ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΠΡΩΤΗ ΕΝΟΤΗΤΑ ΟΜΟΓΕΝΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ

Transcript

1 ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΠΡΩΤΗ ΕΝΟΤΗΤΑ ΟΜΟΓΕΝΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΤΑΙΝΙΕΣ : Ηλεκτρονική δομή των ενεργειακών ταινιών Ε(k) διαφόρων ημιαγωγών Άμεσο και έμμεσο ενεργειακό χάσμα Ταινία αγωγιμότητας και ηλεκτρόνιαταινία σθένους και οπές ΟΜΟΓΕΝΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ (ομοιόμορφη συγκέντρωση προσμίξεων) ΕΝΔΟΓΕΝΕΙΣ: Συγκεντρώσεις φορέων Στάθμη Fermi ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ: Δότες-Αποδέκτες Ενδοχασματικές καταστάσεις Συγκεντρώσεις φορέων Στάθμη Fermi 1

2 1.Οι συνηθέστερες κρυσταλλικές δομές των ημιαγωγών i. Το πυρίτιο Si, το γερμάνιο Ge, ο άνθρακας C, είναι ημιαγωγοί ενός στοιχείου της στήλης IV του περιοδικού πίνακα (ο ημιαγωγός SiGe είναι κράμα Si και Ge) ii. Υπάρχει πληθώρα ημιαγωγικών ενώσεων III-V που αποτελείται από τα στοιχεία της στήλης III και V του περιοδικού πίνακα, π.χ. GaAs, IP, IGaAs, IGaAsP. Σημαντικότερη θέση κατέχει το αρσενικούχο γάλλιο GaAs. iii. Υπάρχουν και οι ημιαγωγικές ενώσεις II-VI, π.χ : CdS, ZS, CdSe κλπ (βλέπε παρακάτω πίνακα) Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (ΙCs) κατασκευάζονται κατά 98% από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο Si και 2% από το GaAs. Οι συνηθέστερες κρυσταλλικές δομές για τα περισσότερα ημιαγωγικά υλικά είναι: 1. Κρυσταλλική δομή Si, Ge: έχουν την κυβική δομή του διαμαντιού Mοναδιαία κυψελίδα Si, Ge : περιέχει 8 άτομα, δηλ. υπάρχουν άτομα σε κάθε γωνία και στο κέντρο της κάθε πλευράς του κύβου όπως και στην δομή FCC, υπάρχουν εντούτοις τέσσερα επιπλέον άτομα μέσα στην κυψελίδα 2. Κρυσταλλική δομή GaAs: έχει την κυβική δομή του θειούχου ψευδαργύρου Κρυσταλλική δομή GaAs : Η μοναδιαία κυψελίδα είναι κυβική, με κρυσταλλική δομή όμοια μ αυτήν του διαμαντιού, αλλά τα άτομα Ga και As καταλαμβάνουν εναλλάξ τις θέσεις του πλέγματος (περιέχει 8 άτομα). Η δομή αυτή ονομάζεται Δομή θειούχου ψευδαργύρου. 2

3 Ημιαγωγός πυριτίου (ή γερμανίου) Ηλεκτρονική δομή ατόμου Si: [ 1s 2s 2p ]3s 3p 2 Στο στερεό Si κάθε άτομο έχει 4 τροχιακά, υβριδικά του τύπου sp 3, μ ένα ηλεκτρόνιο ανά τροχιακό. Κάθε άτομο συνδέεται με τα τέσσερα πλησιέστερα γειτονικά άτομα στις κορυφές ενός τετραέδρου που έχει ως κέντρο το εξεταζόμενο άτομο (με ομοιοπολικούς δεσμούς). Παρακάτω φαίνεται η τετραεδρική διάταξη των ατόμων Si Το βασικό τετράεδρο Si κάθε άτομο και τα 4 πλησιέστερα άτομα (με τις ατομικές συντεταγμένες) Σχηματική αναπαράσταση αυτού στο επίπεδο Ατομική πυκνότητα Si : άτομα cm 3 3

4 Συνέπειες της κρυσταλλικής περιοδικότητας στην κίνηση των ηλεκτρονίων: Eξάρτηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων σθένους (δεσμικά ηλεκτρόνια) και των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας (ελεύθερα), δηλαδή των σχέσεων διασποράς Ε C= Ε C (k) και Ε V= Ε V (k), από τον προσανατολισμό της κρυσταλλικής ορμής k κατά μήκος χαρακτηριστικών αξόνων του αντίστροφου χώρου, μέσα στη πρώτη ζώνη Brilloui Πρώτη ζώνη Brilloui του FCC πλέγματος: Σημείο Γ αντιστοιχεί στο κέντρο της ζώνης Brilloui (k=0), και τα σημεία Χ και L αντιστοιχούν στο τέλος της ζώνης κατά μήκος των διευθύνσεων [100] και [111]. Η διεύθυνση π.χ. η [111] συμβολίζεται και ως <111>). 2.Γενικά χαρακτηριστικά των σχέσεων διασποράς* της ταινίας αγωγιμότητας και της ταινίας σθένους, Ε C= Ε C (k) και Ε V= Ε V (k), αντίστοιχα, και τα ενεργειακά χάσματα Εg των ημιαγωγών (Τ=0Κ): Οι σχέσεις Ε C= Ε C (k) και Ε V= Ε V (k) παρουσιάζουν ακρότατα σε σημεία ή κατά μήκος διευθύνσεων υψηλής συμμετρίας Η υψηλότερη πλήρως κατειλημμένη ταινία σθένους Τ. Σ. παρουσιάζει ακρότατο για k=0, δηλαδή Ε Vmax =Ε V (k=0) Η αμέσως επόμενη ενεργειακά, η ταινία αγωγιμότητας Τ. Α. μπορεί να έχει ελάχιστο είτε για k=0, είτε για k 0, δηλαδή 1. Ε Cmi= Ε C (k=0) άμεσο ενεργειακό χάσμα* 2. Ε Cmi= Ε C (k 0) έμμεσο ενεργειακό χάσμα* 4

