Κεφάλαιο 3 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 2

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Ημιαγωγοί Δίοδος Επαφής Κεφάλαιο 3 ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας SI Techology ad Comuter Architecture ab ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση 1. Φράγμα δυναμικού. Ενεργειακές ζώνες Ημιαγωγοί 3. Πυκνότητα ρεύματος Αγωγιμότητα 4. Νοθευμένοι ημιαγωγοί 5. Νόμος μαζών 6. Ρεύμα διάχυσης 7. Βαθμωτοί ημιαγωγοί Επαφή 8. Πολωμένη Επαφή 9. Χαρακτηριστική ρεύματος τάσης τάσης επαφής Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 1

2 Q Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Δυναμικό q F x Q q Fx (1) x x 0 4(x x 0) x 0 Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου (Ε) = η δύναμη που ασκείται στη μονάδα θετικού φορτίου F x qe x Δυναμικό () μεταξύ δύο σημείων Α (x 0 ) και Β (x) = το έργο που καταναλώνεται όταν η μονάδα θετικού φορτίου κινείται από το Α στο Β x x 0 E x dx Δυναμική Ενέργεια: U = q. (e) () (3) (4) Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 3 Φράγμα Δυναμικού d + d x Ενέργεια q d Α 0 d Β x d W Κινητική Ενέργεια 1 1 W mu0 Ux mux σταθ. Δυναμική Ενέργεια U d Συνολική Ενέργεια W x Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 4

3 Ενεργειακές Ζώνες Ενέργεια Ελεύθερα Ηλεκτρόνια Δέσμια Ηλεκτρόνια Πηγάδι Δυναμικού Εκφυλισμός Si 14 Si Πυρήνας E G Κενή Ζώνη Αγωγιμότητας Απαγορευμένη Ζώνη Πλήρης Ζώνη Σθένους Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 5 Μονωτές Ημιαγωγοί Μέταλλα E G ΜΟΝΩΤΕΣ Ζώνη ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Ελεύθερα ΜΕΤΑΛΛΑ Αγωγιμότητας Ηλεκτρόνια Απαγορευμένη Ζώνη E G Ζώνη Αγωγιμότητας γ Ζώνη Σθένους Οπές Ζώνη Σθένους Ελεύθερο Ηλεκτρόνιο Si Οπή Ομοιοπολικός Δεσμός Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 6 3

4 Κρυσταλλική Δομή Πυριτίου Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 7 Μέταλλα Πυκνότητα Ρεύματος Α E #e = Ταχύτητα Μετατόπισης: Το ρεύμα των e θα είναι: q I T u E μ = ευκινησία e qu (5) (6) Πυκνότητα Ρεύματος: (Ολίσθησης) όπου: A J I A qu qu A η συγκέντρωση e (7) (8) Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 8 4

5 Μέταλλα Αγωγιμότητα Έτσι: J qu qe E (9) q όπου: η αγωγιμότητα του υλικού (10) I JA EA A (3) R Ν.Ohm (11) R A A (1) όπου: όπου: ( 3) E 1 η ειδική αντίσταση Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 9 Αγωγιμότητα Καθαρών Ημιαγωγών Θερμική Ισορροπία συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων () = συγκέντωση οπών () i (13) όπου i η φυσική συγκέντρωση Υπό την παρουσία πεδίου Ε, η πυκνότητα ρεύματος ολίσθησης είναι: J q( )E E (14) όπου: q( ) ( i η αγωγιμότητα του ημιαγωγού (15) 13) q ( ) (16) Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 10 5

6 Νοθευμένοι Ημιαγωγοί Ελεύθερο Ηλεκτρόνιο As +5 Ημιαγωγοί τύπου Δότες ή προσμίξεις τύπου : είναι οι προσμίξεις που δίνουν ηλεκτρόνια Si Ημιαγωγοί τύπου Ηλεκτρικά Ουδέτεροι Ημιαγωγοί Δέκτες ή προσμίξεις τύπου : είναι οι προσμίξεις που δίνουν οπές Si Οπή B +3 Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 11 Νόμος Μαζών Σε θερμική ισορροπία ισχύει: (17) i Νόμος Μαζών Ο νόμος ισχύει είτε ο ημιαγωγός είναι νοθευμένος είτε όχι. Έστω Ν ησυγκέντρωσηδοτώνκαιν Α η συγκέντρωση δεκτών σε κρύσταλλο ημιαγωγού. Για να διατηρηθεί αυτός ηλεκτρικά ουδέτερος θα πρέπει να ισχύει: Εάν Ν Α =0, τότε επειδή Ν >> : από (17) i A Παρόμοια αν Ν =0 Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 1 i (18) A 6

