Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd 25.04.2006r.



Podobne dokumenty
3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

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

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Przyrządy półprzewodnikowe część 2

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Prawo Ohma. qnv. E ρ U I R U>0V. v u E +

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki Politechnika Łódzka

Domieszkowanie półprzewodników

Rys.1. Struktura fizyczna diody epiplanarnej (a) oraz wycinek złącza p-n (b)

Elektryczne własności ciał stałych

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Elementy elektroniczne Wykłady 3: Półprzewodniki. Teoria złącza PN

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

1. Wytwarzanie czystych oraz jednorodnie domieszkowanych materiałów pp.

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Złącza p-n, zastosowania. Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

Struktura pasmowa ciał stałych

Pytania z przedmiotu Inżynieria materiałowa

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Elektryczne własności ciał stałych

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

Przyrządy półprzewodnikowe

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

METALE. Cu Ag Au

Instrukcja do ćwiczenia: Badanie diod półprzewodnikowych i LED (wersja robocza)

1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

1. PÓŁPRZEWODNIKI 1.1. PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

Metody wytwarzania elementów półprzewodnikowych

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Podstawy działania elementów półprzewodnikowych - diody

Elementy przełącznikowe

W5. Rozkład Boltzmanna

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Badanie charakterystyki diody

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

ELEKTRONIKA ELM001551W

5. Tranzystor bipolarny

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Wykład V Złącze P-N 1

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK DIÓD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Układy nieliniowe. Stabilizator - dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) Logiczna bramka NAND. w.7, p.1

Ćwiczenie 123. Dioda półprzewodnikowa

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Materiały używane w elektronice

Absorpcja związana z defektami kryształu

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

W książce tej przedstawiono:

elektryczne ciał stałych

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

35 KATEDRA FIZYKI STOSOWANEJ

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Skończona studnia potencjału

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Teoria pasmowa ciał stałych

Ćwiczenie 241. Wyznaczanie ładunku elektronu na podstawie charakterystyki złącza p-n (diody półprzewodnikowej) .. Ω.

ELEKTRONIKA ELM001551W

Przyrządy Półprzewodnikowe

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Pomiary fotometryczne - badanie właściwości fizycznych fotoogniw

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

10 K AT E D R A F I Z Y K I S T O S OWA N E J

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

TECHNOLOGIA WYKONANIA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWOD- NIKOWYCH WYK. 16 SMK Na pdstw.: W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone,

1 Źródła i detektory. V. Fotodioda i diody LED Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody i diod LED.

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Technologia planarna

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Ćwiczenie nr 4 Charakterystyki I= f(u) złącza p-n.

elektryczne ciał stałych

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

EL08s_w03: Diody półprzewodnikowe

Układy nieliniowe. Stabilizator dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) w.9, p.1

Czym jest prąd elektryczny

Transkrypt:

Fizyka i technologia złącza P Adam Drózd 25.04.2006r.

O czym będę mówił: Półprzewodnik definicja, model wiązań walencyjnych i model pasmowy, samoistny i niesamoistny, domieszki donorowe i akceptorowe, koncentracja nośników w funkcji temperatury. Sposoby domieszkowania półprzewodników epitaksja, dyfuzja, implantacja jonów. Transport nośników w półprzewodniku dyfuzja i unoszenie. Złącze P polaryzacja złącza P. Dioda półprzewodnikowa charakterystyka przejściowa

Prosta definicja półprzewodnika Półprzewodniki są materiałami, których rezystywność jest większa niż rezystywność przewodników (metali) oraz mniejsza niż rezystywność izolatorów (dielektryków). Właściwości różniące półprzewodniki od przewodników: Parametry elektryczne półprzewodnika zależą silnie od ilości zanieczyszczeń Rezystywność półprzewodnika zależy od różnego rodzaju promieniowania Temperaturowy współczynnik rezystancji ma duże ujemne wartości.

Budowa atomu krzemu i germanu K(1 2 x22) L(2 2 x28) M(3 2 x218)

Wiązania między atomowe w krzemie Energia konieczna do wyrwania elektronu walencyjnego z wiązania kowalencyjnego dla wynosi Si1,1eV, dla Ge0,7eV.

