Przyrządy półprzewodnikowe cz.1

WEEIiA E&T

Przyrzdy

pprzewodnikowe

wykad 30 godz.

laboratorium 30 godz

Prof. Zbigniew Lisik

pokj: 116

e-mail: [email protected]

Katedra Przyrzdw Pprzewodnikowych

i Optoelektronicznych

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Cz 1

T

T

T

Metal Pprzewodnik Izolator

bardzo maa rednia bardzo dua

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Co to s pprzewodniki ?

1. s krysztaami,

2. mog to by:

pprzewodniki atomowe jak:

Si, Ge, C-diamond

zwizki pprzewodnikowe :

GaAs, InSb, SiC, GaN

3. kiedy s czyste, ich rezystancja jest w przedziale

wartoci rednich

Cz 1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Podstawowe pprzewodniki:

Si - krzem

Ge - german

GaAs - arsenek galu

SiC - wglik krzemu

GaN - azotek galu

Ge-Si - krzemo-german

Cz 1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Cz 1

Struktura krysztau model energetyczny

- elektron

+

W W3

W2

W1

+

+

R

W W3

W2

W1

pojedynczy

atom

atomy w

krysztale

Zakaz Pauliego elektrony musza by rozrnialne

R

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Struktura krysztau krzemu tak zwana

struktura diamentu

Wizanie krystaliczne pomidzy

2 atomami

Wizanie powstaje kiedy 2 atomy s

tak blisko, e dwa ich elektrony

walencyjne staj si wsplne, co

prowadzi do pojawienia si si

przycigania o naturze kwantowej

atom A atom B

elektrony

Cz 1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Molekua dwuatomowa

Wizanie 2-elektronowe

Cz 1

Struktura krysztau krzemu tak zwana

struktura diamentu

Wizanie krystaliczne pomidzy

2 atomami

Wizanie powstaje kiedy 2 atomy s

tak blisko, e dwa ich elektrony

walencyjne staj si wsplne, co

prowadzi do pojawienia si si

przycigania o naturze kwantowej

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Si

3D 2D

Si Si

Cz 1

Struktura krysztau krzemu tak zwana

struktura diamentu

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

T = 0 K Jeeli temperatura krysztau jestT = 0K, wtedy wszystkie elektrony

walencyjne uczestnicz w

wizaniach atomowych

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

W3

W2

W1

Pasmo Przewodzenia

Pasmo Walencyjne

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

Temperatura krysztau moe jednak

wzrosn i wtedy T> 0K.

Jeeli elektronowi walencyjnemu jest

przekazana wystarczajca energia,

moe on opuci swoj pozycj w

wizaniu i sta si wolnym elektronem.

T = 0 K

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

Jeeli temperatura krysztau jest

T = 0K, wtedy wszystkie elektrony

walencyjne uczestnicz w

wizaniach atomowych

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

Elektron walencyjny uzyskujc

odpowiedni energi opuszcza

wizanie i staje si elektronem

swobodnym.

T > 0 K

Taki wolny elektron porusza si w

krysztale bez adnych ogranicze

i jest nazywany elektronem

przewodnictwa w przeciwiestwie

do elektronw w wizaniach

okrelanych jako elektrony

walencyjne

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

T > 0 K

Wolne miejsce w strukturze wiza

jest nazywane dziur i rwnie

moe porusza si w krysztale w

rezultacie przeskokw elektronw

walencyjnych od wizania do

wizania.

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

Elektron walencyjny uzyskujc

odpowiedni energi opuszcza

wizanie i staje si elektronem

swobodnym.

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

T > 0 KElektrony przewodnictwa nie s zwizane z adnym wizaniem i mog

swobodnie przemieszcza si w

krysztale. Poniewa posiadaj one

adunek ujemny ich przemieszczanie

moe tworzy prd elektryczny

Dziury nie s zwizane z adnym konkretnym wizaniem i mog

swobodnie przemieszcza si w

krysztale. Poniewa dziura oznacza

brak elektronu, jest ona zwizane z

lokalnym nadmiarem adunku

elektrycznego +q. Ten adunek

przemieszcza si razem z dziur

tworzc prd elektryczny.