5 3.Ηλεκτρονική δομή των ενεργειακών ταινιών (απεικόνιση Ε(k)) για διάφορους ημιαγωγούς Λεπτομερής δομή των ενεργειακών ταινιών (ή ζωνών) των κυριότερων ημιαγωγών: Si, και Ge (έμμεσο ενεργ. χάσμα), GaAs (άμεσο ενεργ. χάσμα). Οι οριζόντιοι ημιάξονες δίνουν το κυματοδιάνυσμα k (θετικό) σε διαφορετικές διευθύνσεις στην Πρώτη Ζώνη Brilloui : συγκεκριμένα στις διεθύνσεις (100) και (111) Διάνυσμα κύματος k Διαγράμματα E-k κατά μήκος των διευθύνσεων <100> και <111> για τους ημιαγωγούς Ge, Si, GaAs. H Eνέργεια μετράται ως προς την κορυφή της T.Σ. το σημείο 2 π 2π (001) λέγεται σημείο Χ, το σημείο a a λέγεται σημείο L Ενεργειακή συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στην Ταινία αγωγιμότητας- Ενεργός μάζα Στο Si, οι ακμές Ε C (ισοδύναμα ελάχιστα που είναι σε αριθμό έξι) της ταινίας αγωγιμότητας αντιστοιχούν στο κυματοδιάνυσμα k 0 =0,85Χ (βλέπε παραπάνω σχήμα), έχουν ισοενεργειακές επιφάνειες που είναι ελλειψοειδή από περιστροφή, με το μεγάλο άξονα παράλληλα προς τους κρυσταλλικούς άξονες <100> στην 5

6 πρώτη ζώνη του Brilloui (βλέπε παρακάτω σχήματα).επομένως, για την ενεργό μάζα των ηλεκτρονίων στο Si θα έχουμε m * = m * = m * = 0,89 m, m * = m * = 0,19m X y T o Ζ L o όπου m* L και m* T είναι η διαμήκης και η εγκάρσια ενεργός μάζα, αντίστοιχα και m 0 =9,1x10-31 Kg. Η σχέση που δίνει τη μέση ενεργό μάζα είναι: 3 1 * 2 * * * 3 e = L Τ T Mέση ενεργός μάζα του ηλεκτρονίου στην Τ. Α.: m, dos M ( m m m ) όπου Μ είναι ο αριθμός των ισοδυνάμων ελαχίστων της ταινίας αγωγιμότητας. Η m* e, dos χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της πυκνότητας των καταστάσεων στην ταινία αγωγιμότητας. Η παραπάνω σχέση ισχύει και για το Ge με Μ=8. Παράδειγμα υπολογισμού για το Si: Στο GaAs οι ακμές της ταινίας αγωγιμότητας έχουν σφαιρικές ισοενεργειακές επιφάνειες, οπότε η ενεργός m e * είναι ισοτροπική (ίδια για όλες τις διευθύνσεις), διαφορετική όμως από τη μάζα του ελεύθερου ηλεκτρονίου m 0 στον κενό χώρο. Ισοενεργειακές επιφάνειες των ακμών της ταινίας αγωγιμότητας των ημιαγωγών Si, Ge, GaAs στον αντίστροφο χώρο. Τιμές των (m L */m 0 ) και (m* T /m 0 ) για τον υπολογισμό της ενεργού μάζας του ηλεκτρονίου m e *,dos για τους ημιαγωγούς Si, Ge, GaAs Υλικό K 0 (m* L /m 0 ) (m* T /m 0 ) Si 0,85X 0,89 0,19 Ge 1,00L 1,58 0,081 GaAs Γ(k=0) 0,067 0,067 GaP 0,92X 7,25 0,21 6

7 (Άσκηση: Να υπολογίσετε την μέση ενεργό μάζα του ηλεκτρονίου στο γερμάνιο) Ενεργειακή συμπεριφορά των οπών στην Ταινία σθένους-ενεργός μάζα οπής Και στους τρεις παραπάνω ημιαγωγούς έχουμε : Ε Vmax =Ε V (k=0) οι ακμές αντιστοιχούν σε ισοενεργειακές επιφάνειες που είναι σφαίρες, η ενεργός μάζα των οπών m* h είναι αρνητική όπως προκύπτει από την παράγωγο της σχέσης διασποράς Δηλαδή τα θετικά φορτία που απομένουν στην ταινία σθένους μετά τη διέγερση ηλεκτρονίου, συμπεριφέρονται ως «ελεύθερες» οπές (Ε=p 2 /2 m* h ), αλλά με αρνητική ενεργό μάζα m* h μάζας ελεύθερου ηλεκτρονίου Υπάρχουν δύο διαφορετικοί κλάδοι Ε V (k) στις υψηλότερες ενέργειες της ταινίας σθένους. Η ενεργός μάζα που υπολογίζεται είναι διαφορετική για κάθε κλάδο. Έτσι έχουμε βαρειές οπές και ελαφρές οπές με ενεργές μάζες * m hh και * m lh Ένας επιπλέον κλάδος Ε V (k) εξαιτίας της αλληλεπίδρασης σπιν και τροχιάς * * 2 * 2 3 V = lh + hh H μέση ενεργός μάζα της οπής στην Τ.Σ. είναι : m,dos ( m m ) Τιμές των (m* hh /m 0 ) και (m* lh /m 0 ) για τον υπολογισμό της ενεργού μάζας της οπής, m h *,dos για τους ημιαγωγούς Si, Ge, GaAs. Υλικό (m* hh /m 0 ) (m* lh /m 0 ) Si 0,54 0,15 Ge 0,28 0,04 GaAs 0,45 0,082 GaP 0,67 0,17 Τιμές ενεργού μάζας των ηλεκτρονίων m e *,dos και των οπών m h *,dos για τον υπολογισμό της πυκνότητας καταστάσεων στις ταινίες αγωγιμότητας και σθένους Υλικό (m e *,dos/m 0 ) (m h *,dos/m 0 ) Si 1,08 0,56 Ge 056 0,29 GaAs 0,067 0,047 7

8 4. Οπτικές διαταινιακές μεταβάσεις 1. Άμεσο ενεργειακό χάσμα άμεση μετάβαση Σε ημιαγωγούς με άμεσο χάσμα π.χ. GaAs (το Ε Vmax =Ε V (k=0) και Ε Cmi= Ε C (k=0), δηλ. βρίσκονται στο k=0) είναι δυνατή η διέγερση ηλεκτρονίων από την Ταινία σθένους στην Ταινία αγωγιμότητας, δηλαδή η δημιουργία ζεύγους ηλεκτρονίου-οπής με απορρόφηση φωτονίων που έχουν ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα E. Δεν αλλάζει η ορμή (hk) του συστήματος g ηλεκτρονίου οπής (κατακόρυφη μετάπτωση). (α) (β) α) Άμεση μετάβαση β) Ενεργειακές ταινίες στο GaAs (άμεσο ενεργειακό χάσμα) 2. Έμμεσο χάσμα έμμεση μετάβαση Σε ημιαγωγό με έμμεσο ενεργειακό χάσμα, π.χ. Si (το Ε Vmax =Ε V (k=0) και Ε Cmi= Ε C (k 0), βρίσκονται σε διαφορετικά k), η διέγερση ηλεκτρονίου από το μέγιστο της ταινίας σθένους στο ελάχιστο της ταινίας αγωγιμότητας απαιτεί αλλαγή στο k που επιτυγχάνεται με τη συμμετοχή ενός φωνονίου. Αυτό γιατί η ορμή του φωτονίου είναι πολύ μικρότερη απ αυτή του ηλεκτρονίου (φωτόνιο λ Å -1,ηλεκτρόνιο k π/a 1Å -1 και p=e/c=h/λ) 8

