Przewodność elektryczna półprzewodników

Podobne dokumenty
Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Urządzenia półprzewodnikowe

Skończona studnia potencjału

Teoria pasmowa ciał stałych

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

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

IV. TRANZYSTOR POLOWY

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Elementy przełącznikowe

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

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

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

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Materiały używane w elektronice

Tranzystory polowe JFET, MOSFET

6. TRANZYSTORY UNIPOLARNE

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

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

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

W książce tej przedstawiono:

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

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

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Skalowanie układów scalonych

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

Repeta z wykładu nr 10. Detekcja światła. Kondensator MOS. Plan na dzisiaj. fotopowielacz, część 2 MCP (detektor wielokanałowy) streak camera

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

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

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

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

Rozszczepienie poziomów atomowych

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

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

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

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

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Diody, tranzystory, tyrystory. Materiały pomocnicze do zajęć.

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

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

Badanie charakterystyki diody

Skalowanie układów scalonych Click to edit Master title style

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

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Ćwiczenie nr 7 Tranzystor polowy MOSFET

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

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

exp jest proporcjonalne do czynnika Boltzmanna exp(-e kbt (szerokość przerwy energetycznej między pasmami) g /k B

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

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Przerwa energetyczna w germanie

Budowa. Metoda wytwarzania

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

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

TRANZYSTORY MOCY. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi tranzystorami i ich charakterystykami.

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

Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

Złącze p-n. Stan zaporowy

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i MOSFET

Tranzystory. bipolarne (NPN i PNP), polowe (MOSFET), fototranzystory

Część 3. Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy. Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 51

Rys.2. Schemat działania fotoogniwa.

Wykład V Złącze P-N 1

9. Struktury półprzewodnikowe

Diody i tranzystory. - prostownicze, stabilizacyjne (Zenera), fotodiody, elektroluminescencyjne, pojemnościowe (warikapy)

10. Tranzystory polowe (unipolarne FET)

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

Elektryczne własności ciał stałych

Ćwiczenie 134. Ogniwo słoneczne

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

ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Układy nieliniowe - przypomnienie

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

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

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Czym jest prąd elektryczny

Ćwiczenie 123. Dioda półprzewodnikowa

Złożone struktury diod Schottky ego mocy

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Zakres wykładu. Detekcja światła. Zakres wykładu. Zakres wykładu

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

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

Transkrypt:

Przewodność elektryczna półprzewodników p koncentracja dziur n koncentracja elektronów Domieszkowanie półprzewodników donory i akceptory 1

Koncentracja nośników ładunku w półprzewodniku domieszkowanym Zjawisko Halla W polu magnetycznym o indukcji B na ładunek q poruszający się z prędkością v działa siła Lorenza F = q v B Schemat układu doświadczalnego do pomiaru efektu Halla. Linie przerywane oznaczają tory, po których poruszałyby się elektrony n i dziury p w polu magnetycznym o indukcji B, gdyby nie pojawiło się napięcie Halla U H. Stałą Halla R H wyznacza się na podstawie pomiaru napięcia Halla U H, natężenia prądu w warstwie o grubości d oraz indukcji magnetycznej B: R H =U H d/(b) Jeśli występuje tylko jeden rodzaj nośników ładunku (elektrony albo dziury) to stała Halla jest odwrotnie proporcjonalna do ich koncentracji n R H =1/(ne) e - ładunek elementarny 2

Zastosowanie zjawiska Halla do wyznaczania koncentracji nośników Zależność stałej Halla od temperatury dla krzemu a) typ p, koncentracja boru (akceptora) 2 10 17 cm -3 b) typ n, koncentracja arsenu (donora) 2 10 15 cm -3 Przy mniejszej koncentracji domieszki (b) widoczny jest obszar nasycenia i obszar samoistny. Koncentracja nośników i przewodność przy różnych poziomach domieszkowania 3

Ruchliwość nośników - zależność od temperatury Złącze p-n sytuacja równowagowa Po obu stronach złącza tworzą się obszary zubożone w nośniki. Pole elektryczne pochodzące od obszarów naładowanych zapobiega dalszemu przenoszeniu nośników między obszarami p i n. 4

Złącze p-n napięcie zaporowe Przyłożenie napięcia polaryzującego złącze w kierunku zaporowym utrudnia przechodzenie elektronu przez obszar złącza Złącze p-n w kierunku przewodzenia Elektrony, które przeszły przez obszar złącza ulegają rekombinacji z dziurami. Przez złącze przepływa prąd. 5

Złącze p-n w równowadze Polaryzacja w kierunku przewodzenia Polaryzacja w kierunku zaporowym Dioda charakterystyka 6

dealna charakterystyka prądowonapięciowa złącza p-n ev ( V ) = 0 exp 1 kbt = en 0 2 i Dn A Ln N A Dp + L N p D Przebicie złącza przy polaryzacji zaporowej Przebicie Zenera tunelowanie elektronów przez wąską warstwę zaporową, w złączu silnie domieszkowanym Złącze metal-półprzewodnik φ B praca wyjścia elektronu z metalu Złącze prostujące bariera Schottky Kontakt omowy (np. ind na krzemie typu p) 7

