Το πυρίτιο είναι ο πιο σημαντικός ημιαγωγός για τα ηλεκτρονικά στοιχεία σήμερα

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Το πυρίτιο είναι ο πιο σημαντικός ημιαγωγός για τα ηλεκτρονικά στοιχεία σήμερα"

Τάκης Μήτζου
9 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Τα Hμιαγώγιμα υλικά

2 Το πυρίτιο είναι ο πιο σημαντικός ημιαγωγός για τα ηλεκτρονικά στοιχεία σήμερα

3 200 mm and 300 mm Si wafers.

4 GaAs χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές υψηλής ταχύτητας

5 Φυσικοί ημιαγωγοί

6 Το Si ως Ημιαγωγός A two dimensional pictorial view of the Si crystal showing covalent bonds as two lines where each line is a valence electron.

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Οι ημιαγωγοί είναι υλικά με μικρό ενεργειακό χάσμα E g <3eV και η αγωγιμότητά τους κυμαίνεται από 10-6 -10 4 1/Ωm.

7 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Οι ημιαγωγοί είναι υλικά με μικρό ενεργειακό χάσμα E g <3eV και η αγωγιμότητά τους κυμαίνεται από /Ωm. hyb orbitals Si crystal in 2-D Electron energy Valence electron Ec+ Ec CONDUCTION BAND (CB) Empty of electrons at 0 K. B Bandgap = Eg Si ion core (+4e) Ev 0 VALENCE BAND (VB) Full of electrons at 0 K. (a) (b) (c)

hyb orbitals Si crystal in 2-D Electron energy Valence electron Ec+ Ec CONDUCTION

8 Electron energy Ec+ CB h > E g Ec Ev Free e Hole Eg h hole e VB 0 (a) (b) (a) Φωτόνιο με ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού (Eg) μπορεί να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας (b) Όταν ένα φωτόνιο σπάζει ένα δεσμό Si-Si ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και μία οπή στο δεσμό Si-Si δημιουργείται.

διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας (b) Όταν ένα

9 h + e Thermal Θερμική vibrations διέγερση ofτων atoms ατόμων can break μπορεί bonds επίσης and thereby να δημιουργήσει create electronhole ζεύγη pairs. ηλεκτρονίων οπών

10 (a) e - h + h + CB E g h + h + (d) VB (b) h + h + h + e Ð e - h + (e) e - (c) h + h + (f)

Ηλεκτρική αγωγιμότητα των Ημιαγωγών Ενδογενής Ημιαγωγός: J=J n +J p = n e u n + p e u p όπου n, p φορείς ανά μονάδα όγκου και u n, u p οριακές ταχύτητες ηλεκτρονίων και οπών.

11 Ηλεκτρική αγωγιμότητα των Ημιαγωγών Ενδογενής Ημιαγωγός: J=J n +J p = n e u n + p e u p όπου n, p φορείς ανά μονάδα όγκου και u n, u p οριακές ταχύτητες ηλεκτρονίων και οπών. Επειδή σ=j/e τελικά σ= n e μ n + p e μ p και επειδή στον ενδογενή ημιαγωγό οι οπές και τα ηλεκτρόνια δημιουργούνται κατά ζεύγη τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι ίσα σε αριθμό: n=p= n i και τελικά σ= n i e (μ n + μ p ) Πρέπει να γνωρίζουμε την πυκνότητα φορέων ανά μονάδα όγκου η οποία για τα ηλεκτρόνια και τις οπές είναι: n=n c T 3/2 exp[-(e g -E f )/kt] και p=n v T 3/2 exp[-(e f )/kt] και τελικά n ι = (N c N v ) 1/2 T 3/2 exp[-(e g )/kt] Άρα σ=σ ο exp(-e g /2kT) lnσ = lnσ ο -Ε g /2κΤ

Επειδή σ=j/e τελικά σ= n e μ n + p e μ p και επειδή στον ενδογενή ημιαγωγό οι οπές και τα ηλεκτρόνια δημιουργούνται κατά ζεύγη τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι

13 Οι ημιαγωγοί χωρίζονται σε ενδογενείς αλλά και εξωγενείς (τύπου η και τύπου p) e - As + Τύπου -n Arsenic doped Si crystal. The four valence electrons of As allow it to bond just like Si but the fifth electron is left orbiting the As site. The energy required to release to free fifth-electron into the CB is very small.

The four valence electrons of As allow it to bond just like Si but the fifth

14 Electron Energy CB ~0.03 ev Ec Ed As+ As+ As+ As+ Ev As atom sites every 10 6 Si atoms x Distance into crystal Το ενεργειακό διάγραμμα για το n-type Si με προσμίξεις 1 ppm As. Υπάρχουν ενεργειακά επίπεδα στο ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού κάτω από E c

15 Ημιαγωγοί τύπου -p h + B - B - Free (a) (b) Boron doped Si crystal. B has only three valence electrons. When it substitutes for a Si atom one of its bonds has an electron missing and therefore a hole as shown in (a). The hole orbits around the B - site by the tunneling of electrons from neighboring bonds as shown in (b). Eventually, thermally vibrating Si atoms provides enough energy to free the hole from the B - site into the VB as shown.

(a). The hole orbits around the B - site by the tunneling of electrons from neighboring bonds as shown in (b).

