Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

Transkrypt

1 złącza p n oraz m s 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 złącze p n Po zetknięciu dwóch kawałków półprzewodnika o różnych rodzajach przewodnictwa zachodzi intensywna dyfuzja nośników w warstwie kontaktowej prowadząca do zubożenia w nośniki warstwy kontaktowej (warstwa zubożona lub zaporowa). Dyfuzji towarzyszy powstanie bariery elektrostatycznej gdyż pozostające jony akceptorów i donorów mają nieskompensowany ładunek.

3 złącze p n Powstająca w obszarze złącza różnica potencjałów powoduje przepływ prądów unoszenia w kierunkach przeciwnych do prądów dyfuzyjnych. W końcu dochodzi do równowagi prądów: j dp j up =0 j dn j un =0

4 złącze p n: równowaga

5 złącze p n Poziomy energetyczne półprzewodników znajdujących się w kontakcie wygodnie rozważać biorąc pod uwagę, że następuje wyrównanie się poziomów Fermiego.

6 złącze p n Równowaga zachodzi gdy składowe unoszenia i dyfuzji są równe. j dp j up =0 j dn j un =0 Policzymy wartość różnicy potencjałów powstającej w obszarze złącza. Rozpiszmy jedno z równań, na przykład równanie dla dziur: q[ p p x E x D p dp x dx ]=0

7 złącze p n q[ p p x E x D p dp x dx ]=0 Kierunek x wybieramy od półprzewodnika typu p do n. Ponieważ mamy p D p E x = 1 p x dp x dx Otrzymujemy E= du dx D p = kt q q kt du x dx = 1 p x dp x dx

8 złącze p n q kt du x dx = 1 p x dp x dx Całkujemy równanie o rozdzielonych zmiennych Całkujemy: q U n p n du x = kt U p p p dp x p x q kt U n U p =lnp n lnp p Zatem napięcie na złączu: U D = U n U p = kt q ln p p p n

9 złącze p n U D = U n U p = kt q ln p p p n Przy całkowitej jonizacji domieszek: U D = kt q ln N a n i 2 N d U D = kt q ln N a N d n i 2 Na przykład w typowo domieszkowanym krzemie powstała różnica potencjałów wynosi około 0,7V.

10 złącze p n: polaryzacja zaporowa Przy przyłożeniu do złącza p-n zewnętrznego potencjału tak, że zwiększa on wewnętrzną barierę nastąpi stosunkowo niewielki wzrost prądu unoszenia. W obszarze zubożonym po prostu brak nośników...

11 złącze p n: polaryzacja przewodzenia Przy przyłożeniu do złącza p-n zewnętrznego potencjału tak, że zmniejsza on wewnętrzną barierę nastąpi wzrost prądu dyfuzyjnego. Gdy zewnętrzne napięcie zniesie wewnętrzną barierę wzrost może być bardzo duży, Mamy do dyspozycji dużą liczbę nośników...

12 idealne złącze p n Idealne złącze p-n: jest skokowe, mała koncentracja nośników mniejszościowych, rezystancja obszarów obojętnych jest do pominięcia, w warstwie zaporowej nie ma rekombinacji, pomijamy zjawiska wysokopolowe i przebiciowe.

13 idealne złącze p n Przy założeniu idealnego złącza da się wyprowadzić wyrażenie na prąd płynący przez złącze w funkcji przyłożonego napięcia: U U i U =I S e T 1 I S nosi nazwę prądu nasycenia. Zależy on od rozmiarów złącza i stopnia domieszkowania półprzewodnika. Dla małych diodek jest on rzędu pa.

14 idealne złącze p n U U i U =I S e T 1 Dla kierunku przewodzenia przy U >> U T można pominąć 1 i charakterystyka zbliża się do eksponentu. Przy kierunku zaporowym przy U << -U T płynie praktycznie stały prąd -Is.

15 Złącze metal półprzewodnik Diody zawierające złącze metal półprzewodnik były pierwszymi praktycznie wykorzystywanymi przyrządami półprzewodnikowymi. Wykorzystywano przy tym różne półprzewodzące minerały galenę, pirryt, grafit, cynkit i inne. Również pierwsze przemysłowo produkowane masowo prostowniki zawierały takie złącza: miedź tlenek miedzi oraz selen metal. Kontakt metal półprzewodnik może posiadać charakterystykę prądowonapięciową liniową (omową) lub nieliniową (prostującą).

16 Złącze metal półprzewodnik Złącza metal-półprzewodnik wykorzystywane jako kontakty elementów struktury półprzewodnikowej z zewnętrznymi wyprowadzeniami powinny mieć charakterystykę liniową tak aby nie wpływać na charakterystyki elementu właściwego. Charakteryzują się one stosunkowo niewielkimi rezystancjami niezależnymi od kierunku polaryzacji. Złącza metal półprzewodnik o prostującej charakterystyce I(U) wykorzystywane są jako diody nazywane diodami Schottkiego,

17 Uproszczony model kontaktu metal-półprzewodnik Uproszczony model kontaktu zakłada brak stanów powierzchniowych. W takim przypadku o charakterze złącza decyduje zarówno typ półprzewodnika (n czy p) jaki i różnica prac wyjścia elektronów z metalu Φ m i półprzewodnika Φ s. Dla przypomnienia: Praca wyjścia elektronu Φ jest to praca jaką należy wykonać aby przenieść elektron z poziomu Fermiego do poziomu próżni (czyli minimalna energia kinetyczna elektronu potrzebna do opuszczenia przez niego powierzchni ciała).

18 Uproszczony model kontaktu metal-półprzewodnik Łącznie możliwe są cztery przypadki typu półprzewodnika orza zależności pomiędzy Φ m i Φ s : 1) półprzewodnik typu n oraz Φ m < Φ s 2) półprzewodnik typu n oraz Φ m > Φ s 3) półprzewodnik typu p oraz Φ m < Φ s 4) półprzewodnik typu p oraz Φ m > Φ s W przypadkach 1) i 4) złącze metal półprzewodnik jest kontaktem omowym, natomiast w przypadku 2) oraz 3) jest kontaktem prostującym.

19 Kontakt metal-półprzewodnik półprzewodnik typu n, kontakt omowy

20 Kontakt metal-półprzewodnik półprzewodnik typu n, kontakt prostujący

21 Kontakt metal-półprzewodnik półprzewodnik typu n, kontakt prostujący J nm strumień elektronów przechodzących ponad barierą z metalu do półprzewodnika (prąd emisji termoelektrycznej) J ns strumień elektronów przechodzących ponad barierą z półprzewodnika. do metalu. J pm strumień dziur płynących z metalu do półprzewodnika. J ps strumień dziur płynących z półprzewdonika do metalu.

22 Półprzewodnik typu n, kontakt prostujący - przepływ prądu

23 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 Dodatkowe źródła ilustracji wykorzystanych w prezentacji: