Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Podobne dokumenty
Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

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

Elektryczne własności ciał stałych

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Struktura pasmowa ciał stałych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Absorpcja związana z defektami kryształu

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Krawędź absorpcji podstawowej

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

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

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Podstawy krystalografii

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Przejścia promieniste

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

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

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Rozszczepienie poziomów atomowych

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

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Teoria pasmowa ciał stałych

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

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

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

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Stany skupienia materii

Skończona studnia potencjału

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 2 SMK J. Hennel, Podstawy elektroniki półprzewodnikowej:, WNT, W-wa 2003

Wprowadzenie do ekscytonów

Atomy wieloelektronowe

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

GaSb, GaAs, GaP. Joanna Mieczkowska Semestr VII

Atomy wieloelektronowe i cząsteczki

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Elementy teorii powierzchni metali

E3. Badanie temperaturowej zależności oporu elektrycznego ciał stałych 1/5

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Zasady obsadzania poziomów

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ EKSCYTONY. Seminarium z Molekularnego Ciała a Stałego Jędrzejowski Jaromir

Elektryczne własności ciał stałych

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

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

2. Elektrony i dziury w półprzewodnikach

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Badanie emiterów promieniowania optycznego

Wykład FIZYKA II. 14. Fizyka ciała stałego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

W5. Rozkład Boltzmanna

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej metodę (teorię): metoda wiązań walencyjnych (VB)

6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe

2. Elektrony i dziury w półprzewodnikach

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Właściwości kryształów

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej jedną z dwóch metod (teorii): metoda wiązań walencyjnych (VB)

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

elektryczne ciał stałych

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Laboratorium inżynierii materiałowej LIM

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

Ćwiczenie 5 BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY 1.WIADOMOŚCI OGÓLNE

30/01/2018. Wykład XI: Właściwości elektryczne. Treść wykładu: Wprowadzenie

Podział ciał stałych ze względu na strukturę atomowo-cząsteczkową

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Badanie charakterystyki diody

Wiązania chemiczne. Związek klasyfikacji ciał krystalicznych z charakterem wiązań atomowych. 5 typów wiązań

Przerwa energetyczna w germanie

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Widmo promieniowania

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

Właściwości materii. Bogdan Walkowiak. Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka. 18 listopada 2014 Biophysics 1

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Elektryczne własności ciał stałych

Podstawy fizyki wykład 4

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

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

1. PÓŁPRZEWODNIKI 1.1. PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Transkrypt:

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu skaroll@fizyka.umk.pl

Plan ogólny Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie, czyli czym będziemy się zajmować. Budowa materii pojęcie atomu. Co to są kryształy i jak powstają. Kryształy półprzewodnikowe - właściwości. Nanowymiarowe struktury półprzewodnikowe. Metody badań nanoukładów. Nanotechnologie jaka przyszłość?

Wykład IV. Kryształy półprzewodnikowe - właściwości.

Kryształy półprzewodnikowe - właściwości. Wiązania chemiczne. Metale, izolatory i półprzewodniki. Półprzewodniki jednoatomowe i wieloatomowe. Struktura energetyczna, od atomu do kryształu. Kryształ idealny a rzeczywisty - defekty. Domieszki w kryształach a kryształy mieszane. Absorpcja, rekombinacja, luminescencja, fotoprzewodnictwo. Podsumowanie.

Dlaczego półprzewodniki? Posiadają szereg interesujących właściwości. Możliwa zmiana wartości parametrów fizycznych w bardzo szerokim zakresie, między innymi przewodność prądu elektrycznego czy stałej sieci. Podatność na domieszkowanie obcymi atomami. Bardzo duża ilość kombinacji półprzewodników mieszanych. Kto panuje nad materią, panuje nad światem.

Wiązania chemiczne. Wiązanie chemiczne - według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

Typy wiązań chemicznych. Metaliczne gaz prawie swobodnych elektronów. Kowalencyjne - polega na uwspólnieniu jednej lub kilku par elektronów, dzięki czemu każdy z atomów zachowuje się tak, jakby miał trwałą konfigurację gazu szlachetnego. Jonowe - gdy atomy uzyskują konfigurację gazu szlachetnego w wyniku oddania lub pobrania elektronów, tworzą się jony, które oddziałują siłami elektrostatycznymi, tworząc związki o budowie jonowej. Wodorowe - polega na elektrostatycznym przyciąganiu się dipoli, których biegunem dodatnim jest atom wodoru, a biegunem ujemnym atom pierwiastka silnie elektroujemnego.

Metale, izolatory i półprzewodniki. Podział ze względu na przewodzenie prądu elektrycznego wygodny, ale nie do końca prawdziwy. Metale bardzo dobrze przewodzą przewodność rzędu 50*106 Ω-1m-1. Półprzewodniki, np. Si 10-3 Ω-1m-1. Izolatory jeszcze mniej.

Układ okresowy jeszcze raz.

Ciekawy układ okresowy.

Półprzewodniki jednoatomowe Si, Ge.

Półprzewodniki jednoatomowe Si, Ge cd. Struktura krystalograficzna tzw. diamentu. Dominuje silne wiązanie kowalencyjne. Każdy atom wytwarza cztery wiązania. W przypadku węgla diament prawie izolator. Najbliżsi sąsiedzi w liczbie czterech. Stałe sieciowe: Ge 0.566 nm, Si 0.543 nm, diament 0.357 nm.

Półprzewodniki wieloatomowe związki II-VI, III-V. Przykładowe półprzewodniki: II-VI: ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdS, CdTe, HgS, HgSe, HgTe. III-V: AlN, GaN, InN, AlAs, GaAs, InAs, AlP, GaP, InP, AlSb, GaSb, InSb.

Kryształy mieszane. Półprzewodniki II-VI oraz III-V więcej niż dwuskładnikowe, obecnie nawet czteroskładnikowe. II-VI: ZnMgBeSe, ZnCrTe, ZnMnSe, ZnSSe, CdBeZnSe... III-V: AlGaAs, AlInAs, GaMnAs... Ilość kationów i anionów taka sama, Zn1-xBexSe, Zn1-x-yBexMgySe. Inżynieria materiałowa.

Inżynieria materiałowa.

Struktura energetyczna, od atomu do kryształu. Zakaz Pauliego mówi, że w jednym atomie dwa elektrony muszą różnić się wartością przynajmniej jednej liczby kwantowej (np. w jednym poziomie orbitalnym muszą mieć przeciwną orientację spinu). Oznacza to, że w ramach układu jakim jest pojedynczy atom, nie może w nim być dwóch elektronów o tej samej energii. Elektrony w atomach mogą posiadać tylko określone energie kwantowanie.

Poziomy energetyczne w atomie powłoki i podpowłoki.

Teoria pasmowa. W atomie elektron może przyjmować tylko dozwolone wartości energii zwane poziomami energii. W krysztale w skutek oddziaływań między elektronami sąsiednich atomów poziomy energetyczne "rozmywają" się, tworząc pasma. Pasmo całkowicie zapełnione elektronami nazywamy pasmem walencyjnym (podstawowym), nie bierze ono udziału w przewodzeniu prądu. Pasmo częściowo zapełnione elektronami nazywa się pasmem przewodnictwa. Odstęp między tymi pasmami nosi nazwę pasma zabronionego lub przerwy zabronionej.

Powstawanie pasm.

Pasmo walencyjne i przewodnictwa.

Kryształ jednoatomowy.

Kryształy dwuatomowe.

Kryształy dwuatomowe. Struktura pasmowa BaF2 w przybliżeniu jonowym. Puste stany Ba1+ tworzą pasmo cb. Zapełnione stany F1tworzą pasmo vb. Poziomy rdzeniowe.

Przewodność a temperatura. W przypadku metali obserwujemy spadek przewodności ze wzrostem temperatury np. żarówka podczas włączania. Półprzewodniki zachowują się odwrotnie, im wyższa temperatura, tym lepiej przewodzą. W temperaturze zera bezwzględnego półprzewodniki stają się izolatorami.

Metody obliczeniowe. Elektron jest falą! Elektrony zanurzone w periodycznym potencjale. Metoda słabego wiązania, model elektronów prawie swobodnych - metale. Metoda silnego wiązania, elektrony silnie związane z atomami macierzystymi krzem. Metoda masy efektywnej.

Kryształ idealny bez domieszek i defektów.

Kryształ rzeczywisty - defekty.

Domieszki w kryształach a kryształy mieszane. Dodajemy jakiś pierwiastek do kryształu. Kiedy można już mówić o krysztale mieszanym? Przejście kryształ domieszkowany mieszany. Liczba Avogadro ~ 1023. Typowa koncentracja domieszek 1017-1019. Przykład: związek Zn1-xMnxSe.

Elektrony i dziury. Przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa wykreuje dziurę (brak elektronu) w pasmie walencyjnym

Domieszki typu n i p na przykładzie krzemu. Wprowadzamy do struktury krystalicznej krzemu obce atomy. Krzem jest czterowartościowy. Dodanie pierwiastków z grupy V, np. fosfor czy arsen materiał typu n nośnikami większościowymi są elektrony. Dodanie pierwiastków z grupy III, np. ind czy aluminium materiał typu p nośniki większościowe - dziury.

Typy domieszek. W zależności od stosunku ilości elektronów walencyjnych domieszki do ilości elektronów walencyjnych podstawianego jonu/atomu rozróżnia się domieszkowanie: donorowe - jony/atomy wprowadzanej domieszki charakteryzują się wyższą wartościowością niż jon/atom podstawiany; w ten sposób w paśmie energii wzbronionej powstaje pasmo donorowe położone poniżej dna pasma przewodnictwa; akceptorowe - jony/atomy wprowadzanej domieszki charakteryzują się niższą wartościowością niż jon/atom podstawiany; w ten sposób w paśmie energii wzbronionej powstaje pasmo akceptorowe położone powyżej krawędzi pasma walencyjnego, izoelektronowe - jonami o tej samej wartościowości.

