Click here to load reader

Przyrządy półprzewodnikowe cz.1

  • View
    224

  • Download
    4

Embed Size (px)

Text of 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