7 Ιδιότητες Ημιαγωγών Σε φυσικό ημιαγωγό θερμοκρασίας ζευγών οπών/ηλεκτρονίων i A 0 T 3 e EG0 kt (19) E G0 το ενεργειακό χάσμα Σε φυσικό ημιαγωγό θερμοκρασίας κινητικότητας μ της αγωγιμότητας σ ( ζευγών ) Σε νοθευμένο ημιαγωγό θερμοκρασίας αγωγιμότητας σ Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 13 Διάχυση Ρεύμα Διάχυσης (0) (x) x=0 x Βαθμωτός Ημιαγωγός J Πυκνότητα Ρεύματος Διάχυσης: d J q (0) dx d Παρόμοια για την περίπτωση ( J q βαθμίδας συγκέντρωσης ηλεκτρονίων dx ) όπου, η σταθερά διάχυσης T kt q Εξίσωση Eistei (1) όπου T το θερμικό δυναμικό ( Si: T =0.059 ) Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 14 7

8 Συνολικό Ρεύμα (0) E (x) Βαθμωτός Ημιαγωγός Αν στον ημιαγωγό υπάρχει ταυτόχρονα εκτός από τη βαθμίδα συγκέντρωσης και μια βαθμίδα δυναμικού (ηλεκτρικόλ ό πεδίο έντασης Ε), ) τότε το συνολικό ρεύμα οπών θα είναι το άθροισμα του ρεύματος μετατόπισης (ολίσθησης) και του ρεύματος διάχυσης. x=0 x J J J Συνολική Πυκνότητα Ρεύματος Οπών q E q d dx () F Παρόμοια για τα ηλεκτρόνια: d J JF J qe q (3) Συνολική Πυκνότητα Ρεύματος Ηλεκτρονίων dx Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 15 Βαθμωτοί Ημιαγωγοί (Ι) (0) Ε (x) Βαθμωτός Ημιαγωγός Σε θερμική ισορροπία και χωρίς την έγχυση εξωτερικών φορέων δεν μπορεί να σταθερή κίνηση ίηη φορτίων. Συνεπώς πρέπει να υπάρχει ένα Ηλεκτρικό Πεδίο (Ε), ως αποτέλεσμα της μη ομοιογενούς νόθευσης, το οποίο δημιουργεί ένα ρεύμα ίσο και αντίθετο προς το ρεύμα διάχυσης. x=0 x Η συνολική Πυκνότητα Ρεύματος θα είναι: J d dx JF J qe q (4) Στη θερμική ισορροπία J =0 όπου Ε το εσωτερικό πεδίο Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 16 8

9 Βαθμωτοί Ημιαγωγοί (ΙΙ) Σε θερμική ισορροπία J =0 άρα: 1 x 1 x T d ( 1),(4) E Edx T Eistei dx d (5) d d (3),(5) d T d T 1 1 d ( 3) E dx T l (6) Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 17 Βαθμωτοί Ημιαγωγοί (ΙΙΙ) 1 T (7) ( 6) 1 e Εξίσωση Boltzma για οπές παρόμοια για ηλεκτρόνια: 1 1 e T (8) Εξίσωση Boltzma για ηλεκτρόνια 11 Νόμος Μαζών Βαθμωτών Ημιαγωγών Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 18 9

10 Επαφή Βαθμίδας Βήματος Τύπου Ν Α Επαφή Ν Τύπου T l 0 x 1 x 1 A (18) i 0 A (9) T l Δυναμικό Επαφής i Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 19 Επαφή Ανοικτού Κυκλώματος (Ι) Οπές Ιόντα Δέκτη Ιόντα Δότη Ένωση Τύπου W 0 W Τύπου Ηλεκτρόνια Περιοχή Απογύμνωσης Η διάχυση οπών προς τα δεξιά και ηλεκτρονίων προς τα αριστερά δημιουργεί μία περιοχή κενή από κινητά φορτία, εξ αιτίας της ένωσης οπών ηλεκτρονίων, την περιοχή απογύμνωσης. Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 0 10