Domieszki a struktura energetyczna.

Absorpcja promieniowania. Absorpcją promieniowania elektromagnetycznego nazywamy straty energii wiązki promieniowania elektromagnetycznego przechodzącej przez substancję, będące wynikiem przemiany energii strumienia świetlnego w różne rodzaje energii wewnętrznej substancji albo w energię wtórnego promieniowania wysyłanego w innym kierunku lub mającego inny skład widmowy.* *Encyklopedia fizyki, Tom 1, PWN, Warszawa 1972.

Absorpcja podstawowa. hν = Eg

Absorpcja ekscytonowa. W materiałach półprzewodnikowych, które są dostatecznie czyste oraz dobrej jakości, swobodny elektron wzbudzony do pasma przewodnictwa może utworzyć z dziurą z pasma walencyjnego związany układ z energią wiązania rzędu 0.01 ev. Układ taki tworzy się na skutek oddziaływania kulombowskiego pomiędzy elektronem i dziurą. Energia takiego układu przez analogię do atomu wodoru wyraża się następującym wzorem: 2 2 e4 1 Eex n = h 2 2 n 2 hν = Eg- Eexc

Absorpcja a domieszki. Przykładowe przejścia między pasmem a poziomem domieszkowym:

Absorpcja a domieszki. Przejścia typu akceptor-donor: e hν=e E E εr 2 g D A

Proces rekombinacji. Proces odwrotny do absorpcji. Może być promienista lub niepromienista. Promienista emisja kwantu światła. Niepromienista konwersja energii wzbudzenia na ciepło. Rysunek przejście donor-akceptor.

Rekombinacja promienista - zjawisko luminescencji. Luminescencja według definicji S.I. Wawiłowa jest to emisja promieniowania elektromagnetycznego w wyniku przejścia promienistego między dwoma stanami energetycznymi atomu lub cząsteczki, o natężeniu większym od natężenia promieniowania cieplnego w danej temperaturze i czasie trwania dłuższym od okresu drgań emitowanej fali elektromagnetycznej.

Podział luminescencji w zależności od sposobu wzbudzania. Wyróżniamy: fotoluminescencję, wzbudzoną światłem i promieniami UV, katodoluminescencję, wywołaną szybkimi elektronami, radioluminescencję, wywołaną promieniowaniem o dużej energii. rentgenoluminescencję, wywołaną elektronami wzbudzonymi promieniami X, elektroluminescencję, wzbudzoną polem elektrycznym. tryboluminescencję, wywołaną siłami tarcia i elektrostatycznymi, sonoluminescencję, wywołaną promieniowaniem ultradźwiękowym, chemiluminescencję, wywołaną procesami chemicznymi (zwykle utlenianiem), elektrochemiluminescencję, wywołaną procesami chemicznymi zainicjowanymi polem elektrycznym, bioluminescencję, wywołaną procesami biologicznymi.

Podział luminescencji ze względu na czas jej trwania. Możemy tu wyróżnić bardzo szybkie (czas życia w stanie wzbudzonym jest rzędu 10-8 s) zaniki świecenia czyli fluorescencję, Długo trwająca fosforescencja. Z tymi zjawiskami mamy do czynienia między innymi w cząsteczkach.

Widmo luminescencji. Widmo spektroskopowe to zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie. Widmo, które powstało w wyniku emisji promieniowania przez analizowaną substancję albo na skutek kontaktu z nią (przeszło przez nią lub zostało przez nią odbite), może dostarczyć szeregu cennych informacji o badanej substancji.

Rozszczepienie światła białego - widmo.

Widmo luminescencji jak mierzyć.

Przykładowe widma fotoluminescencji. Długość fali [nm] 720 640 560 480 Strumień fotonów [j.w.] 2,0 400 Zn0.95-yBe0.05MnySe T = 30 K 1,5 y=0.20 1,0 y=0.15 0,5 y=0.10 y=0.05 0,0 1,6 (a) 2,0 2,4 2,8 Energia fotonów [ev] 3,2

Fotoprzewodnictwo. Zjawisko fotoprzewodnictwa jest to zmiana przewodnictwa elektrycznego danego materiału na skutek oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego, zwykle zachodzi ono w wyniku zjawiska fotoelektrycznego (wewnętrznego) i związane jest ze zwiększeniem koncentracji elektronów w pasmie przewodnictwa i dziur w pasmie walencyjnym. Zjawisko to zostało odkryte w 1873 przez W. Smitha dla selenu.

Podsumowanie. Ograniczenia teorii pasmowej nie zmieniają faktu, że pozostaje ona najważniejszym narzędziem tak jakościowego zrozumienia, jak i ilościowego obliczania własności materii skondensowanej Idealny kryształ nudny, defekty czynią kryształy ciekawymi i pięknymi! Półprzewodniki można łatwo domieszkować. Światło można rozszczepić. Przedstawione zjawiska nie wyczerpują nawet ułamka tych, które zachodzą w półprzewodnikach!

Dziękuję za uwagę!