Στοιχεία Φυςικήσ Ημιαγωγών (ΕΤΥ481)

Transcript

1 Στοιχεία Φυςικήσ Ημιαγωγών (ΕΤΥ48) Διδάςκων Ν. Πελεκάνοσ ( pelekano@materials.uoc.gr ) Περιεχόμενα. Ενεργειακζσ ηϊνεσ. Στατιςτικι φορζων 3. Μεταφορά φορτίου 4. Δίοδοσ p-n 5. Οπτικζσ μεταβάςεισ 6. Κβαντικά πθγάδια 7. Οπτικι ενίςχυςθ- Δράςθ Λζιηερ 8. Κυματοδθγοί 9. Ηλιακά κφτταρα/φωτοβολταϊκά Προαπαιτοφμενα Τυπικά: Υλικά ΙΙΙ Ουςιαςτικά: Σφγχρονη Φυςική - Ειςαγωγι ςτθν Κβαντομθχανικι Ειςαγωγι ςτθ Φυςική Στερεάσ Κατάςταςησ Ηλεκτρομαγνητιςμόσ

2 Βιβλία J. Singh, "Οπτοθλεκτρονικι", Εκδόςεισ Τηιόλα, 06 S. O. Kasap, "Αρχζσ Ηλεκτρονικϊν Υλικϊν και Διατάξεων", εκδόςεισ Παπαςωτθρίου, 004 BG. Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall Φλη Η φλθ του μακιματοσ κα επικαιροποιθκεί και αναρτθκεί ςτθν ιςτοςελίδα του μακιματοσ. Θα υποδειχκοφν προτεινόμενεσ αςκιςεισ. Εξζταςη (δφο επιλογζσ) Α) εξζταςθ Ιουνίου (00%) Β) εξζταςθ Ιουνίου (70%) και Homeworks (30%) Γ) εξζταςθ Ιουνίου (40%), Homeworks (30%), Παρουςίαςθ (30% ) Στισ Β και Γ επιλογζσ ο βακμόσ τθσ εξεταςτικισ του Ιουνίου πρζπει να είναι πάνω από 4/0. Ενδεικτικά θζματα για εργαςία και παρουςίαςη Terahertz emitters and detectors Thermal vision cameras Optoelectronic components for telecommunications VCSEL s Blue optoelectronics Tandem Solar Cells Plasmonics Nanowires Quantum dots Metamaterials

3 Energie de bande interdite (ev) Σφνθετοι ημιαγωγοί Si Ge 7 6 AlN hexagonal GaN AlN cubique GaN InN InN Paramètre de maille [Å] Recent result for InN gap

4

5 IV-IV III-V IΘ-VI

6 Αρικμόσ θλεκτρονίων ανά ςτιβάδα s s p 3s 3p 3d

7 Hλεκτρονικι δομι ατόμων

8 Τύποι Ημιαγωγών IV-IV C = [He] s p Si = [Ne] 3s 3p Ge = [Ar] 4s 4p Ομοιοπολικοί δεζμοί III - V In = [Kr] 5s 5p Sb = [Kr] 5s 5p 3 Ga = [Ar] 4s 4p As = [Ar] 4s 4p 3 InSb GaAs Με ομοιοπολικούρ δεζμούρ αλλά με ελαθπά ιονηικό σαπακηήπα, π.σ. Ga- As+ II-VI Cd = [Kr] 5s Te = [Kr] 5s 5p 4 CdTe Οι δεζμοί παπαμένοςν ομοιοπολικοί αλλά με αςξανόμενο ιονηικό σαπακηήπα, π.σ. Cd--Te++ I Na = [Ne] 3s VII Cl = [Ne] 3s 3p 5 NaCl πλήπωρ ιονηικόρ

9 Hλεκτρονικι δομι Πυριτίου

10 Όταν άτομα πυριτίου πλθςιάςουν μεταξφ τουσ, τα 3s και 3p τροχιακά αλλθλεπιδροφν και μεταςχθματίηονται ςε sp 3 υβριδικά τροχιακά. Υβριδιςμόσ sp 3 Τα τροχιακά αυτά ςχθματίηουν μεταξφ τουσ κανονικό τετράεδρο, με τθ μεταξφ τουσ γωνία 09,5. Αυτό εξθγεί τθν κρυςτάλλωςθ του πυριτίου ςτθν κρυςταλλικι δομι του διαμαντιοφ.

