ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Αγωγιμότητα σε ημιαγωγούς Δρ. Ιούλιος Γεωργίου Required Text: Microelectronic Devices, Keith Leaver
Επικοινωνία Γραφείο: Green Park, Room 406 Ηλ. Ταχυδρομείο: julio@ucy.ac.cy Τηλέφωνο γραφείου: 22892264 Διδάσκων Καθηγητής Δρ. Ιούλιος Γεωργίου Βοηθός Διδασκαλίας: Πέτρος Καρούσιος pkarou01@ucy.ac.cy Ωρες Φροντιστηρίου: Δευτέρα 15:00-15:59 ΧΩΔ02 B104 Ιστοσελίδα Μαθήματος : http://www.ece.ucy.ac.cy/courses/ece202/index.html
Αξιολόγηση Συστατικό μέρος βαθμού Βαρύτητα Ενδιάμεση εξέταση 40% Τελική εξέταση 60% Φροντιστήριο 0% 3
Στόχοι του Μαθήματος Να μάθετε πού βασίζεται η λειτουργία των ηλεκτρονικών στοιχείων, από την πλευρά της φυσικής τους. Να μάθετε πως εκμεταλλευόμαστε τις φυσικές τους ιδιότητες στην ηλεκτρονική μηχανική. Προετοιμασία ώστε να μπορείτε να καταλάβετε τη λειτουργία αυτών των στοιχείων σε κυκλώματα. Απόκτηση των απαραίτητων γνώσεων, ώστε να μπορείτε να αντιλαμβάνεστε στο μέλλον τους λόγους για τους οποίους διαφέρει η λειτουργία ενός πραγματικού κυκλώματος από αυτή ενός ιδανικού. 4
Ηλεκτρονικά Στοιχεία Δίοδοι Πρόκειται για ηλεκτρικά ενεργά στοιχεία, δηλαδή χρειάζονται ενέργεια για λειτουργήσουν Απλές δίοδοι Δίοδοι LED Ειδικές δίοδοι (tunnel diodes, Schottky diodes, κλπ) Τρανζίστορ Διπολικά MOSFET???Ποια η διαφορά τους από τα παθητικά στοιχεία??? 5
Ποια ύλη θα διδαχθεί Αγωγή ηλεκτρικών φορτίων σε ημιαγωγούς Ενεργειακές ζώνες και στατιστικά στοιχεία φορέων Διοδική επαφή p-n Τρανζίστορ MOSFET Διπολικά τρανζίστορ 6
Ηλεκτρική ταξινόμηση των στερεών Η ταξινόμηση γίνεται, με βάση την ειδική αντίσταση (Ω m) των στερεών υλικών, σε τρείς κατηγορίες. Αγωγοί: ρ < 10-5 Ω m Ημιαγωγοί: 10-5 Ω m < ρ < 10 3 Ω m Μονωτές: ρ > 10 3 Ω m 7
Περιοδικός Πίνακας Στοιχείων 8
Μέταλλα μοντελοποιήσουμε με τη μορφή κρυσταλλικού πλέγματος (lattice) ατόμων Ηλεκτρόνια προερχόμενα από τη ζώνη σθένους (valence band) των ατόμων κινούνται ελεύθερα του μετάλλου. Αναμένουμε ότι η αγωγιμότητα είναι ανάλογη με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια Δεν γίνεται μεταφορά ύλης! 9
Περιοδικός Πίνακας Στοιχείων 10
Ημιαγωγοί Πρόκειται για στοιχεία της 14/IV ομάδας του περιοδικού πίνακα. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι είναι: C, Ge, Si Η αγωγιμότητά τους είναι σ~10-4 S/m περίπου 10 12 μικρότερη αυτής των μετάλλων. (ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί) 11
Το άτομο του πυριτίου (Si) Ηλεκτρονική δομή Ηλεκτρόνια εξωτερικής στοιβάδας/ζώνης ατόμου πυριτίου Εχει τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα (n=4) 12
Ενδογενείς ημιαγωγοί Η περίπτωση του πυριτίου (Si) Συνάπτει τέσσερις ομοιοπολικούς δεσμούς (δεσμούς σθένους) με ισάριθμα γειτονικά άτομα, σχηματίζοντας το κρυσταλλικό πλέγμα. 13