Energetyczny model pasmowy półprzewodnika

Półprzewodnik samoistny i niesamoistny Półprzewodnik idealnie czysty, nie mający żadnych domieszek ani defektów sieci krystalicznej nazywamy samoistnym. generacja par dziura-elektron, n i p i Półprzewodnik umyślnie zanieczyszczany domieszkowany nazywamy niesamoistnym.

Domieszki donorowe Są to głównie pierwiastki piątej grupy tablicy okresowej. W krzemie najczęściej stosowany jest fosfor. Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa jest w przybliżeniu równa koncentracji atomów domieszki donorowej, n D. Półprzewodnik typu n.

Domieszki akceptorowe Są to głównie pierwiastki trzeciej grupy tablicy okresowej. W krzemie najczęściej stosowany jest bor. Koncentracja dziur w paśmie walencyjnym jest w przybliżeniu równa koncentracji atomów domieszki akceptorowej, p A. Półprzewodnik typu p.

Zależność koncentracji nośników od temperatury.

Sposoby domieszkowania Wytwarzanie czystych półprzewodników Półprzewodnik technologicznie czysty. a 1 atom obcego pierwiastka przypada ok. 10 miliardów atomów pierwiastka podstawowego (krzemu lub germanu). Metoda Czochralskiego - wynik: pręt monokrystaniczny o średnicy 5 lub 7,5 cm (12cm). - Płytki o grubości 300 do 500µm po obróbce mechanicznej 200 µm.

Sposoby domieszkowania Metody wytwarzania warstw domieszkowanych epitaksja, dyfuzja, implantacja jonów.

Sposoby domieszkowania Epitaksja Wytwarzanie cienkiej warstwy półprzewodnika monokrystalicznego na podłożu monokrystalicznym z zachowaniem budowy krystalicznej z podłożem. arastająca warstwa, będąca przedłużeniem podłoża, nosi nazwę warstwy epitaksjalnej. Metoda osadzania chemicznego oparta na redukcji czterochlorku krzemu wodorem zgodnie z reakcją: SiCl 4( gaz) + 2H2( gaz) Si+ 4HCl( gaz)

Sposoby domieszkowania Epitaksja cd. Urządzenie do epitaksji 1. Zwojnica indukcyjna 2. Płytki podłożowe 3. Podstawka kwarcowa 4. Podstawa grafitowa 5. Rura kwarcowa

Sposoby domieszkowania Epitaksja cd. Wprowadzanie domieszek do narastającej warstwy półprzewodnika: wytworzenie warstwy typu n - wprowadzenie par PCl 3, wytworzenie warstwy typu p wprowadzenie BBr 3. ośnikiem gazowym par domieszek jest wodór.

Sposoby domieszkowania Dyfuzja W odpowiednio wysokich temperaturach możliwa jest dyfuzja atomów. Zjawisko to można wykorzystać w procesie domieszkowania półprzewodnika. F t D x 2 D 2 x I prawo Ficka, równanie gęstości strumienia II prawo Ficka, równanie dyfuzji F gęstość strumienia atomów domieszki, D współczynnik dyfuzji, koncentracja atomów domieszki, x współrzędna prostopadła do powierzchni płytki półprzewodnikowej, t - czas a podstawie równania dyfuzji można wyznaczyć profil domieszkowania. Zagadnienia praktyczne opisane są dwoma rodzinami warunków brzegowych: Dyfuzja z nieograniczonego źródła Dyfuzja z ograniczonego źródła.

Sposoby domieszkowania Dyfuzja cd. Dyfuzja z nieograniczonego źródła Dt L t M L x erfc t x t x const t D D 0 0 0 0 2 2 ) ( 2 ), ( 0 ), ( 0,0) ( ) (0, π π Dyfuzja z ograniczonego źródła ] 2 exp[ ), ( 0 ), ( 0,0) ( ) 0 (,0) ( 0 ; ) ( 2 0 0 > D D x L x L M t x t x dla x x dla x x const t M π δ δ

Sposoby domieszkowania Dyfuzja cd. Domieszkowanie akceptorami: I Predyfuzja 1. Wygrzewanie płytek krzemowych do temp. 1000-1200 0 C w atmosferze zawierającej pary B 2 O 3. 2. 2 B 2 O 3 +3Si 3SiO 2 +4B 3. a powierzchni Si powstaje szkliwo borowokrzemowe i uwalnia się bor, który dyfunduje w głąb płytki krzemowej. II Redyfuzja Domieszkowanie donorami: 1. Wygrzewanie płytek Si w atmosferze P 2 O 5 2. 4POCl 3 +3O 2 2P 2 O 5 +6Cl 2 3. Dyfuzja fosforu ze szkliwa fosforo-krzemowego.