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

Omawiany proces jest okrelany

mianem generacji pary dziura-

elektron i ma on swj model

energetyczny:

WC

WV

Wg = Wc - Wv

T > 0 K

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

WC

WV

Wg = Wc - WvPasmo walencyjne

Pasmo przewodzenia

Pasmo zabronione

WC

WV

Elektrony fermiony

speniajce zakaz Pauliego

Cz 1

Struktura krysztau krzemu model 2D

Omawiany proces jest okrelany

mianem generacji pary dziura-

elektron i ma on swj model

energetyczny:

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Domieszki w krzemie T = 0K

SiSiSiSi

SiSiGaSi

SiAsSiSi

SiSiSiSi akceptory

As donory

GaIII grupa Mendelejewa

Ga, B, Al

V grupa Mendelejewa

As, Sb, P

Cz 1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiGa-Si

SiAs+SiSi

SiSiSiSi

Domieszki w krzemie T > 0K

Ga

As

akceptor

donor

Energia jonizacji domieszek

jest bardzo maa

Wi

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

SiSiSiSi

SiSiGa-Si

SiAs+SiSi

SiSiSiSiWC

WV

WA

WD

Model energetyczny:

Cz 1

Domieszki w krzemie T > 0K

Energia jonizacji domieszek

jest bardzo maa

Wi

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Koncentracja domieszek w pprzewodniku

domieszkowanym

Typy pprzewodnikw

Na > Nd pp0 > np0 typ p

Na < Nd pn0 < nn0 typ n

Na = Nd p0 = n0 = ni typ i

Bilans adunku:nd + Na + nT = pT + Nd + pa

n0 + Na = p0 + Nd

Cz 1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Rwnowagowa koncentracja nonikw

Stan rwnowagi termodynamicznej

n0 , p0

Stan systemu bdcego w staej temperaturze bez

wymiany energii z otoczeniem okrelany jako

warunki adiabatyczne.

Koncentracja rwnowagowa

elektronw i dziur, n0 i p0,

jest wynikiem rwnowagi

pomidzy procesami generacji

i anihilacji:

gdT=rdT i gT=rT

WC

WV

WA

WDrTgT

gdT rdT

Typ n

Cz 1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Jest ona stosowana do opisu zjawisk fizycznych, w ktrych

uczestniczy dua ilo elementw np. zjawiska w gazach,

ktre mona traktowa jako zbr czstek (moleku).

Zjawisko jest opisywane przez parametry, ktre

reprezentuj zachowanie zbioru elementw odnoszc si

do rednich wartoci wielkoci opisujcych pojedyncze

elementy

Temperatura rednia energia kinetyczna moleku

Cinienie rednia prdko moleku

Cz 1

Fizyka statystyczna

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Zbir elementw jest scharakteryzowany przez funkcj

prawdopodobiestwa f(W) okrelajc prawdopodobie-

nstwo tego, e rozwaany parametr pojedynczego

elementu ma konkretn warto.

W podejciu klasycznym funkcja

prawdopodobiestwa ma tak

posta, e odpowiada jej dzwonowy

rozkad wartoci parametru z

wartoci maksymaln

odpowiadajc wartoci redniej.

Cz 1

Fizyka statystyczna

f(W)

Wav W

Boltzman distribution

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Jeeli chcemy wiedzie jak wiele czsteczek (np.

elektronw) ma swoja warto w przedziale ,

wystarczy obliczy cak:

dW f(W) N(W) n 2

1

W

W

gdzie:

N(W) funkcja gstoci stanw (N(W) = N w

ujciu klasycznym)

f(W) prawdopodobiestwo, e stan o energii

W jest zajty

Cz 1

Fizyka statystyczna

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Podejcie klasyczne rozkad Bolzmanna

kT

W exp f(W)

1 kT

W-Wexp

1 f(W)

F

Cz 1

Fizyka statystyczna

WF energia Fermiego (poziom Fermiego)

Podejcie kwantowe rozkad Fermi-Diraca

f(W)

Wr W

f(W)

WF W

0.5

1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Aproksymacja klasyczne (W WF) > 2kT

Podejcie kwantowe rozkad Fermi-Diraca

1 kT

W-Wexp

1 f(W)

F

WF energia Fermiego (poziom Fermiego)

kT

W-Wexp f(W) F

Cz 1

Fizyka statystyczna

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Fizyka statystyczna

Aproksymacja klasyczna (W WF) > 2kT

Jeeli takie podejcie moe by zastosowane do wyznaczenia

koncentracji elektronw i dziur w pprzewodniku, taki

pprzewodnik okrela si jako niezdegenerowany

kT

W-Wexp f(W) F

Tylko takie pprzewodniki s rozwaane w tym wykadzie

Cz 1

Podstawy Fizyki Pprzewodnikw

Klasyczne podejcie dla elek