9 Ισχύει : h ω =E g + h Ω, ένα φωτόνιο ενέργειας h ω απορροφάται με τη δημιουργία τριών σωματιδίων: ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στην Τ.Α, μία ελεύθερη οπή στην Τ.Σ. και ένα φωνόνιο ενέργειας h Ω. (Λόγω της μεγάλης μάζας των ατόμων, φωνόνια με μικρές ενέργειες h ω έχουν μεγάλη ορμή) α) Έμμεση μετάβαση β) Ενεργειακές ταινίες σε έμμεσο ημιαγωγό Οπτικές Διαταινιακές μεταβάσεις: Απορρόφηση φωτονίων Διέγερση Αποδιέγερση Εκπομπή Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία η παραγωγή ηλεκτρονίων και οπών από την απορρόφηση φωτονίων είναι η πιο σημαντική διαδικασία. Η πιθανότητα απορρόφησης ενός φωτονίου με ενέργεια απορρόφησης α ( h ω) τη γεωμετρία του. 9 h ω καθορίζεται από το συντελεστή, που είναι ξεχωριστή ιδιότητα κάθε υλικού ανεξάρτητα από Στις οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές σημαντικότερη είναι η αποδιέγερση ή επανασύνδεση που γίνεται πάντα με ηλεκτρόνια και οπές που βρίσκονται σε ενέργειες κοντά στα όρια της αντίστοιχης ταινίας. Η πιθανότητα μία επανασύνδεση να γίνει με εκπομπή φωτονίου με ενέργεια ίση με το εύρος του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, είναι πολύ μεγαλύτερη για άμεσο ενεργειακό χάσμα. Η εκπομπή φωτονίου στην επανασύνδεση είναι απαραίτητη σε εφαρμογές όπως οι δίοδοι ηλεκτροφωταύγειας (Light Emmitig Diodes, LEDs) και οι δίοδοι laser.

10 5.Σχηματική παράσταση ενδογενούς ημιαγωγού και ενδογενούς αγωγιμότητας Στην ενότητα αυτή θα εξετάσουμε την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός καθαρού ημιαγωγικού κρυστάλλου (για Τ>>0Κ) σύμφωνα με το μοντέλο του ομοιοπολικού δεσμού ή ατομιστικού μοντέλου, καθώς και στο μοντέλο των ενεργειακών ταινιών. Ενδογενείς (i = itrisic) Ημιαγωγοί : Δίχως προσμίξεις και πλεγματικές ατέλειες. Συγκέντρωση ηλεκτρονίων: i = p i :συγκέντρωση οπών Α) Β) Σχηματική αναπαράσταση του ατομιστικού μοντέλου Σχήμα Α) i.σπάσιμο του δεσμού Α και δημιουργία ελεύθερου ηλεκτρονίου με ενεργό μάζα m e *, ii. έλλειψη ενός ηλεκτρονίου, δηλαδή εμφάνιση οπής και θετικό φορτίο παραμένει στο δεσμό Α. Σχήμα Β) iii. «Ελεύθερο» ηλεκτρόνιο εξουδετερώνει την οπή του δεσμού Α iv. Νέα οπή δημιουργείται στο δεσμό Β με τη διέγερση ηλεκτρονίου, v. Έτσι και η οπή «κυκλοφορεί ελεύθερα» αλλά με διαφορετική ενεργό μάζα m* h 10

11 Στο μοντέλοο των Ε.Τ. Σχηματική αναπαράσταση του μοντέλου των ενεργειακών ζωνών ή ταινιών Ηλεκτρόνιο διεγείρεταιι από την Τ. Σθένους (δεσμόςς Α) στην Τ. Αγωγιμότητας («κυκλοφορώντας ελεύθερο»), με ενεργό μάζα διαφορετική από τη ενεργό μάζα της οπής που δημιουργήθηκε στην ταινία σθένους (δεσμός Α). 6.Συγκέντρωση φορέων στους ενδογενείς ημιαγωγούς : 0 0, p 0 και θέση της στάθμης Fermi E F (E Fi ) Ενδογενείς (i = itrisic) ημιαγωγοί : Δίχως προσμίξεις και πλεγματικές ατέλειες. Συγκέντρωση ηλεκτρονίων: i = p i :συγκέντρωση οπών Δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων-οπών λόγω θερμικής διέγερσης των ηλεκτρονίων από την ταινία σθένους στην ταινία αγωγιμότητας (συνήθως λαμβάνεται Ε V =0) 11

12 Πυκνότητα φορέων =πυκνότητα καταστάσεων x πιθανότητα κατάληψης Συγκέντρωση ηλεκτρονίων στην ταινία αγωγιμότητας: = = g( E) f( E) d( E) i o E c Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι όλες οι ενεργειακές καταστάσεις της T.Α. έχουν ενέργεια E και αυτές της T.Σ. ενέργεια E. Οι συγκεντρώσεις φορέων c v υπολογίζονται τότε, αν είναι γνωστή η θέση της στάθμης Fermi με την βοήθεια ισοδύναμων πυκνοτήτων καταστάσεων N, N για την T.Α. και την c v T.Σ. αντίστοιχα και της στατιστικής Fermi ή της προσέγγισης Boltzma. Ενεργειακό διάγραμμα, πυκνότητα καταστάσεων, κατανομή Fermi και συγκέντρωση φορέων (δεξιά) για ενδογενή ημιαγωγό σε θερμική ισορροπία EC + EV EF E i = pi EF E EF >> kt f( E) = exp 2 kt Η πιθανότητα κατάληψης μειώνεται εκθετικά (ουσιαστικά μας ενδιαφέρει ο πυθμένας της ταινίας αγωγιμότητας) = = N f( E ) i o c C E E = = N exp για E >> Ε και < 0,15 F c o i o c C F kt Nc Μ 12