Implantacja jonów (proces niskotemperaturowy) Implantacja jonów polega na wbijaniu jonów do kryształu wskutek bombardowania powierzchni płytki półprzewodnikowej jonami domieszki (10 200 kev) rozpędzonymi w silnym polu elektrycznym.

Transport nośników w półprzewodniku W prądzie przewodzenia, utworzonym przez poruszające się nośniki, należy rozróżnić dwa mechanizmy: unoszenie i dyfuzję. Unoszenie: w przypadku równomiernego rozkładu koncentracji nośników w półprzewodniku prąd przewodzenia jest w całości prądem unoszenia, utworzonym przez strumień nośników poruszających się wskutek działania siły elektrycznej. J u qnv v u średnia prędkość unoszenia w polu elektrycznym, v v u u at 2 zd qt 2m zd * n u qnμe a F m E μe Ruchliwość µ zależy od koncentracji domieszek, temperatury, natężenia pola elektrycznego. * n a qe * m n

Transport nośników w półprzewodniku Dyfuzja: występuje wówczas gdy rozkład koncentracji nośników prądu jest nierównomierny. J dn qd n grad n J dp qd p grad p Istnieje ścisły związek między ruchliwością a współczynnikiem dyfuzji, określony tzw. wzorem Einsteina: Unoszenie i dyfuzja: D μ kt q J J n + J p J qnμ E n + qd n grad n + qnμ E p qd p grad p

Złącze P Bezpośredni kontakt obszarów p oraz n prowadzi do wzajemnej dyfuzji nośników: elektronów do obszaru typu p, dziur do obszaru typu n. W obszarze granicznym powstaje warstwa dipolowa ładunku. Ładunek przestrzenny jest przyczyną powstania pola elektrycznego. apięcie wytworzone w obszarze złącza to bariera potencjału, tzw. napięcie dyfuzyjne. Pole elektryczne wytwarza prądy unoszenia skierowane przeciwnie do prądów dyfuzyjnych.

Złącze P polaryzacja w kierunku zaporowym i przewodzenia Polaryzacja w kierunku zaporowym. Składowe prądu dyfuzji nośników większościowych maleją do zera. Składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych pozostają bez zmian. Polaryzacja w kierunku przewodzenia. Składowe prądu dyfuzji nośników większościowych są znacznie większe od składowych unoszenia nośników mniejszościowych. qu I Iu exp( ) 1 kt

Charakterystyka przejściowa diody Kierunek zaporowy I (ma) U Kierunek przewodze nia Obszar przebicia I (µa)

Założenia: Rozmiar diody na 13kA A 5 10 15 cm -3, D 1 10 15 cm -3, Domieszkowania D n 21cm 2 /s, D p 10cm 2 /s, Współczynniki dyfuzji τ p τ n 5 10-7 s n i 9,65 10 9 cm -3 Czasy życia nośnioków mniejszościowych Gęstość domieszek samoistnych w krzemie w temperturze pokojowej Jaka musi być powierzchnia A takiego złącza aby mogło ono przewodzić prąd I F 13kA w tempertaurze pokojowej? Równanie Schokley ea diody idealnej: Gęstość prądu nasycenia w takim złączu: V I exp( ) 1 F A J s ϕt V exp( ) 1 1,45 10 ϕt Wielkość w nawiasie wynosi: 12 J s en 2 i 1 A D τ p p + 1 D D τ n n V 700mV φ T 26mV 8,6 10 11 A cm 3

A I V exp( ϕt F ) 1 J s 1,45 10 13 10 12 3 A 8,6 10 11 A cm 2 2 A 100cm Czyli promień płatka krzemu, w którym wykonana będzie dioda powinien wynosić: A r 5, 6cm π

Koniec