Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Podobne dokumenty
Wykład V Złącze P-N 1

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

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

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

Elektryczne własności ciał stałych

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

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

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

Struktura pasmowa ciał stałych

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Rozszczepienie poziomów atomowych

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

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

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Skończona studnia potencjału

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

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

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

Model elektronów swobodnych w metalu

m e vr =nh Model atomu Bohra

Elektryczne własności ciał stałych

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

ELEKTRONIKA ELM001551W

W5. Rozkład Boltzmanna

Elementy elektroniczne Wykłady 3: Półprzewodniki. Teoria złącza PN

Przerwa energetyczna w germanie

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

Przyrządy półprzewodnikowe część 2

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

elektryczne ciał stałych

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Elektryczne własności ciał stałych

+ + Struktura cia³a sta³ego. Kryszta³y jonowe. Kryszta³y atomowe. struktura krystaliczna. struktura amorficzna

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

elektryczne ciał stałych

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

Badanie charakterystyki diody

ELEKTRONIKA ELM001551W

elektryczne ciał stałych

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Przejścia promieniste

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

V. Fotodioda i diody LED

Teoria pasmowa ciał stałych

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

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

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

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

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

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

elektryczne ciał stałych

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

Pracownia Fizyczna i Elektroniczna Struktura układu doświadczalnego. Wojciech DOMINIK. Zjawisko przyrodnicze

METALE. Cu Ag Au

EFEKT HALLA W PÓŁPRZEWODNIKACH.

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

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

2. Elektrony i dziury w półprzewodnikach

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

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

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

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Nanostruktury i nanotechnologie

Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2010/2011

2. Elektrony i dziury w półprzewodnikach

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2016

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

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Cia!a sta!e. W!asno"ci elektryczne cia! sta!ych. Inne w!asno"ci

Rys historyczny rozwoju przyrządów półprzewodnikowych. Okresy stosowania podstawowych materiałów: Rozkład jazdy materiałów półprzewodnikowych:

Czym jest prąd elektryczny

Absorpcja związana z defektami kryształu

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

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

Podstawy fizyki wykład 4

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

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT FIZYKI. Badanie zjawiska Seebeck a w metalach i półprzewodnikach

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

V. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

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

Transkrypt:

Wykład IV Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Półprzewodniki (Si, Ge, GaAs) Konfiguracja elektronowa Si : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [Ne] 3s 2 3p 2 4 elektrony walencyjne Półprzewodnik samoistny Talent 09-01-2016

Półprzewodnik samoistny n p n 2 0 0 i ln() 1/T s 0s e E g /2kT

Transport elektronów w krysztale a) Elektron w perfekcyjnym krysztale b) Elektron w krysztale w skończonej temp. c) Elektron w krysztale zdefektowanym 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. σ = enμ μ = v E Prędkość elektronu Przewodność właściwa Ruchliwość Natężenie pola elektrycznego

Ruchliwość Elektrony w sieci ulegają rozproszeniu na skutek: drgań sieci (fonony) defekty inne elektrony

Ruchliwość w półprzewodnikach Rozpraszanie na domieszkach Rozpraszanie na fononach 1 1 I 1

Ruchliwość elektronów jest większa od ruchliwości dziur

Półprzewodnik samoistny Przewodność: en i Jeśli ruchliwość nie zmienia się istotnie wraz ze zmianą temperatury to ln() ( T ) ~ n ( T ) i i 0i e Eg 1/T /2kT

Półprzewodnik typu n Ge Ge Ge elektron nadmiarowy Ge As Ge elektrony walencyjne Ge Ge Ge ln() d 0d e E d /2kT 1/T

N-typu -donory

Półprzewodnik typu p ln() d 0d e E a /2kT 1/T

P-typu akceptory

Zależność przewodności od temperaturypółprzewodnik domieszkowy i e 0i E g /2kT d e 0d E d( a) /2 kt

Przypomnienie z wykładu III Jak liczy się koncentrację elektronów w metalu? Najpierw wprowadza się pojęcie gęstości stanów, tzn. liczby stanów na jednostkę objętości, zawartych w pewnym przedziale energii Potem gęstość stanów mnoży się przez prawdopodobieństwo, że elektrony obsadzą te stany, czyli przez funkcję Fermiego-Diraca Potem sumuje się (całkuje) ten iloczyn po wszystkich energiach dostępnych w pasmie przewodnictwa Jak to sobie przypomnimy, to obliczymy koncentrację elektronów w półprzewodniku typu n (p)