13 3/2 3/2 * * e 21 e 3 cm 2 π h mo m kt T m όπου Nc = 2 = 4, των καταστάσεων της ταινίας αγωγιμότητας είναι η ενεργός πυκνότητα Παρόμοια για τη συγκέντρωση των οπών στην ταινία σθένους E V [ ] p = p = g( E) 1 f( E) d( E) i o E E p p = p = N exp για Ε >> E, < 015 v F o i o v F V kt Nv 3/2 3/2 * * h 21 h 3 cm 2 π h mo m kt T m όπου Nv = 2 = 4,83 10 είναι η ενεργός πυκνότητα 2 των ενεργειακών καταστάσεων της ταινίας σθένους «νόμος δράσης των μαζών» 2 EV EC EG -6 i = po. 0 = NCNvexp = NCNvexp cm kt kt το γινόμενο της συγκέντρωσης των φορέων είναι ανεξάρτητο από τη θέση της στάθμης Fermi. H θέση της στάθμης Fermi προσδιορίζεται από τη συνθήκη ηλεκτρικής ουδετερότητας * Ec + Ev kt N v Ec + Ev 3 m h EF = + l = + kt l E * Fi (όταν i <<N c, N v ) 2 2 Nc 2 4 me Ec + Ev EG Συνήθως ο λόγος Ν v /N c ~1 EF 2 2 και η στάθμη Fermi βρίσκεται κοντά στο μέσον του ενεργειακού χάσματος Η ενδογενής συγκέντρωση σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία 13 3/2 kt i m pi m 2 mh me Eg kt 2π h 3 3 * * 3/4 ( ) = ( ) = 2 ( ) exp ( /2 ) * * 3/4 21 3/2 mm h e 3 T 2 ( Eg kt) = 4,83 10 exp / cm m Όπου m e * και m h * είναι οι τιμές της ενεργού μάζας των ηλεκτρονίων και των οπών, αντίστοιχα.

14 Τιμές των N c, N v, i, Eg για τους ημιαγωγούς Si, Ge, GaAs. Τ= 300K Si Ge GaAs N c (cm -3 ) 2,80x ,04x ,7x10 17 N v (cm -3 ) 1,04x ,0x ,0x10 18 i (cm -3 ) 1,02x ,4x0 13 1,8x10 6 Eg (ev) 1,12 0,67 1,42 Παράδειγμα : Να υπολογίσετε την ενδογενή συγκέντρωση i στο Si στους 300Κ. Ο ι τιμές της ενεργού μάζας των ηλεκτρονίων m e *,dos και των οπών m h *,dos είναι 1,08m 0 και 0,56m 0, αντίστοιχα. Λύση Με αντικατάσταση έχουμε: * π me kt 2 π x(1,08x9,1x10 Kg)(1,38x10 JK (300 K) Nc = = 34 2 h (6,63X10 Js) = 2,8x10 m = 2,8x10 cm * π mh kt 2 π x(0,56x9,1x10 Kg)(1,38x10 JK (300 K) Nv = = 34 2 h (6,63X10 Js) = 1,05x10 m = 1,05x10 cm 3/2 3/2 3/2 3/2 E 1, = ( N N ) exp = [(2,8x10 )(1,05x10 )] exp =1,02x10 cm 2kT 2x0, G i C v Παράδειγμα : Να υπολογίσετε το i στους 450Κ για το GaAs με βάση τα δεδομένα του παραπάνω πίνακα. Λύση Ο ι τιμές του kτ και του γινομένου (Ν C.N V ) στους 450Κ είναι: kτ=450x8,62x = 0,03879 ev, και Ν C.N V = (4,7x10 )(7,0x10 )( ) 300 EG 450 1, 42 i = NCNvexp = (4, 7x10 )(7,0x10 )( ) exp =1,40x10 cm kt 300 0, =3,74x10 cm i το i αυξήθηκε πάνω από 4 τάξεις μεγέθους για μία αύξηση της θερμοκρασίας των 150Κ 14

15 Εξάρτηση της ενδογενούς συγκέντρωσης φορέων από τη θερμοκρασία για το Si και το GaAs Εξάρτηση του Εg και Ε F από τη θερμοκρασίαα σε ενδογενή ημιαγωγό 15

16 7.Εξωγενείς Ημιαγωγοί Προσμίξεις Ανάλογα με τον τύπο πρόσμιξης μπορούμε να έχουμε ημιαγωγό τύπου με αγωγιμότητα που οφείλεται σχεδόν αποκλειστικά σε ηλεκτρόνια ή ημιαγωγό τύπου p με αγωγιμότητα που οφείλεται σχεδόν αποκλειστικά στις οπές. ημιαγωγός τύπου Σχηματική αναπαράσταση ενός ημιαγωγού πυριτίου (Si) τύπου- όπου ένα άτομο Si έχει αντικατασταθεί από ένα άτομο πρόσμιξης φωσφόρου (P): α) Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και β) Σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (Τ>>0Κ), όπου το άτομο P είναι ιονισμένο (θετικό ιόν). Διάγραμμα ενεργειακών ταινιών (Ε D ~0,045-0,05eV) Προσμίξεις τύπου δότη π.χ. P, As, Sb, περίσσεια ηλεκτρονίων; προσφορά αγώγιμων ηλεκτρονίων (Εg του Si=1,1eV) 16

17 ημιαγωγός τύπου p Αναπαράσταση ενός ημιαγωγού Si τύπου-p όπου ένα άτομο Si έχει αντικατασταθεί από ένα άτομο πρόσμιξης βορίου (B): α) Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. β) Σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (Τ>>0Κ), όπου τo άτομο της πρόσμιξης είναι ιονισμένo (αρνητικό ιόν). Διάγραμμα ενεργειακών ταινιών (Ε Α ~0,045eV) Προσμίξεις τύπου αποδέκτη π.χ. Β, Ι,Ga (έλλειμμα ηλεκτρονίων) περίσσεια οπών; προσφορά αγώγιμων οπών 17