Struktura MS Metal insulator - semiconductor (MS) 8

Struktura MOS (metal-oxide semiconductor) Warstwa tlenku (SiO 2 ) jest izolatorem Poziomy energetyczne elektronów w półprzewodniku typu p bez przyłożonego napięcia do bramki (metalu oddzielonego izolatorem). Dodatnie napięcie polaryzacji bramki wytwarza warstwę zubożoną przy powierzchni półprzewodnika Wyższe napięcie polaryzacji bramki wytwarza cienką warstwę inwersyjną typu n na powierzchni półprzewodnika Przy jeszcze wyższym dodatnim napięciu polaryzacji bramki elektrony w warstwie inwersyjnej stają się zdegenerowane (potencjał chemiczny wewnątrz pasma). Przekrój tranzystora polowego MOSFET (field efect transistor) z kanałem typu n. Zakreskowana została warstwa zubożona w półprzewodniku typu p odpowiadająca zadanej polaryzacji. Kanał z inwersją obsadzeń typu n tworzy się pod elektrodą bramki na granicy półprzewodnika i tlenku. Kolejne etapy procesu wytwarzania tranzystora MOSFET z kanałem typu n na powierzchni płytki monokryształu krzemu. a) Pokrywanie powierzchni tlenku żywicą fotoutwardzalną i naświetlanie maski b) Rozpuszczanie nieutwardzonej maski i wytrawianie SiO 2. c) Wprowadzenie domieszki donorowej do obszaru źródła i drenu na drodze dyfuzji. d) Naparowanie warstwy metalu i nałożenie warstwy żywicy foto-utwardzalnej. Fragmenty warstwy metalu zostaną selektywnie usunięte zgodnie z naświetlona maską pozostawiając elektrody źródła, bramki i drenu. 9

MOSFET Metal-oxide-semiconductor (MOS) Field effect transistor (FET) Reżim liniowy Nasycenie Pierwsze układy scalone powstały w 1958 r. w laboratoriach przemysłowych: Texas nstruments Jack Kilby i Fairchild Robert Noyce Pierwszy działający układ scalony jeden tranzystor na płytce germanu Pierwszy planarny układ scalony na płytce krzemu 1961 r. Jack Kilby 1923-2005 Nagroda Nobla z Fizyki w 2000 r. Płytka o rozmiarach 4x5 mm z układem scalonym pamięci EPROM wystające druty łączą płytkę z nóżkami kostki pamięci 10

Liczba tranzystorów w układach scalonych wprowadzanych na rynek w kolejnych latach wzrasta wykładniczo - w mikroprocesorach podwaja się co dwa lata - prawo Moore a Wytwarzane są coraz mniejsze tranzystory - rozmiary elementów zmniejszyły się od 500 nm w 1990 r. do 22 nm w 2012 r. granicę stanowi rozmiar atomu rzędu 1 nm 2008 ntel Nehalem Quad Core i7 microprocessor architecture technologia 45 nm, 731 milionów tranzystorów na powierzchni 263 mm 2 11

Fotodioda efekt fotoelektryczny wewnętrzny Przy polaryzacji zaporowej dioda jest czułym detektorem światła. Przy braku polaryzacji na złączu powstaje siła elektromotoryczna pracuje jako ogniwo słoneczne Fotodioda z napędu CD Złącze PN używane w fotodiodach do szybkich systemów optycznych Optoizolacja (przetworniki) Ogniwa słoneczne Najczęściej stosowane są ogniwa krzemowe (mono lub polikrystaliczne) 12

Widmo promieniowania słonecznego Generacja i rekombinacja pary elektron-dziura absorpcja i emisja fotonu g ene rac ja reko mb inac ja radiac yjna rekombinacja nieradiacyjna dziura elektron Energia 1 Fotogeneracja pary elektron-dziura w pobliżu złącza p-n 4 2 3 zakres użyteczny (qv) 3 4 1 13

Jasna i ciemna charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa słonecznego l = d sc Prąd Charakterystyka ciemna l ev = o exp 1 AkBT sc V oc Napięcie o = oo ee a exp kbt L mp V mp Charakterystyka jasna sc Ak BT sc V = + oc ln 1 e o sc evoc = AEa Ak BT ln oo Ak BT ln e sc o Wydajność ogniw słonecznych η = mp P V in mp Prąd Charakterystyka ciemna V mp V oc Napięcie FF = mp sc V V mp oc η = scvoc FF P in L mp Charakterystyka jasna Eff. Voc Jsc FF (%) (V) (ma/cm 2 ) (%) Si-c 2 4.7 0.70 6 42.2 82.8 Si-µc 1 9.8 0.65 4 38.1 79.5 GaAs-c 2 4.9 0.87 8 29.3 85.4 a-si (m odule) 1 2.0 1 2.5 1.3 73.5 GaAs (thin film) 2 3.3 1.01 1 27.6 83.8 CGS 19.8 0.669 35.7 7 7.0 CGS ( module ) 16.6 2.643 8.3 5 7 5.1 CdTe (ce ll) 16.4 0.848 25.9 7 4.5 CdTe (module) 1 0.6 6.56 5 2.26 71.4 Nanocr. dye 6.5 0.76 9 13.4 63.0 sc 14

(%) 30 25 20 15 10 5 Si GaAs CdTe Cu(nGa)Se 2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 E (ev) Maksymalna wydajność ogniwa jednozłączowego w zależności od przerwy energetycznej warstwy absorbera. Elektrody (Ni/Al) absorber okno E g2 p n E g1 Warstwa z przezroczystego tlenku przewodzącego (ZnO:Al) Warstwa buforowa (ZnO) Warstwa okna (CdS) Warstwa absorbera (CGS) Heterozłączowe ogniwo słoneczne Elektroda tylna (Mo) Podłoże szklane Cienkowarstwowa struktura z warstwą absorbera CGS Cun 0,8 Ga 0.2 Se 2 15

Poprawa wydajności ogniw słonecznych różnych typów Ogniwa słoneczne - zastosowania Solartaxi Nuna 4 zwycięzca World Solar Challenge Solarshuttle Serpentine Hyde park, Londyn 16