ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ηµιαγωγοί VLSI T echnol ogy ogy and Computer A r A chitecture Lab Γ Τσ ιατ α ο τ ύχ ύ α χ ς ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ηµιαγωγοί VSI Techology ad Comuter Archtecture ab Ηµιαγωγοί Γ. Τσιατούχας ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Φράγμα δυναμικού. Ενεργειακές ζώνες Ημιαγωγοί 3. Πυκνότητα ρεύματος Αγωγιμότητα 4. Νοθευμένοι ημιαγωγοί 5. Νόμος μαζών 6. Ρεύμα διάχυσης 7. Βαθμωτοί ημιαγωγοί Επαφή Ηµιαγωγοί

2 Q Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Δυναμικό q F Q q F () 0 4πε( 0) 0 Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου (Ε) η δύναμη που ασκείται στη μονάδα θετικού φορτίου F qe Δυναμικό (V) μεταξύ δύο σημείων Α ( 0 ) και Β () το έργο που καταναλώνεται όταν η μονάδα θετικού φορτίου κινείται από το Α στο Β V 0 E d Δυναμική Ενέργεια: U q. V (ev) () (3) (4) Ηµιαγωγοί 3 Φράγμα Δυναμικού V d + - V d Ενέργεια qv d Α 0 d Β -V d W Κινητική Ενέργεια W mu U + mu. 0 σταθ - - Δυναμική Ενέργεια U d Συνολική Ενέργεια W Ηµιαγωγοί 4

3 Ενεργειακές Ζώνες Ενέργεια Ελεύθερα Ηλεκτρόνια Δέσμια Ηλεκτρόνια Πηγάδι Δυναμικού Εκφυλισμός S 4 S Πυρήνας E G Κενή Ζώνη Αγωγιμότητας Απαγορευμένη Ζώνη Πλήρης Ζώνη Σθένους Ηµιαγωγοί 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 S Οπή Ομοιοπολικός Δεσμός Ηµιαγωγοί 6 3

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

5 Μέταλλα Αγωγιμότητα Έτσι: J qu qµ E σe (9) σ qµ όπου: η αγωγιμότητα του υλικού (0) I JA σea σa V (3) V R Ν.Ohm () R ρ σa A () όπου: όπου: ( 3) E V ρ σ η ειδική αντίσταση Ηµιαγωγοί 9 Αγωγιμότητα Καθαρών Ημιαγωγών Θερμική Ισορροπία συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων () συγκέντωση οπών () (3) όπου η φυσική συγκέντρωση Υπό την παρουσία πεδίου Ε, η πυκνότητα ρεύματος ολίσθησης είναι: J q( µ + µ )E σe (4) όπου: σ q( µ + µ ) ( µ η αγωγιμότητα του ημιαγωγού (5) 3) σ q ( µ + ) (6) Ηµιαγωγοί 0 5

6 Νοθευμένοι Ημιαγωγοί Ελεύθερο Ηλεκτρόνιο As +5 Ημιαγωγοί τύπου Δότες ή προσμίξεις τύπου : είναι οι προσμίξεις που δίνουν ηλεκτρόνια S Ημιαγωγοί τύπου Ηλεκτρικά Ουδέτεροι Ημιαγωγοί Δέκτες ή προσμίξεις τύπου : είναι οι προσμίξεις που δίνουν οπές S Οπή B +3 Ηµιαγωγοί Νόμος Μαζών Σε θερμική ισορροπία ισχύει: (7) Νόμος Μαζών Ο νόμος ισχύει είτε ο ημιαγωγός είναι νοθευμένος είτε όχι. Έστω Ν D ησυγκέντρωσηδοτώνκαιν Α η συγκέντρωση δεκτών σε κρύσταλλο ημιαγωγού. Για να διατηρηθεί αυτός ηλεκτρικά ουδέτερος θα πρέπει να ισχύει: ND + NA + Εάν Ν Α 0, τότε επειδή Ν D >> N D : από (7) Παρόμοια αν Ν D 0 (8) N N D A Ηµιαγωγοί 6

7 Ιδιότητες Ημιαγωγών Σε φυσικό ημιαγωγό θερμοκρασίας ζευγών οπών/ηλεκτρονίων A 0 T 3 e EG0 kt (9) E G0 το ενεργειακό χάσμα Σε φυσικό ημιαγωγό θερμοκρασίας κινητικότητας μ της αγωγιμότητας σ ( ζευγών ) Σε νοθευμένο ημιαγωγό θερμοκρασίας αγωγιμότητας σ Ηµιαγωγοί 3 Διάχυση Ρεύμα Διάχυσης (0) () 0 Βαθμωτός Ημιαγωγός J D Πυκνότητα Ρεύματος Διάχυσης: d JD qd (0) d d Παρόμοια για την περίπτωση ( JD qd βαθμίδας συγκέντρωσης ηλεκτρονίων d ) όπου D, η σταθερά διάχυσης D µ D µ V T kt q Εξίσωση Este () όπου V T το θερμικό δυναμικό ( S: V T 0.059V ) Ηµιαγωγοί 4 7

8 Συνολικό Ρεύμα (0) E () 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. 0 J J + J Συνολική Πυκνότητα Ρεύματος Οπών qµ E qd d d () F D Παρόμοια για τα ηλεκτρόνια: d J JF + JD qµ E + qd (3) Συνολική Πυκνότητα Ρεύματος Ηλεκτρονίων d Ηµιαγωγοί 5 Βαθμωτοί Ημιαγωγοί (Ι) (0) Ε () Βαθμωτός Ημιαγωγός Σε θερμική ισορροπία και χωρίς την έγχυση εξωτερικών φορέων δεν μπορεί να σταθερή κίνηση η 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. 0 Η συνολική Πυκνότητα Ρεύματος θα είναι: J d d JF + JD qµ E qd (4) Στη θερμική ισορροπία J 0 όπου Ε το εσωτερικό πεδίο Ηµιαγωγοί 6 8

9 Βαθμωτοί Ημιαγωγοί (ΙΙ) Σε θερμική ισορροπία J 0 άρα: V VT d ( ),(4) E E d VT Este d d (5) d V d (3),(5) dv VT V dv VT dv ( 3) E d V V V VT l (6) Ηµιαγωγοί 7 Βαθμωτοί Ημιαγωγοί (ΙΙΙ) V VT (7) ( 6) e Εξίσωση Boltzma για οπές παρόμοια για ηλεκτρόνια: V V e T (8) Εξίσωση Boltzma για ηλεκτρόνια Νόμος Μαζών Βαθμωτών Ημιαγωγών Ηµιαγωγοί 8 9

10 Επαφή Βαθμίδας Βήματος Τύπου Ν Α Επαφή Ν D Τύπου V 0 V VT l V 0 N A (8) N D V 0 N N A D (9) VT l Δυναμικό Επαφής Ηµιαγωγοί 9 0