18 Σχηματική απεικόνιση ενδοχασματικών καταστάσεων δοτών (Ε D ) και αποδεκτών (E A ) στα ενεργειακά διαγράμματα ημιαγωγών τύπου και τύπου p Ημιαγωγός τύπου. Όταν οι δότες ιονίζονται χάνουν ένα ηλεκτρόνιο το οποίο διεγείρεται σε κάποια ενεργειακή κατάσταση της T.Α. Οι μη ιονισμένοι δότες είναι ουδέτεροι στην θεμελιώδη κατάσταση (δηλ.τ=0κ). Οι ιονισμένοι είναι θετικά φορτισμένοι. Οι στάθμες προσμίξεων σχεδιάζονται στα ενεργειακά διαγράμματα με παύλες, όλες σε ενέργεια E D, και όχι με συνεχόμενη γραμμή για να υπενθυμίζεται ο εντοπισμένος χαρακτήρας των κυματοσυναρτήσεων των καταστάσεων αυτών (η διαφορά E c - E D είναι η ενέργεια ιονισμού του δότη, η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να προσφέρουμε στο ηλεκτρόνιο αυτό για να διεγερθεί στην Τ.Α. του ημιαγωγού). Ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν από ένα άτομο πρόσμιξης σε άλλο χωρίς να διεγερθούν στην Τ.Α Ημιαγωγός τύπου p. Τα άτομα αποδεκτών σε ενέργεια E A είναι ουδέτερα στην θεμελιώδη κατάσταση (Τ=0Κ). Φορτίζονται αρνητικά όταν κάποιο από τα ηλεκτρόνια της Τ.Σ. διεγερθεί και καταλάβει τη διαθέσιμη κατάσταση του αποδέκτη αφήνοντας μία ευκίνητη οπή στην Τ.Σ. Μπορούμε να σκεφτούμε ισοδύναμα την διέγερση αυτή σαν τη διέγερση οπής από το άτομο αποδέκτη προς την Τ.Σ. Υπενθυμίζουμε ότι το ενεργειακό διάγραμμα για τις οπές είναι ανάποδο από αυτό του σχήματος άρα πρέπει να δαπανήσουμε ενέργεια για να διεγείρουμε οπή από εντοπισμένη κατάσταση αποδέκτη σε ενέργεια E A προς κάποια κατάσταση της Τ.Σ. Ο ιονισμός του αποδέκτη είναι λοιπόν η 18

19 απελευθέρωση μιας οπής που είναι λογικό, σα θετικό σωματίδιο που είναι, να αφήνει πίσω ένα αρνητικό ιόν. Ατομικές συγκεντρώσεις προσμίξεων της τάξεως του 10-6, δηλαδή ένα άτομο δότη ή αποδέκτη για ένα εκατομμύριο άτομα Si, είναι αρκετές για να αλλάξουν σημαντικά τις ηλεκτρικές ιδιότητες του ημιαγωγού. Η μέση απόσταση μεταξύ ατόμων πρόσμιξης είναι τότε της τάξης των 100 σταθερών πλέγματος. Οι φορείς πλειονότητας καθορίζουν την αγωγιμότητα του ημιαγωγού στην οποία ελάχιστα συμβάλουν οι φορείς μειονότητας χωρίς αυτό να σημαίνει ότι πρέπει να τους αγνοούμε πάντα. Πραγματικές ενδοχασματικές καταστάσεις διαφόρων προσμίξεων ντοπαρίσματος σε Si και GaAs 19

20 8.Συγκέντρωση φορέων στους εξωγενείς ημιαγωγούς και Στάθμη Fermi Η προσθήκη προσμίξεων μετατοπίζει την θέση της στάθμης Fermi πρακτικά σ όλο το εύρος του ενεργειακού χάσματος. Αν είναι γνωστή η θέση της στάθμης E μπορούμε να υπολογίσουμε τις συγκεντρώσεις των φορέων και το F ποσοστό κατάληψης κάθε ενεργειακής στάθμης με γνωστή ενέργεια. Ενεργειακό διάγραμμα, πυκνότητα καταστάσεων, κατανομή Fermi και συγκέντρωση φορέων (δεξιά) για ημιαγωγό τύπου και ημιαγωγό τύπου p σε θερμική ισορροπία Συγκέντρωση ηλεκτρονίων και οπών στους εξωγενείς ημιαγωγούς Εξακολουθούν να ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις E E = N kt F c 0 c exp 20

21 πλην όμως η θέση της στάθμης του Fermi E F τώρα δε δίνεται από τη σχέση που ισχύει για τον ενδογενή ημιαγωγό, αλλά η θέση της εξαρτάται από τη συγκέντρωση των προσμίξεων στον ημιαγωγό, όπως θα δούμε. Παρόμοια για τη συγκέντρωση οπών E po = Nv exp v E kt F ενώ εξακολουθεί να ισχύει ο «νόμος δράσης των μαζών p = NNexp E / kt = ( ) 2 o o c v g i ανεξάρτητα από την προέλευση των φορέων και από τη θέση της στάθμης Ε F Μπορούμε να πάρουμε μιαν άλλη έκφραση για τις εξισώσεις που δίνουν τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων και οπών ως εξής: ( EC EFi) + ( EF EFi ( EC EFi) ( EF EFi) 0 = Ncexp = Ncexp exp kt kt kt Όπου Ε Fi (ή Ε i ) είναι η ενδογενής στάθμη Fermi. H ενδογενής συγκέντρωση i είναι: ( EC EFi) i = Ncexp kt ( EF EFi) 0 = i exp kt Παρόμοια για τη συγκέντρωση των οπών p 0 ( EF EFi) = i exp kt H θέση της στάθμης Fermi με αναφορά την ενδογενή στάθμη Fermi για ημιαγωγό τύπου και τύπου p: 0 EF EFi = ktl i 21

22 E E p ktl 0 Fi F = i Θέση της στάθμης Fermi α) σε ημιαγωγό τύπου (N D >N A ), E F >E Fi και b) σε ημιαγωγό τύπου p (N A >N D ), E F <E Fi Υπολογισμός της συγκέντρωσης των φορέων για δεδομένη συγκέντρωση δοτών ή αποδεκτών σε ημιαγωγό Α) Ημιαγωγός τύπου, η συγκέντρωση των δοτών είναι N D >> i και E D <<Ε G μπορούμε να παραλείψουμε τα «ενδογενή» ηλεκτρόνια (αυτά δηλαδή που διεγείρονται θερμικά από την T.Σθένους στην Τ. Αγωγιμότητας), οπότε έχουμε για τους φορείς πλειoνότητας =N D. Η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στην ταινία αγωγιμότητας ( ) δεν μεταβάλλεται σημαντικά με τη θερμοκρασία, έχουμε τη λεγόμενη εξωγενή συνθήκη κορεσμού. Επιπλέον, υποθέτουμε ότι η θέση της στάθμης Fermi βρίσκεται αρκετά κάτω από το άκρο της ταινίας αγωγιμότητας ώστε να ισχύει η συνθήκη (E c -E F )>>kt, αν δηλαδή η συγκέντρωση των δοτών N D <N c /2. 22

