Półprzewodnikii elementyz półprzewodnikówhomogenicznych

Ryszard J. Barczyński, 2016Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała StałegoMateriały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Półprzewodnikisamoistne

Półprzewodniki posiadają przerwę energetyczną do około 3­4 eV.Na przykład przerwa energetyczna w krzemie to około 1.2 eV. Inne

często spotykane półprzewodniki to Ge, GaAs, GaP, InP, InSb, CdS, ...

Półprzewodnikisamoistne

Na skutek generacji termicznejpowstają ruchliwe nośnikiładunku: elektrony i dziury.

Ustala się równowaga między termiczną generacją par elektron-dziurai ich rekombinacją.

Półprzewodniki samoistnekoncentracja nośników

Koncentracja nośników samoistnych(zarówno elektronów jak i dziur) wynosi

Na przykład w temperaturze pokojowejdla Si (E

g0 = 1.2 eV) koncentracja wynosi około 1.5*1010 cm-3,

a dla GaAs (Eg0

= 1.38 eV) wynosi około 1.8*106 cm-3

ni T =AT32exp

−Eg0

2kT

Półprzewodniki samoistneruchliwość nośników

Dla niewielkich pól elektrycznychruchliwość jest stała. Zależy onaod temperatury (na skutek rozpraszananośników na drganiach atomów sieci)

Stała k wynosi około 1.5. Poza tum na ruchliwość mają wpływ domieszki,defekty struktury krystalicznej, a przy dużej koncentracji nośników

oddziaływania pomiędzy nimi.

=BT−

Półprzewodnikidomieszkowane

Donory:P, As, Sb...

Akceptory:B, Al, Ga, In...

Również i w półprzewodnikach domieszkowanych równowaga międzytermiczną generacją par i rekombinacją jest dynamiczna. Gdy domieszki zwiększają

koncentracją jednego typu nośników, to koncentracja drugiego typu maleje.

Półprzewodniki domieszkowanekoncentracja nośników

Wychodzimy z obojętności elektrycznej:

Oraz z równowagi dynamicznej (dla półprzewodników niezdegenerowanych)

Otrzymujemy

qp−nNd−Na=0

np=ni2

n=Nd−Na

2[ni

2Nd−Na

2

2

]

12 p=

Na−Nd

2[ni

2Na−Nd

2

2

]

12

Półprzewodnik typu n

Gdy mamy tylko donory i ichkoncentracja jest duża w porównaniuz koncentracją nośników samoistnych

Typowe koncentracje to 1012 .. 1020 cm-3, czyli dosyć silne domieszkowanie.Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach

podobnych do właściwości metali.

Nd≫ni

n≈Nd

p≈ni2

Nd

Półprzewodnik typu p

Gdy mamy tylko akceptory i ichkoncentracja jest duża w porównaniuz koncentracją nośników samoistnych

Typowe koncentracje to 1012 .. 1020 cm-3, czyli dosyć silne domieszkowanie.Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach

podobnych do właściwości metali.

Na≫ni

p≈Na

n≈ni2

Na

Ruch nośników w półprzewodniku

O trzeciej przyczynie przepływu prądu, termodyfuzji, nie będziemy terazmówić...

jdn=qDndnd x

jdp=−qDpdpd x

Pierwszą przyczyną przepływu prądujest dyfuzja. Jej składowe możemy zapisaćtak (D

p i D

n to stałe dyfuzji):

“Normalny” przepływ prądu pod wpływem pola elektrycznego nazywa sięprądem unoszenia. E oznacza natężenie pola elektrycznego, a ruchliwośćnośników:

jun=qnnE jup=qppE

Ruch nośników w półprzewodnikuRównanie Einsteina

W temperaturze pokojowej UT wynosi około 25.8mV.

Dla obu rodzajów nośników współczynnik dyfuzji i ruchliwość są związanerównaniem Einsteina:

D=kTq

D=UT

Parametry typowychpółprzewodników

struktura diamentu

struktura blendy cynkowej

Zależność przewodnictwaod temperatury Zależności przewodnictwa

półprzewodnika od temperaturyma bardzo duże znaczenie praktyczne.

Przy zmianach temperatury zmieniają sięn=n(T), p=p(T), 

n=

n(T), 

p=

p(T)

W półprzewodniku samoistnym koncentracja zmienia się z temperaturąbardzo silnie (eksponent!)  i przewodnictwo 

i=q n

i

n

p

rośnie ze wzrostem temperatury praktycznie tak, jak rośnie koncentracja

Zależność przewodnictwaod temperatury

Przy małym zakresie zmian temperatury używa się często względnegowspółczynnika zmian koncentracji (i przewodnictwa) wyważonego w %/K

niT =AT

3

2 exp−Eg

2 k T

przy temperaturze 300K dla krzemu współczynnik ten wynosi około 8.3%/K

d niT

d T

ni

=1

T1.5

Eg

2 k T

Zależność przewodnictwa półprzewodnikówdomieszkowanych od temperatury

ln()

1/T

częściowajonizacjadomieszek

domieszkizjonizowane

nośniki samoistneprzeważają

1/500K 1/10K

Przykład zależności przewodnictwa półprzewodnika domieszkowanegood odwrotności temperatury.  

Termistor NTC(Negative Temperature Coefficient)

Termistory NTCcharakteryzują się tym,

że z wzrostem temperaturyich rezystancja spada

Termistor NTCTypowe materiały:● Termistory manganowo – niklowe: NiO + Mn

2O

3 + SiO

2

● Termistory manganowo – kobaltowe: CoO + Mn2O

3 + Bi

2O

3

Typowe zastosowania:

Termistor NTCTypowe zastosowania:

Termistor NTCTypowe zastosowania:

Termistor PTC(Positive Temperature Coefficient)

Termistory PTCcharakteryzują się tym,

że z wzrostem temperaturyich rezystancja rośnie

Termistor PTCTypowe materiały:● BaTiO3 + domieszki tlenków La, Bi, Sb● NbBaTiO3 + SrTiO3+ 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● ...

TermistoryZastosowania

● 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 analogowo­cyfrowymi. 

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/