Koncentracja elektronów w metalu N(E) N(E)~E 1/2 Gęstość stanów Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca Gęstość stanów obsadzonych elektronami E F 3/ 2 16 2 m n f ( E) N( E) de E 3 3h 0 3/ 2 F pole pod wykresem c)

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca Elektrony są fermionami. Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu fermionem: f ( E) 1 EE kt e F 1 Dla T = 0 K, f(e) = 1 E < E F 0 E > E F W T=0 zapełnione są wszystkie stany o energiach poniżej E F Dla dowolnej temperatury prawdopodobieństwo zapełnienia stanu o energii E F wynosi 0.5: f(e) = 0.5 dla E = E F

Koncentracja elektronów i dziur w stanie równowagi termodynamicznej w półprzewodniku Koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa: n0 f ( E) N( E) de E C E C E F kt (w 300K) = 0. 025eV E F znajduje się w połowie przerwy wzbronionej (w Si tj. 0.55eV) T=300K półprzewodnik samoistny E C E F > kt 1 f E e K C F 1 e ( ECEF )/ kt ( C ) (300 ) ( E E )/ kt

Koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa N(E)~ E f(e)n(e) maleje istotnie dla E > E C, więc mało elektronów zajmuje stany powyżej dna pasma przewodnictwa wprowadza się efektywną gęstość stanów N C : wszystkie stany zastępuje się stanami na dnie pasma przewodnictwa koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa = (efektywna gęstość stanów N C ) x (funkcja Fermiego) : n N f ( E 0 C C ) N C e ( E C E F ) / kt N C 2m 2 h * n 2 kt 3 / 2

Koncentracja dziur w paśmie walencyjnym p0 N [1 f ( E )] V V N V e ( E F E V ) / kt N V 2m 2 h * p 2 kt 3 / 2 Koncentracja równowagowa elektronów w pasmie przewodnictwa jest równa koncentracji równowagowej dziur w paśmie walencyjnym n 0 = p 0 = n i

Koncentracja elektronów i dziur w stanie równowagi termodynamicznej Równanie prawdziwe dla wszystkich półprzewodników: n p n 2 0 0 i W półprzewodniku samoistnym koncentracja dziur jest równa koncentracji elektronów, więc n i N n 0 = p 0 = n i C N V e E g / 2kT

Koncentracja równowagowa nośników w półprzewodniku domieszkowym E C E C E C E F =E i E F E i q Fn E i E F q Fp E V E V E V samoistny n-typu p-typu Wpływ domieszkowania na poziom Fermiego E F n-typu: poziom Fermiego przesuwa się do góry p-typu: poziom Fermiego przesuwa się w dół n 0 p 0 q i nie n e F E E / kt E F i E E / kt i F F E i

p Półprzewodnik w polu elektrycznym dep F dx dv e ( x) ( e) dx dv ( x) dx ( x) const c V cx E cex

Prąd unoszenia: wynika z obecności pola elektrycznego Gęstość prądu unoszenia J x qn n Całkowity prąd unoszenia elektronowy i dziurowy: x J x x J x qn n x qp p x q( n n p p ) x x

Prąd dyfuzyjny: wynika z gradientu koncentracji nośników Gęstość prądu dyfuzyjnego J n dn( x) ( dyf ) ( q) Dn qd dx n dn( x) dx J p dp( x) ( dyf ) ( q) Dp qd dx p dp( x) dx

Całkowity prąd w obecności pola elektrycznego Całkowity prąd jest sumą prądu dyfuzyjnego (elektronowego i dziurowego) i prądu unoszenia (elektronowego i dziurowego) : J(x) = J n (x) + J p (x) J n ( x) q n( x) ( x) n qd n dn( x) dx J p ( x) q p( x) ( x) p qd p dp( x) dx

Złącze p-n Złącze p-n Tworzy się złącze p-n Złącze po utworzeniu

Tworzenie się złącza p-n - diagram pasmowy złącza W stanie równowagi gradient poziomu Fermiego jest równy zeru! de F dx 0

Diagram pasmowy złącza p-n w stanie równowagi termodynamicznej I nd E C I nu elektrony E F E C E V Hole s dziury I pd qv bi E V p- P- type typ n- N type -typ I pu I nd (I pd ) prąd dyfuzyjny elektronowy (dziurowy) I nu (I pu ) prąd unoszenia elektronowy (dziurowy) V bi potencjał wbudowany

Złącze p-n dioda półprzewodnikowa Charakterystyka I-V - nieliniowa + + + + + + + p - - - + - + + + n - - - + + - + - - - - - - A Polaryzacja zaporowa Polaryzacja w kier. przewodzenia I V