11 Επαφή Ανοικτού Κυκλώματος (ΙΙ) Πυκνότητα Φορτίου ρ Ένταση Πεδίου Ε W W + d dx d E dx dx Φραγμός δυναμικού για ηλεκτρόνια Δυναμικό Φραγμός δυναμικού για οπές 0 Edx Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 1 I Πολωμένη Επαφή (Ι) Ορθή Πόλωση Μείωση της Περιοχής Απογύμνωσης + Μείωση του Φράγματος Δυναμικού κατά Αύξηση ροής φορέων πλειονότητας Ι άνοδος κάθοδος Ισοδύναμο + Κύκλωμα o Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 11

12 I S Πολωμένη Επαφή (ΙΙ) Ανάστροφη Πόλωση Αύξηση της Περιοχής Απογύμνωσης + Αύξηση του Φράγματος Δυναμικού κατά Ελάττωση ροής φορέων πλειονότητας I S Ι Εμφάνιση ρεύματος φορέων μειονότητας που σύντομα οδηγείται στον κόρο (I S ) I S : ανάστροφο ρεύμα κόρου Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 3 Χαρακτηριστική Ρεύματος Τάσης Δίοδος = Επαφή + Ακροδέκτες I Στατική Ι Χαρακτηριστική Διόδου Τάση Κατάρρευσης Ορθή Πόλωση Περιοχή Κατάρρευσης Κατάρρευση Νόμος της Επαφής I I S (e T 1) Συμπιεσμένη Κλίμακα Ανάστροφη Πόλωση (8) ρυμένη Κλίμακα Διευ 0 Τάση Αποκοπής για Τ=93Κ 0 Δυναμικό Επαφής T = το θερμικό δυναμικό Τ=93Κ η = για Si Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 4 1

13 Άλλα Χαρακτηριστικά Διόδων Θερμοκρασιακή Επίδραση στην I Ι T > T 1 T I IS(e 1) I S > I S1 m/ o C To I S διπλασιάζεται ανά 10 ο C Πλάτος Περιοχής Απογύμνωσης Χωρητικότητα Επαφής Ανάστροφη Πόλωση Ανάστροφη Πόλωση W d q 1 A 1 o R C j A W d ( A qa )( ) (9) (30) o R Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 5 Διόδοι Zeer Z Περιοχή Κατάρρευσης Δ ΔΙ Ι I Z Οι δίοδοι Zeer είναι δίοδοι με μεγάλη ικανότητα απαγωγής ισχύος (θερμότητας) Αιτίες Κατάρρευσης α) Φαινόμενο Χιονοστιβάδας β) Κατάρρευση Zeer R Φόρτος Σύμβολο διόδου Zeer S + Ι R Ι I Z I R I S R Z R Z Κύκλωμα Προστασίας Ι Ζ Z R Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 6 13

14 Τύποι Διόδων (Ι) Δίοδος Σήραγγος: Δίοδοι με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων Φωτοδίοδος: Δίοδοι από σύνθετους ημιαγωγούς (GaAs) σε ανάστροφη πόλωση. Καθώς το ανάστροφο ρεύμα μεταβάλλεται σχεδόν γραμμικά με τη φωτεινή ροή, μας δίδεται η δυνατότητα χρήσης αυτών των διόδων ως αισθητήρες φωτός. Δίοδος Φωτοεκπομπής (E): Παρομοίως με τις φωτοδιόδους αλλά σε ορθή πόλωση. Η επανασύνδεση φορέων (οπών ηλεκτρονίων) αποδίδει ενέργεια η οποία υπό προϋποθέσεις εμφανίζεται ως ακτινοβολία. Αν η ακτινοβολία αυτή είναι μονοχρωματική η διάταξη ονομάζεται ASER επαφής. Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 7 Τύποι Διόδων (ΙΙ) Δίοδος Schottky: Δίοδοι επαφής μετάλλου ημιαγωγού. Μικρότερη τάση αποκοπής. Μεγαλύτερο ανάστροφο ρεύμα κόρου. Ταχύτερη μεταγωγή Ι Δίοδος Schottky Δίοδος Πυριτίου Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 8 14