manganowo niklowe: NiO + Mn 2 O 3 + SiO 2 Termistory manganowo kobaltowe: CoO + Mn 2 O 3 + Bi 2 O 3 Typowe zastosowania:

18 Termistor NTC Typowe zastosowania:

19 Termistor NTC Typowe zastosowania:

20 Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) Termistory PTC charakteryzują się tym, że z wzrostem temperatury ich rezystancja rośnie

21 Termistor PTC Typowe materiały: BaTiO 3 + domieszki tlenków La, Bi, Sb NbBaTiO 3 + SrTiO 3 + domieszki tlenków La, Bi, Sb Typowe zastosowania:

22 Termistory zastosowania: Układy pomiarowe Stabilizatory temperatury Układy zabezpieczające obwody elektroniczne Stabilizacja punktu pracy układów elektronicznych Układy opóźniające Układy startowe silników Odmagnesowania kineskopów...

23 Termistory Zastosowania Liniowość i precyzja półprzewodnikowych mierników temperatury pozostawia sporo do życzenia. Zaletą jest za to ich duża czułość. Istnieją układy scalone zawierające wbudowany półprzewodnikowy czujnik temperatury wraz z układami linearyzującymi, wzmacniaczami a nawet przetwornikami analogowo cyfrowymi.

24 Bibliografia Witold J. Stepowicz, Elementy półprzewodnikowe i układy scalone, Wydawnictwo PG, Gdańsk Michał Polowczyk, Eugeniusz Klugmann, Przyrządy półprzewodnikowe, Wydawnictwo PG, Gdańsk Ben G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe. Podstawy fizyczne..., WNT Źródła ilustracji wykorzystanych w prezentacji: KLS Electronics AMWEI Thermistor