Wykład IIRodzaje półprzewodników

Wybrane materiały stosowane w produkcji przyrządów półprzewodnikowych

Półprzewodnik

Szerokośćpasma

zabronionego[eV] 300K

Ruchliwość[cm2/Vs]

Względna stała

dielektryczna

Kondukt. cieplna

[WmK-1]

Krzem 1,12 1500 11,7 1,45

German 0,66 3900 16,0 0,55

Arsenek galu 1,43 8600 13,1 0,44

Antymonek galu

0,67 4000 15 0,33

Arsenek indu 0,33 33000 - 0,27

Fosforek indu 1,29 6000 1,1 0,68

Antymonek indu

0,16 70000 - 0,17

Materiały Grupy IV

Im mniejsza Eg tym większa odległość do najbliższych sąsiadów d

Atom Eg (eV) d (Å)

C 6.0 2.07

Si 1.1 2.35

Ge 0.7 2.44

Sn (półmetal) 0.0 2.80

Pb ( metal) 0.0 1.63str wurcytu

Materiały IV grupy

• C, Si, Ge, Sn - struktura diamentu

• Pb – struktura fcc

bcc fccfcc - face centered cubicbcc – body centered cubic

Komórka elementarna struktury blendy cynkowej

Półprzewodniki atomowe• C (diament), Si, Ge, Sn (tzw. szara cyna lub α-Sn)

Wiązanie tetraedryczne w strukturze diamentu.

Każdy atom ma 4 najbliższych sąsiadów.

wiązanie: sp3 kowalencyjne.

• Również niektóre pierwiastki V i VI grupy są półprzewodnikami!

P

S, Se, Te

Związki III-V

III V

B N

Al P

Ga As

In Sb

Tl nie używane Bi

BN, BP, BAs; AlN, AlP, AlAs, AlSb

GaN, GaP, GaAs, GaSb; InP, InAs, InSb,….

Związki III-V• zastosowania: detektory IR, diody LED, przełączniki

• BN, BP, BAs; AlN, AlP, AlAs, AlSb

GaN, GaP, GaAs, GaSb; InP, InAs, InSb,….

Eg maleje zaś d rośnie w dół tablicy UOP Wiązanie tetraedryczne! Struktura blendy cynkowej. Niektóre związki

(B i N ): struktura wurcytu

Wiązanie: mieszane, kowalencyjno-jonowe

Blenda cynkowa Wurcyt

Widok z góry (wzdłuż osi c) i z boku struktury wurcytu

Związki II-VIII VI

Zn O

Cd S

Hg Se

Mn Te

nie używany Po

ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe; CdS, CdSe, CdTe

HgS, HgSe, HgTe, wybrane związki z Mn….

• zastosowania: detektory IR, diody LED, przełączniki

ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe; CdS, CdSe, CdTe

HgS, HgSe, HgTe (półmetale); związki z Mn

Eg maleje zaś d rośnie w dół tablicy UOP

Duże przerwy wzbr.! (za wyjątkiem związków z Hg które są półmetalami z zerową przerwą.

Wiązanie tetraedryczne! Niektóre blenda cynkowa, niektóre str. wurcytu

Wiązanie: bardziej jonowe niż kowalencyjne

Związki II-VI

Związki IV- IV

IV

C

Si

Ge

Sn

SiC Inne: GeC, SnC, SiGe, SiSn, GeSn – nie można zrealizować lub nie są półprzewodnikami

SiC: blenda cynkowa (półprzewodnik), heksagonalna gęsto upakowana (duża przerwa, izolator).

IV VI

C O

Si S

Ge Se

Sn Te

Pb

PbS, PbTe, PbSe, SnS

Inne: SnTe, GeSe, nie można zrealizować lub nie są półprzewodnikami

Związki IV- VI

Związki IV-VI • zastosowania: detektory IR, przełączniki

• PbS, PbTe struktura blendy cynkowej

• Inne:~ 100% wiązania jonowe

Małe przerwy(detektory IR)

• W większości izolatory: NaCl, CsCl,

• Brak wiązań tetraedrycznych

~ 100% wiązania jonowe

• Struktura typu CsCl lub NaCl

Duże przerwy wzbronione

lk=12

Związki I-VII

lk=8

Tlenki

• Izolatory (duże przerwy wzbronione)

• Niektóre są półprzewodnikami: CuO, Cu2O, ZnO

niezbyt dobrze rozumiane, nieliczne zastosowania (poza ZnO m.in.. przetwornik ultradźwiękowy,

fotowoltaika (partner typu n do CdTe typu p /lub materiał organiczny typu p !)

