Półprzewodniki

PÓŁPRZEWODNIKI W
ELEKTRONICE
Powszechnie uważa się, że współczesna
elektronika jest elektroniką
półprzewodnikową.
1
Półprzewodniki
Półprzewodniki to ciała stałe nieorganiczne lub organiczne
o przewodnictwie elektrycznym typu elektronowego i
przewodności elektrycznej większej od przewodności
dielektryków i mniejszej od przewodności metali.
2
Krzem (Si)
Krzem, to najszerzej stosowany materiał półprzewodnikowy.
Wykonuje się z niego prawie wszystkie powszechnie
stosowane przyrządy PP. Wyparł on niegdyś rozpowszechniony
półprzewodnik - german. Zaletą krzemu w porównaniu z
germanem jest: mała wartość prądu nasycenia, duża wartość
napięcia przebicia oraz maksymalnej dopuszczalnej
temperatury złącza p-n, jak również korzystne właściwości
technologiczne, a przede wszystkim łatwość wytwarzania
warstw dielektrycznych stabilizujących właściwości
powierzchniowe oraz ułatwiających prowadzenie selektywnego
domieszkowania.
3
Krzem jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych
pierwiastków w skorupie ziemskiej. Otrzymuje się go
przemysłowo przez redukcję krzemionki (SiO2) węglem w
piecu elektrycznym. Krzem czysty (99,9%) poddaje się
następnie oczyszczaniu strefowemu. W wyniku
wielokrotnego oczyszczania strefowego uzyskuje się
surowiec półprzewodnikowy o czystości rzędu 99,999%.
Tak oczyszczony krzem poddaje się precyzyjnemu
domieszkowaniu i krystalizacji w celu uzyskania materiału
wyjściowego o pożądanej w procesie produkcji przyrządów
PP strukturze i rezystywności.
4
Rezystywność krzemu może mieć wartość w przedziale od
300 kΩcm do 0,001 Ωcm. W normalnych warunkach
fizycznych ma on: skośną przerwę energetyczną o
szerokości 1,12 eV, wytrzymałość na przebicie 300 kV/cm,
względną stałą dielektryczną 11,9; ruchliwość elektronów
rzędu 1000 cm2/Vs, ruchliwość dziur - 400 cm2/Vs,
koncentrację samoistną nośników ładunku 1,5.1010 cm-3.
Krzem jest pierwiastkiem IV grupy układu okresowego;
liczba atomowa 14, czterowartościowy, średnica atomu
2,35Å, krystalizuje w układzie regularnym typu diamentu o
stałej sieciowej 5,43Å, ma ok. 5·1022 atomów/cm3 i moduł
Younga 10890kG/mm2.
5
Arsenek galu (GaAs)
Arsenek galu jest stosowany przede wszystkim na diody
elektroluminescencyjne, lasery, i przyrządy mikrofalowe.
Umożliwia on uzyskanie jeszcze mniejszego prądu nasycenia i
wyższej maksymalnej dopuszczalnej temperatury złącza p-n niż
krzem.
W normalnych warunkach fizycznych ma on:
1. prostą przerwę energetyczną o szerokości 1,43 eV,
2. wytrzymałość na przebicie 350 kV/cm,
3. względną stałą dielektryczną 12,9;
4. ruchliwość elektronów 6 razy większą niż w krzemie.
6
Inne, częściej stosowane półprzewodniki
• GaP, GaN, InAs, InP, InSb, CdS, PbTe, tlenki: Cu, Ni, Mn,
Fe i ich mieszaniny, SiC, AlGaAs, GaAsP, SiGe.
• Bada się możliwości stosowania półprzewodników
organicznych, np. pentacenu.
• Są próby stosowania jako półprzewodnika diamentu.
7
Elektrony w atomie
Elektrony wartościowości
Jądro
Elektrony
8
Półprzewodnik samoistny
- to półprzewodnik o doskonałej sieci krystalicznej.
i-Si
a=5,431A
9
Energia
Model pasmowy półprzewodnika
samoistnego
Pasmo przewodnictwa
Swobodne elektrony
(ni)
WC
WG
ni=pi
WV
Swobodne dziury
(pi)
Pasmo wartościowości
Przestrzeń
10
Koncentracja samoistna (ni)
⎛ WG ⎞
n i ≈ N exp⎜ −
⎟
⎝ 2kT ⎠
n i |Si ,T =300 K ≈ 1,5 ⋅1010 cm −3
15 milionów swobodnych
elektronów i tyleż samo
swobodnych dziur w objętości
1mm3!
11
Półprzewodniki domieszkowane
i-Si + (P lub As lub Sb)→n-Si → krzem donorowy
Pierwiastki piątej grupy układu okresowego
i-Si+(B lub Al lub Ga)→p-Si →krzem akceptorowy
Pierwiastki trzeciej grupy układu okresowego
12
Energia
Model pasmowy jednorodnego
półprzewodnika donorowego
Pasmo przewodnictwa
WC
WG
WV
nn>pn
nn≈ND
Swobodne elektrony (nn)
(nośniki większościowe)
Jony domieszek donorowych
(ND∈1014÷1019cm-3 )
Swobodne dziury (pn)
(nośniki mniejszościowe)
Pasmo wartościowości
p n ≈ n i2 N D
Przestrzeń
13
Energia
Model pasmowy jednorodnego
półprzewodnika akceptorowego
Pasmo przewodnictwa
n p ≈ n i2 N A
Swobodne elektrony (np)
(nośniki mniejszościowe)
WC
WG
np<pp
pp≈NA
WV
Jony domieszek akceptorowych
(NA∈1014÷1019cm-3 )
Swobodne dziury (pp)
Pasmo wartościowości
(nośniki większościowe)
Przestrzeń
14
„Gazy”: elektronowy i dziurowy
3
kT
kT
ν t / śr = 3
2
m
W temperaturze pokojowej średnia prędkość
termiczna elektronów jest równa ok. 200km/s.
Wk / śr =
Prądy dyfuzyjne
J n ,dyf = qD n grad n
J p,dyf = −qD p grad p
15
Prądy przewodnictwa elektrycznego
w półprzewodniku jednorodnym
ν n = −μ n E
νp = μp E
10
6
105
10
102
10
mp
μn = q
;
tn
;
mn
ν[m/s]
GaAs
νn
104
3
μp = q
tp
kT
Dn =
μn
q
kT
Dp =
μp
q
} Si
νp
νsn
νsp
100km/s
1kV/cm
100V/mm
10mV/μm
E[V/cm]
1 1 10 102 103 104 105
J n ,un ,el = −qn ν n
J p,un ,el = qpν p
r
r
J = (q ⋅ n ⋅ μ n + q ⋅ p ⋅ μ p ) ⋅ E
σ
16
r
r
J = σE; σ = q (nμ n + pμ p )
I
r
E
U
r
J
Si[σ,S,L]; S-pole przekroju,
L - długość
+ dV U
E=−
= ;
dx L
I = S ⋅ J;
U
I = S⋅ σ ⋅ E = S⋅ σ ⋅
L
L1
L
1
U=
⋅ I; U = R ⋅ I; R = ρ; ρ =
σ
Sσ
S
17
Wewnętrzne pole elektryczne w
półprzewodniku niejednorodnym
kT grad n
E=−
q
n
kT grad p
E=
q
p
Można wytworzyć niejednorodności tak znaczne, że
uzyskuje się natężenia wewnętrznego pola
elektrycznego sięgające wartości rzędu 10kV/mm.
18