16 Electron energy B atom sites every 10 6 Si atoms Ec x Distance into crystal Ea B - B - B - B - Ev h + ~ 0.05eV VB Ενεργειακό διάγραμμα p-type Si με προσμίξεις Β 1ppm

17 Η στάθμη Fermi στους ημιαγωγούς CB E c E Fi E v E c E Fn E v E c E Fp E v VB (a) (b) (c) Energy band diagrams for (a) intrinsic (b) n-type and (c) p-type semiconductors. In all cases, np = n i 2

18 Επίδραση της θερμοκρασίας στους ημιαγωγούς T < T s T s < T < T i T > T i CB Eg E F As + As As As As + E F As + As + As + As + E F As + As + As + VB (a)t=t 1 (b)t=t 2 (c)t=t 3 (a) Below Ts, the electron concentration is controlled by the ionization of the donors. (b) Between Ts and Ti, the electron concentration is equal to the concentration of donors since they would all have ionized. (c) At high temperatures, thermally generated electrons from the VB exceed the number of electrons from ionized donors and the semiconductor behaves as if intrinsic.

(b) Between Ts and Ti, the electron concentration is equal to the concentration of donors since they would all have ionized.

19 ln(n) INTRINSIC slope = -Eg/2k ln(n d ) EXTRINSIC T s IONIZATION slope = E/2k T i n i (T) 1/T The temperature dependence of the electron concentration in an n-type semiconductor.

20 Η αγωγιμότητα των εξωγενών ημιαγωγών σ= e n d μ e + σ ο exp(-e g /2kT) (τύπου n) Και σ= e n d μ p + σ ο exp(-e g /2kT) (τύπου p) αλλά γενικά με τη θερμοκρασία

21 Φαινόμενο Hall στους ημιαγωγούς F B = -evb z =-eμb z E x ίση με F H =-ee Ψ E Ψ = - B Ζ Ε x μ και R=E Ψ /Β Ζ J X Το φαινόμενο Hall στα μέταλλα Σταθερά Hall Το φαινόμενο Hall στους ημιαγωγούς Για ισχυρά πεδία

22 Εφαρμογές φαινομένου Hall Αισθητήρας ρεύματος βασισμένος στο φαινόμενο Hall Μαγνητόμετρο για τον υπολογιασμό της έντασης ενός μαγνητικού πεδίου

23 Η επαφή p-n

24 p-type Semiconductor n-type Semiconductor p E o n CB CB n E c M ev o = p - n p Donors in SCL E c E g E v E Fn E Fp E c E v E Fp E v Acceptors in SCL E c E Fn VB VB M E v Bulk Στην πρώτη εικόνα φαίνονται δύο απομονωμένοι ημιαγωγοί τύπου p και -n ενώ στη δεύτερη εικόνα φαίνεται το ενεργειακό διάγραμμα της επαφής pn. Το επίπεδο Fermi τοποθετείται στο ίδιο ύψος στην κάθε περιοχή.

25 Φαινόμενα στην ζώνη απογύμνωσης A V br B I = (V r -V br )/R R V r > V br V r

26 Φωτοδίοδοι Συσκευή ελέγχου με φωτοδίοδο

27 Θερμικές αντιστάσεις: κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά και βασίζονται στην αλλαγή της αγωγιμότητας των υλικών αυτών με τη θερμοκρασία. Εάν η σχέση αυτή είναι γνωστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αισθητήριο ηλεκτρονικού θερμομέτρου. Αισθητήρια Πίεσης: Το ενεργειακό χάσμα και η σχετική θέση των ζωνών ενέργειας είναι συνάρτηση των ενδοατομικών αποστάσεων. Όταν σε ένα υλικό εφαρμοστεί μία πίεση η απόσταση μεταξύ των ατόμων μειώνεται καθώς και το ενεργειακό χάσμα ενώ η αγωγιμότητα αυξάνει. Μετρώντας την αγωγιμότητα μπορούμε να έχουμε μία ένδειξη για την πίεση που εφαρμόζεται στο υλικό

28 Φωτοβολταϊκά στοιχεία

29 Solar cell inventors at Bell Labs (left to right) Gerald Pearson, Daryl Chapin and Calvin Fuller are checking a Si solar cell sample for the amount of voltage produced (1954).

30 Neutral n-region E o Neutral p-region Long Drift Diffusion Medium Short L e Back electrode Finger electrode L h n Depletion region W p V oc

31 I (ma) 20 Dark V oc 0 I ph V Light 20 Twice the light

32 Oxide p n Light L e

33 LEDs

34 Relative spectral output power 40 o C E c E N 1 25 o C E g E v 85 o C Wavelength (nm)

35 Light output Laser ημιαγωγών p n + n + Substrate Epitaxial layers

36 Η βασική κατασκευή ενός τρανζίστορ BJT p + n p (a) Emiter Base Collector E B C x E I E n p (0) p (0) n p (x) n I C (b) n p (x) p no n po W EB W B W BC V EB I B V CB I E I C

37 Η βασική κατασκευή ενός τρανζίστορ JFET Gate Basic structure p + G G Source S n n-channel D Drain S D Circuit symbol for n-channel FET Cross section S n p + p + G n-channel Depletion region n D S n G p p + D Metal electrode Insulation (SiO 2 ) Depletion regions Channel n-channel thickness p + (a) (b)

38 Η βασική κατασκευή ενός τρανζίστορ MOSFET Source S Gate G Drain D Metal electrodes n + p n + p-type substrate SiO 2 insulation Heavily doped n-region Depletion layer G D S Blk Blk Bulk (Substrate)

39 Επανασύνδεση (Recombination) και παγίδευση (trapping). CB E c E v VB E r E r E r Recombination center Phonons (a) Recombination CB E c E t E t E t E v VB Trapping center (b) Trapping

Σχετικά έγγραφα

Θέµατα που θα καλυφθούν

Ηµιαγωγοί Semiconductors 1 Θέµατα που θα καλυφθούν Αγωγοί Conductors Ηµιαγωγοί Semiconductors Κρύσταλλοι πυριτίου Silicon crystals Ενδογενείς Ηµιαγωγοί Intrinsic semiconductors ύο τύποι φορέων για το ρεύµασεηµιαγωγούς