23 Η συγκέντρωση των φορέων πλειονότητας προκύπτει από τη σχέση EF Ec = ND = Ncexp kt Και η συγκέντρωση των φορέων μειονότητας p i i = i = = ND p p Η θέση της στάθμης E F : ( ) E-E = ktln /N ή F c D c N D EF EFi = ktl i Στο Ge π.χ. (για Τ=300Κ) πρέπει να ισχύει η συνθήκη m -3 <N D <10 25 m -3, γιατί όταν N D <10 20 m -3 δεν μπορούμε να παραλείψουμε τα «ενδογενή» ηλεκτρόνια. Παράδειγμα :Υπολογισμός της συγκέντρωσης φορέων και της στάθμης Fermi για δεδομένη συγκέντρωση προσμίξεων Θεωρείστε δισκίδιο από ημιαγωγό πυριτίου τύπου στους 300K με Ν D =10 16 cm -3 και Ν Α =0. Η ενδογενής συγκέντρωση φορέων είναι i =1,5x10 10 cm -3. Λύση: = N D =10 cm 16 3 p (1, 5x10 ) = = = = 2, 25x10 cm i i 16 ND N D 10 EF EFi = ktl =0,0259l( ) = 0,347 ev 10 i 1, 5x10 E E = E / 2 0,347 = 0,553 0,347 = 0, 206eV 23 c F g N 10 ή αν δίνεται το N, E -E = ktl( ) = 0,0259l( ) = 0,206eV 16 D c F c 19 Nc 2,8x10

24 Β) Ημιαγωγός τύπου, το N D είναι της τάξης μεγέθους του i και ταυτόχρονα ισχύει N D <<N C, Η θέση της στάθμης Fermi θα είναι σαφώς απομακρυσμένη από την ακμή της ταινίας αγωγιμότητας (αν το ενεργειακό χάσμα E G >>kt), οπότε είναι εύλογο να υποθέσουμε ότι όλες οι προσμίξεις θα είναι ιονισμένες. εξίσ. ηλεκτρικής ουδετερότητας p = N D εξίσ. νόμου δράσης μαζών p = 2 i Από το παραπάνω σύστημα δύο εξισώσεων έχουμε: ND ND = ( ) i 2 και p = 2 i Για N D > i και ταυτόχρονα N D <N c έχουμε: 2 2 i i ND + και p N N D D Παρόμοιες σχέσεις ισχύουν για τις συγκεντρώσεις των φορέων πλειονότητας p P και μειονότητας p σε ημιαγωγό τύπου p. Παράδειγμα:Υπολογισμός της συγκέντρωσης φορέων και στάθμης Fermi για δεδομένη συγκέντρωση προσμίξεων Θεωρείστε ημιαγωγό γερμανίου τύπου στους 300K με Ν D =5x10 13 cm -3 και Ν Α =0. Η ενδογενής συγκέντρωση φορέων είναι i =2,4x10 13 cm -3. Λύση: p x10 5x ND ND = + + ( i) = ( 2,4x10 ) = 5,97x10 cm i (2,4x10 ) 12 3 = = = 9,65x10 cm 13 5,97x ,97x10 EF EFi = ktl =0,0259l( ) = 0,024eV 13 i 2, 4x10 E -E = E / 2 0,024 = 0,335 0,024 = 0,311eV c F g 24

25 Μεταβολή της θέσης της στάθμης Fermi ως προς τις ακμές των ταινιών (Ε C, Ε V ) σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση προσμίξεων N d σε ημιαγωγό τύπου και N a σε ημιαγωγό τύπου p. Προσοχή! Mε την προσθήκη επιπλέον προσμίξεων (π.χ. δοτών ή αποδεκτών) στον ημιαγωγό, δηλαδή με εμπλουτισμό του ντοπαρίσματος, η θέση της στάθμης Fermi μετακινείται προς τις ακμές των ενεργειακών ταινιών αγωγιμότητας ή σθένους (δηλ. ενισχύεται ο εξωγενής χαρακτήρας του ημιαγωγού) Μεταβολή της θέσης της στάθμης Fermi σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία για διαφορετική συγκέντρωση προσμίξεων σε ημιαγωγό τύπου και τύπου p Προσοχή! 25

26 Mε την αύξηση της θερμοκρασίας η θέση της στάθμης Fermi μετακινείται προς το κέντρο του ενεργειακού χάσματος (δηλ. ενισχύεται ο ενδογενής χαρακτήρας του ημιαγωγού), και ταυτόχρονα μειώνεται το ενεργειακό χάσμα Ε G 9. ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ Συμβαίνει πολύ συχνά στις ημιαγωγικές διατάξεις να έχουμε παρουσία και των δύο τύπων προσμίξεων, δηλαδή δοτών και αποδεκτών. Αν η θέση της στάθμης Fermi, παρουσία και των δύο τύπων προσμίξεων, είναι η ίδια με τον ενδογενή ημιαγωγό, έχουμε πλήρη αντιστάθμιση και συμβαίνει όταν N D =N. Αν έχουμε παρουσία και των δύο τύπων προσμίξεων σε διαφορετικές A συγκεντρώσεις, τότε η αντιστάθμιση δεν είναι πλήρης. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τότε την ενεργό συγκέντρωση προσμίξεων που ορίζεται αυστηρά μεν σαν τη συγκέντρωση ενός μόνο τύπου που δίνει την ίδια στάθμη Fermi, στην πράξη όμως δεν διαφέρει ουσιαστικά από: N D,ενεργός = N D N A άν N > N >> =N cm D A i D, ενεργός 3 N A,ενεργός = N A N D άν N > N >> p =N cm A D i p A, ενεργός 3 Μπορούμε να υπολογίσουμε τη θέση της στάθμης Fermi για ημιαγωγό τύπου με αναφορά την Ε C (ή την Ε Fi ) άν N D > N A >> i από τις σχέσεις : EC EF = kt l = kt l N C N D, ενεργ ός N C N ή EF E ktl D, ενεργ ός Fi = i 26