• W niskichT, niektóre tlenki są nadprzewodnikamiWiele wysokotemp. nadprzewodników jest wykonane na bazie La2CuO4 (Tc~

135K)

Półprzewodniki z prostą i skośną przerwą wzbronioną

E(k) (relacja dyspersji) dla krzemu

a) E(k) dla Si i GaAs b)Powierzchnia stałej energii dla Si, w pobliżu 6 minimów pasma przewodnictwa w kierunku punktu X..

E(k) dla Si i GaAs

E(k) (relacja dyspersji) dla germanu

E(k) (relacja dyspersji) dla GaAs i AlAs

Historia Isamu Akasaki

1985 monokryształ GaN na szafirze

1989 niebieska LED p-n GaN, p-typ otrzymany poprzez bombardowanie elektronami GaN:Mg, (prototyp)

Shuji Nakamura

1993 – pierwsza zielona, niebieska, fiolet. i biała (o wysokiej jasności) LED na GaN (epitaksjalna warstwa MOCVD na szafirze),(wodór pasywuje akceptory),

masowa produkcja

1995 –pierwszy biało-niebieski laser na GaN ze studnią kwantową

GaN przegląd

kryształ GaNwww.phy.mtu.edu/yap/images/galliumnitride.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Gallium_nitride

Stała sieci 300K

a0 = 0.3189

nm

c0 = 0.5185

nm

gęstość 300K 6.095 g.cm-3

Epiwarstwa GaN na szafirze

http://pl.wikipedia.org/wiki/Azotek_galu

Wurcyt

GaN struktura pasmowa i I strefa Brillouina

GaNWytrzymały na duże pole elektryczne: 3MV/cm

Wytrzymały na duże pole elektryczne: 3MV/cm

Odporność na wysoką temp. (duża przerwa)

Odporność na wysoką temp. (duża przerwa)

Duża gęstość prąduDuża gęstość prądu

Duża szybkość przełączaniaDuża szybkość przełączania

Widmo promieniowania i energie wzbronione

Ga

PAs

GaAs(1+x) Px

GaAs(1+x) Px

Izolatory topologiczne

• PbSnSe i PbSnTe• Dla przyszłych zastosowań elektronicznych kluczową cechą tych

materiałów jest bardzo duże przewodnictwo elektryczne ich powierzchni. Jest to rezultat właśnie tych szczególnych, topologicznych, właściwości elektronowych stanów powierzchniowych przewodzących prąd, które uniemożliwiają rozpraszanie elektronów. Oczekuje się, że taka ochrona topologiczna pozwoli na znacznie szybszy przepływ prądu elektrycznego i wydatne zmniejszenie wydzielania ciepła w układach mikro- i nanoelektronicznych. Egzotyczne własności kwantowe stanów elektronowych, a zwłaszcza sprzężenie ruchu orbitalnego elektronów z ich spinowym momentem magnetycznym budzi także nadzieję na nowe zastosowania takich powierzchniowych prądów spinowych w spintronice - nowej gałęzi elektroniki, rozwijanej także w IF PAN.

ChalkopirytStruktura ABC2

Czerwone i żółte sfery – metalZielone – anion - niemetal – każdy anion ma w sąsiedztwie 2 atomy metalu A i 2 atomy metalu B

Zwykle dAC<dBC, - struktura naprężona

(Cu,Ag) –(Al,Ga,In) (S,SeTe)2

Np. CuInS2 , CuInSe2 CuGaSe2

(fotoogniwa)

Delafosyt

I-III-O2

Np. TCO (transparent conductive oxide):

(Cu, Ag) (Al,Ga,In)O2

CuGaO2

Struktura NiAs – półprzewodniki magnetyczne (MnAs)

Atomy metalu – czerwone kule; tworzą strukturę hcp (hexagonal closed packed)Atomy półprzewodnika – zielone kule

Perovskity

1. Ferroelektryki – polaryzacja ferroelektryczna wynika z przesunięcia jonów1. LaAlO3 –podłoża2. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe

Ca (Ba,Sr)Ti O3

Stop

Nie – i uporządkowany (typu CuPt)