11 Κρυσταλλική Δομή Ημιαγωγών Δομή Διαμανηιού C, Si, Ge IV Πλέγμα FCC με Βάζη «Si Si» - ηεηπαεδπικοί δεζμοί Zincblende π.σ. GaAs III - V Πλέγμα FCC 5.65 A με Βάζη «Ga As» Wurtzite δομή Π.σ. CdS ή GaN Επίζηρ ηεηπαεδπική

12 Όταν πλθςιάηουν άτομα, από κάκε ατομικι ςτάκμθ προκφπτουν δφο νζεσ ςτάκμεσ του ςφνκετου ςυςτιματοσ. Δζςμιο τροχιακό Αντι-δζςμιο

13 Όταν πλθςιάηουν Ν άτομα πυριτίου...ςχθματιςμόσ ηωνϊν.

14

15 Ενεπγειακέρ ζώνερ ζηο Si, Ge, GaAs Η ΖΣ τωρίζεηαι ζε σποζώνες (HH, LH, SO) ποσ ανηιζηοιτούν ζε διαθορεηικές ηιμές ηης ολικής ζηροθορμής J=L+S

16

17 (3) Ενεπγόρ μάζα ηλεκηπονίος ζηο ζηεπεό - κονηά ζηην άκπη ζωνών (band edge) (E 0, k 0 ) E - E 0 ( k k m 0 ) ενεπγόρ μάζα m E(k) k m* ~ Καμπςλόηηηα ηηρ ζσέζηρ διαζποπάρ Ε Τςπικά k μικπή μάζα* μεγάλη μάζα* m* ~ m 0 μποπεί να οπιζθεί όπωρ για ηλεκηπόνια έηζι και για οπέρ (4) Υπάπσει μια ζςζσέηιζη μεηαξύ Ε g, m* και ηος αηομικού απιθμού Ζ. Το ίδιο ιζσύει για ηην κπςζηαλλική παπάμεηπο - Για ημιαγωγούρ ηηρ ίδιαρ οικογένειαρ, όζο μικπαίνει ηο Ζ ζσημαηίζονηαι πιο ιονηικοί δεζμοί, έσοςν μεγαλύηεπα ενεπγειακά σάζμαηα, και μεγαλύηεπερ ενεπγέρ μάζερ. Π.σ. GaSb-GaAs-GaP-GaN ZnTe-ZnSe-ZnS-ZnO

18 Πςκνόηηηα καηαζηάζεων ζε 0D, D, D, 3D Ν(E) = ενεπγειακή πςκνόηηηα καηαζηάζεων Ν(E)dE είναι ο απιθμόρ ηων καηαζηάζεων μεηαξύ ενέπγειαρ E και (E + de) ανά μονάδα όγκος ηος δείγμαηορ ζηιρ 3Δ, επιθανείαρ ζηιρ Δ, και μήκοςρ ζηην Δ. Σηιρ διαθοπεηικέρ διαζηάζειρ παίπνει ηιρ ακόλοςθερ μοπθέρ: 3 3 d N D N D N D m ( E) de E (E) m m ( E) E E (3Δ) (Δ) (Δ)

19 Απόδειξη για 3D Σε ζνα κυβικό πθγάδι δυναμικοφ μικουσ ακμισ L, θ ενζργεια ενόσ θλεκτρονίου δίνεται από τθν ςχζςθ: E h 8m L e ( n n n 3 ) () όπου n, n, n 3 =,,3,.. Στον χϊρο των n, n, n 3, κάκε ενεργειακι κατάςταςθ καταλαμβάνει «όγκο» μοναδιαίο. Επομζνωσ, ο αρικμόσ όλων των καταςτάςεων με n ' n n3 n κα ιςοφται με τον όγκο του ενόσ ογδόου τθσ ςφαίρασ ακτίνασ nϋ (βλ. Σχιμα)

20 Παίρνοντασ υπόψιν τα ςπιν, ο αρικμόσ θλεκτρονίων μζχρι τθν ενζργεια Εϋ είναι: S( E') n 3 3 S( n') ' () 3 L S( E') (8m E') 3 e 3h Από () και () 3/ S V ( E') E 3h 3/ (8m ') 3 e dsv me N( E) 8 de h 3/ E N 3 me 3D ( E) E