Ενδογενείς ημιαγωγοί Παρότι οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται σχεδόν ως μονωτές, παρουσιάζουν μια ελάχιστη αγωγιμότητα, λόγω των ακόλουθων φαινομένων: Φαινόμενο γένεσης ζευγών ηλεκτρονίων-οπών, λόγω θερμότητας Φαινόμενο επανασύνδεσης ηλεκτρονίων-οπών Ρυθμός γένεσης και ρυθμός επανασύνδεσης ζευγών ηλεκτρονίωνοπών είναι ο αριθμός των ζευγών ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών που δημιουργούνται ή επανασυνδέονται στη μονάδα του όγκου και του χρόνου. 14
Ενδογενείς ημιαγωγοί Σε κατάσταση ισορροπίας ο ρυθμός γένεσης και ο ρυθμός επανασύνδεσης ηλεκτρονίων-οπών είναι ίσοι μεταξύ τους. Αρα, Συγκέντρωση ηλεκτρονίων (n i ) = συγκέντρωση οπών (p i ) (ενδογενής ημιαγωγός intrinsic semiconductor) Ενδεικτικά (300K): Ge Si GaAs n i = 2.5 10 19 m -3 n i = 1.4 10 16 m -3 n i = 9 10 12 m -3 15
Εξωγενείς ημιαγωγοί Είναι ημιαγωγοί με πρόσμιξη στον καθαρό κρύσταλλο. Σκοπός είναι η ελεγχόμενη αύξηση της αγωγιμότητας ημιαγωγών. Η πρόσμιξη γίνεται: είτε με στοιχεία της 15/V ομάδας του περιοδικού πίνακα, όπως ο φωσφόρος, το αντιμόνιο κ.α. είτε με στοιχεία της 13/ΙΙΙ ομάδας του περιοδικού πίνακα, όπως το βόρειο, το αλουμίνιο κ.α. 16
Επιρροή Προσµίξεων Σταθερό V σε ίδια δείγματα με διάφορες προσμίξεις V/x=E, I=Q/t, V=IR 17
Το άτομο του φωσφόρου (P) Ηλεκτρονική δομή Ηλεκτρόνια εξωτερικής στοιβάδας ατόμου του φωσφόρου Εχει πέντε ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα (n=5) 18
Εξωγενείς ημιαγωγοί n-type Στην περίπτωση πρόσμιξης με πεντασθενές στοιχείο, περισσεύει ένα ηλεκτρόνιο χωρίς δεσμό, το οποίο έλκεται ασθενώς από το άτομο της πρόσμιξης (δότης donor) και μπορεί να κυκλοφορήσει ελεύθερο στο πλέγμα. N D =πυκνότητα δοτών στον ημιαγωγό n= πυκνότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό Τότε: n=n D 19
Το άτομο του βορίου (B) Ηλεκτρονική δομή Ηλεκτρόνια εξωτερικής στοιβάδας ατόμου του βορίου Εχει τρία ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα (n=3) 20
Εξωγενείς ημιαγωγοί p-type Στην περίπτωση πρόσμιξης με τρισθενές στοιχείο, λείπει ένα ηλεκτρόνιο και κατά συνέπεια υπάρχει ένα διαθέσιμο κενό (οπή), το οποίο μπορεί εύκολα (ενεργειακά) να καταληφθεί από άλλο ηλεκτρόνιο σθένους γειτονικού στοιχείου. Το άτομο της πρόσμιξης (δέκτης acceptor) δίνει τη δυνατότητα έμμεσης κίνησης των ηλεκτρονίων ή αλλιώς ισοδύναμης κίνησης θετικών φορτίων στο πλέγμα. N Α =πυκνότητα αποδεκτών στον ημιαγωγό p= πυκνότητα οπών στον ημιαγωγό Τότε: p=n Α 21
Εξωγενείς ημιαγωγοί Και στους εξωγενείς ημιαγωγούς υπάρχουν ηλεκτρόνια και οπές που δημιουργούνται από τη θερμική ταλάντωση των ηλεκτρονίων σθένους όλων των ατόμων του πλέγματος (ημιαγωγού και δότη ή αποδέκτη) δημιουργώντας αντίστοιχους φορείς μειονότητας. 22
Εξωγενείς ημιαγωγοί n-type Φορείς πλειονότητας Ηλεκτρόνια Φορείς μειονότητας Οπές Συγκέντρωση ατόμων προσμίξεων N D Συγκέντρωση ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό n=n D +n i N D (επειδή Ν D >> n i ) 23
Εξωγενείς ημιαγωγοί p-type Φορείς πλειονότητας Οπές Φορείς μειονότητας Ηλεκτρόνια Συγκέντρωση ατόμων προσμίξεων N A Συγκέντρωση ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό p=n A +p i N A (επειδή Ν A >> p i ) 24