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
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,...
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.
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
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.
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.
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 2 2 1 2 ] p= N N a d [n 2 2 i N N 2 a d 2 ] 1 2
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 10 12.. 10 20 cm -3, czyli dosyć silne domieszkowanie. Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach podobnych do właściwości metali.
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 10 12.. 10 20 cm -3, czyli dosyć silne domieszkowanie. Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach podobnych do właściwości metali.
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...
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.
Parametry typowych półprzewodników struktura diamentu struktura blendy cynkowej
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
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
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.
Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) Termistory NTC charakteryzują się tym, że z wzrostem temperatury ich rezystancja spada
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:
Termistor NTC Typowe zastosowania:
Termistor NTC Typowe zastosowania:
Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) Termistory PTC charakteryzują się tym, że z wzrostem temperatury ich rezystancja rośnie
Termistor PTC Typowe materiały: BaTiO 3 + domieszki tlenków La, Bi, Sb NbBaTiO 3 + SrTiO 3 + domieszki tlenków La, Bi, Sb Typowe zastosowania:
Termistory zastosowania: Układy pomiarowe Stabilizatory temperatury Układy zabezpieczające obwody elektroniczne Stabilizacja punktu pracy układów elektronicznych Układy opóźniające Układy startowe silników Odmagnesowania kineskopów...
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.
Bibliografia Witold J. Stepowicz, Elementy półprzewodnikowe i układy scalone, Wydawnictwo PG, Gdańsk 1995. Michał Polowczyk, Eugeniusz Klugmann, Przyrządy półprzewodnikowe, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2001. Ben G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe. Podstawy fizyczne..., WNT Źródła ilustracji wykorzystanych w prezentacji: http://commons.wikimedia.org/ KLS Electronics http://www.cnkls.com/english/ AMWEI Thermistor http://www.amwei.com/