27 ή παρόμοια τη θέση της στάθμης Fermi για ημιαγωγό τύπου p από τις σχέσεις: pp N A, ενεργ ός EF EV = kt l = kt l N N N A, ενεργ ός ή EFi EF = ktl i V V Παράδειγμα:Θεωρείστε ημιαγωγό πυριτίου τύπου στους 300K με ομοιόμορφη νόθευση, ο οποίος περιέχει άτομα αντιμονίου ανά cm 3, δηλαδή η συγκέντρωση των δοτών είναι Ν D =10 16 cm -3 (η συγκέντρωση των 17 αποδεκτών είναι Ν Α =0). Ο ημιαγωγός αυτός νοθεύεται με 210 x άτομα βορίου ανά cm 3 17 (δηλαδή, η συγκέντρωση των αποδεκτών είναι Ν Α = 210 x cm -3 ). Να υπολογίσετε τη θέση της στάθμης Fermi ως προς την ενδογενή στάθμη Fermi. Η ενδογενής συγκέντρωση φορέων είναι i =2,4x10 13 cm -3. Λύση Η αρχική νόθευση αντισταθμίζεται και μέσω της αντιστάθμισης των προσμίξεων, ο ημιαγωγός μετατρέπεται από τύπου σε τύπου p (έχει περίσσεια αποδεκτών). H ενεργός συγκέντρωση αποδεκτών είναι : N A, ενεργ ός = N A ND = 2x10-1x10 =1,9x10 cm 17 3 Ισχύει ότι N >> p = 1,9x10 cm A, ενεργ ός i p E E kt p kt N p A, ενεργ ός Fi F = l = l = i i 1, 9x10 (0,0259eV) l( 1, 5x )=-0,42eV Παράδειγμα:Υπολογισμός της συγκέντρωσης προσμίξεων σε μερικώς αντισταθμισμένο ημιαγωγό για να πάρουμε μια ορισμένη θέση της στάθμης Fermi Ημιαγωγός πυριτίου περιέχει συγκέντρωση αποδεκτών Ν Α = cm -3. Να υπολογίσετε πόση πρέπει να είναι η συγκέντρωση των δοτών που θα προσθέσουμε έτσι ώστε ο ημιαγωγός να γίνει τύπου και η θέση της στάθμης να είναι 0,20eV κάτω από την άκρη της ταινίας αγωγιμότητας (Ν C = ,8x10 cm, T=300K) 27

28 Λύση N D, ενεργ ός NC NC EC EF = kt l( ) = kt l( ) = kt l( ) = kt l( ) N N N N N C C D, ενεργ ός D A ( EC EF) ND NA = NC exp( ) kt 0, 20 ND NA = 2,8x10 exp [ ] = 1, 24x10 cm 0, N = 1,24x10 + N = 1,24x = 2,24x10 cm D A Υπολογισμός της συγκέντρωσης φορέων και στάθμης Fermi στην προσέγγιση του πλήρους ιονισμού σε εξωγενής ημιαγωγό τύπου με + - μερικώς αντισταθμισμένες προσμίξεις, Ν D ND, Ν A NA και λαμβάνοντας τη συνεισφορά της ενδογενούς συγκέντρωσης i Εξωγενής ημιαγωγός τύπου, N D > N A, φορείς πλειονότητας p φορείς μειονότητας + NA = p + ND, εξίσ. ηλεκτρ. ουδετερότητας 2 p = i, εξίσ. νόμου δράσης μαζών Από το παραπάνω σύστημα δύο εξισώσεων έχουμε: N 2 2 1/2 D NA i = + ( ND NA) + 4 i 2 και p = EC EF NC = NC exp( ) EF = EC ktl kt 2 28

29 Υπολογισμός συγκέντρωσης φορέων και στάθμης Fermi στην προσέγγιση του πλήρους ιονισμού σε εξωγενή ημιαγωγό τύπου p με + - μερικώς αντισταθμισμένες προσμίξεις, Ν D ND, Ν A NΑ και λαμβάνοντας τη συνεισφορά της ενδογενούς συγκέντρωσης i Εξωγενής ημιαγωγός τύπου p, N A > N D, p p φορείς πλειονότητας p + NA = pp + ND, εξίσ. ηλεκτρ. ουδετερότητας 2 ppp = i, εξίσ. νόμου δράσης μαζών Από το παραπάνω σύστημα δύο εξισώσεων έχουμε: p φορείς μειονότητας N 2 2 1/2 A ND pp = + ( NA ND) + 4 i 2 και E E N pp = Nvexp( ) EF = EV + ktl kt p V F V Στην περίπτωση: N >>N + 2 p N N p p = p A D i p A D N A 4 i i i D = pp = Α >> i pp = NA + p = 2 NA NA NA Αν: N 0 1 1, Aν: Ν, 2 i p 29

30 10. Μεταβολή της συγκέντρωσης των φορέων πλειονότητας με τη θερμοκρασία Συγκέντρωση ηλεκτρονίων σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία σε -τύπου ημιαγωγό A: Περιοχή «ψύξης» σε πολύ χαμηλές θερμοκρα ασίες Εξάρτηση από τη θερμοκρασία, μέχρι να ιονιστούνν όλοι οι Δότες Ισχύουν οι σχέσεις: + << N για -τύπου N D 0 Β Περιοχή «εξωγενούς αγωγιμότητας» γύρω από R.T. Ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία λόγω ιονισμού όλων των Δοτών Η συνεισφορά των ενδογενών φορέων είναι ασήμαντη Ισχύουν οι σχέσεις: + N, N N N D + D D + N D - N A >> i (N - N ) << (N D + (N D - N A) >> i A A A D - N A), p 0 = 2 i 0 30

31 2 i 0 (N D - N A), p0 = 0 Επιθυμούμε το εύρος της περιοχής Β να είναι όσο το δυνατόν πιο μεγάλο (είναι ανάλογο του Ε G ) Γ: Περιοχή «ενδογενούς αγωγιμότητας» σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες Εξάρτηση από τη θερμοκρασία λόγω σημαντικής συνεισφοράς των ενδογενών φορέων Έχουμε ενδογενή συμπεριφορά (και πλήρη ιονισμό των προσμίξεων) Ισχύουν οι σχέσεις: + N N, N N D D A A i >> N + D - N A 0 p0 i Οι ηλεκτρονικές διατάξεις λειτουργούν στην περιοχή εξωγενούς αγωγιμότητας, το θερμοκρασιακό εύρος της οποίας θέλουμε να είναι μεγάλο. 31

32 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Η έννοια της αγωγιμότητας με το μοντέλο των ενεργειακών ταινιών και το ατομικιστικό μοντέλο Για κάθε διεγειρόμενο ηλεκτρόνιο στην ταινία αγωγιμότητας αφήνεται πίσω ένα έλλειμμα σ έναν από τους ομοιοπολικούς δεσμούς, ή στις ενεργειακές ταινίες (ζώνες), μία μη κατειλημμένη (κενή) κατάσταση στην ταινία σθένους. Κάτω από την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, η θέση αυτή του απουσιάζοντος ηλεκτρονίου στο εσωτερικό του κρυσταλλικού πλέγματος μπορεί να θεωρηθεί ως μετακινούμενη, λόγω της κίνησης των άλλων ηλεκτρονίων σθένους που επαναλαμβανόμενα τοποθετούνται στον ασυμπλήρωτο δεσμό. Aυτή η διαδικασία διευκολύνεται με τη θεώρηση ενός απουσιάζοντος ηλεκτρονίου σθένους, ως ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο που ονομάζεται οπή. Η οπή θεωρείται ότι έχει θετικό φορτίο, ίσο απόλυτα προς το φορτίο του ηλεκτρονίου, δηλαδή (+1,6x10-19 Cb, και με φαινόμενη μάζα (ενεργός) m h * λίγο μικρότερη από τη φαινομένη μάζα του ηλεκτρονίου m e *. Επομένως, με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου τα διεγειρόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές μετακινούνται σε αντίθετες διευθύνσεις (στο σχήμα παριστάνεται σχηματικά η κίνηση αυτή: ένα ηλεκτρόνιο από γειτονικό προς την οπή δεσμό, μετακινείται και εξουδετερώνει την οπή. Τότε όμως ενώ η οπή αυτή θα εξαφανιστεί, στη θέση που έφυγε το ηλεκτρόνιο, θα εμφανιστεί μία άλλη. Έτσι φαίνεται σαν να κινήθηκε η οπή προς αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που κινήθηκε το ηλεκτρόνιο). Βέβαια όταν δεν υπάρχει εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, οι κινήσεις αυτές είναι τυχαίες. Σχηματική παράσταση της κίνησης των οπών σε ενδογενές πυρίτιο στο μοντέλο του ομοιοπολικού δεσμού : α), β), γ), δ) μετά τη διέγερση για Τ>>0Κ, οι επακόλουθες κινήσεις της οπής ως απόκριση σε εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο ( δεν παριστάνεται η κίνηση του ελεύθερου ηλεκτρονίου). Το ενεργειακό διάγραμμα ενδογενούς ημιαγωγού σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες του απολύτου μηδενός απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. Η θερμική ενέργεια διεγείρει ηλεκτρόνια από την ταινία σθένους στην ταινία αγωγιμότητας, οπότε δημιουργούνται ελεύθερα ηλεκτρόνια στην ταινία αγωγιμότητας και ισάριθμες οπές στην ταινία σθένους. Η 32

33 ύπαρξη μιας εξωτερικής πηγής τάσης αναγκάζει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται στην ταινία αγωγιμότητας σε αντίθετη διεύθυνση μ αυτή του εξωτερικού πεδίου, και τις οπές να κινούνται στην ταινία σθένους προς τη διεύθυνση του πεδίου. Επειδή η θερμική ροή προκαλεί τη δημιουργία πολλών ζευγών ηλεκτρονίων-οπών, παρατηρούμε μόνιμη ροή ηλεκτρονίων αγωγιμότητας (στην ταινία αγωγιμότητας) και ισάριθμων οπών στην ταινία σθένους. Δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων-οπών λόγω θερμικής διέγερσης των ηλεκτρονίων από την ταινία σθένους στην ταινία αγωγιμότητας (συνήθως λαμβάνεται Ε V =0) και β) μετατόπιση ηλεκτρονίων και οπών με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Συμπερασματικά στους ημιαγωγούς υπάρχουν δύο δρόμοι κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων. Ο συνήθης δρόμος των ελεύθερων ηλεκτρονίων στην ταινία αγωγιμότητας και ο δεύτερος δρόμος στην ταινία σθένους που κινούνται οι οπές. 11.Γενικά για τις ιδιότητες των κρυστάλλων Si, GaAs Οι κρύσταλλοι Si 1). Είναι τα καθαρότερα και με τις λιγότερες δομικές ατέλειες από τα κρυσταλλικά υλικά που μπορεί να κατασκευάσει ο άνθρωπος. 2). Το E = g 1.1eV, είναι ικανοποιητικό για διατάξεις που λειτουργούν στην θερμοκρασία περιβάλλοντος 3). Ευκολία κατασκευής δομών κλίμακας μικρόμερου (μm) και ακόμα μικρότερες (m). 4) Το οξείδιο του πυριτίου, SiO, που 2 αναπτύσσεται στην επιφάνειά του με οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία διαβρώνεται επιλεκτικά με χημική αντίδραση με οξέα, μεταξύ του Si και του 33

34 SiO 2. Για αυτούς τους λόγους το Si χρησιμοποιείται κατά κόρον (98%) στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, ΙCs. 5.To Si απορροφά το μεγαλύτερο μέρος του ηλιακού φάσματος, οπότε χρησιμοποιείται σε όλα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με εξαίρεση τις διαστημικές εφαρμογές Οι κρύσταλλοι GaAs Το ιδανικό χάσμα του GaAs, 1.4eV, και η μεγάλη ευκινησία των φορέων (πολύ μεγαλύτερη του Si) το φέρνουν στην πρώτη θέση των επιλογών για φωτοβολταϊκά στοιχεία, όμως το κόστος κατασκευής είναι πολύ μεγάλο. Λόγω του άμεσου ενεργειακού χάσματος χρησιμοποιείται στην Οπτοηλεκτρονική. Υπενθύμιση Δομή των ενεργειακών ταινιών στα μέταλλα, ημιαγωγούς και μονωτές Απλοϊκή παράσταση: Δομή ενεργειακών ταινιών και θέση στάθμης Fermi για τις τρεις κατηγορίες υλικών Στα μέταλλα η στάθμη Fermi βρίσκεται μέσα στην ταινία σθένους που επικαλύπτεται με την ταινία αγωγιμότητας, δηλαδή τα ηλεκτρόνια σθένους είναι και ηλεκτρόνια αγωγιμότητας. Στους ημιαγωγούς και μονωτές η στάθμη Fermi 34

35 βρίσκεται μέσα στο ενεργειακό χάσμα Ε G, διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το μέγεθος του Ε G Βιβλιογραφία 1. D. Neame, Semicoductor physics ad devices 2. S.O.Kasap, Aρχές ηλεκτρονικών υλικών και διατάξεων, Δεύτερη έκδοση, Παπασωτηρίου. Εξετάσεις: Καλή κατανόηση Ενεργειακό χάσμα (άμεσο και έμμεσο), οπτικές διαταινιακές ματαβάσεις Υπολογιστικά προβλήματα σχετικά με τη συγκέντρωση των φορέων και τη θέση της στάθμης παρόμοια με τα παραδείγματα 35