Mateusz Wieczorkiewicz

MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Półprzewodniki obejmują obszerną grupę materiałów, które ze względu na przewodnictwo elektryczne zajmują pośrednie miejsce pomiędzy metalami a izolatorami. Półprzewodniki stanowią oddzielną klasę substancji, gdyż ich przewodnictwo ma szereg charakterystycznych cech. W dostatecznie niskich temperaturach półprzewodnik staje się izolatorem.

Drugą ważną cechą półprzewodników jest zmiana przewodnictwa elektrycznego w wyniku niewielkich zmian ich składu.

Klasyfikacja materiałów elektrycznych

Budowa atomu krzemu i germanu

MODEL PASMOWY Teoria pasmowa – jest to teoria kwantowa

opisująca stany energetyczne elektronów w krysztale. W odróżnieniu od atomów, w których dozwolone stany energetyczne elektronów stanowią zbiór poziomów dyskretnych, dozwolone elektronowe stany energetyczne w kryształach mają charakter pasm o szerokości kilku elektronowoltów.

Pasmo przewodnictwa

Pasmo zabronione

Pasmo podstawowe

Wg

X

W

Przewodnik Półprzewodnik Izolator

Pasmo podstawowe

Pasmo zabronione

Pasmo przewodnictwa

Półprzewodniki samoistne Półprzewodnikiem samoistnym nazywamy półprzewodnik idealnie

czysty bez żadnych domieszek ani defektów sieci krystalicznej. Atomy półprzewodników (krzem, german) posiadają na

zewnętrznej powłoce (walencyjnej 4 elektrony. Każdy atom poprzez te elektrony łączy się z czterema innymi atomami. Powstaje w ten sposób bardzo trwałe wiązanie kowalencyjne.

Struktura półprzewodnika samoistnego oraz jego model pasmowy w temperaturze T=0K przedstawione są na poniższych rysunkach.

Rekombinacja

Generacja

Wpr

Wc

Wv

X0 L

WT >0 K

Foton

Foton

Przyjmuje się, że w temperaturze 0 kelwinów w paśmie przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w T>0K ma miejsce generacja par elektron-dziura; im wyższa temperatura, tym więcej takich par powstaje.

Półprzewodnik typu n i typu p (półprzewodniki niesamoistne)

Półprzewodnik niesamoistny jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryształu zamiast atomów pierwiastka materiału półprzewodnikowego znajduje się inny atom (np. w sieci krystalicznej krzemu znajduje się fosfor).

Powstaje wówczas tzw. półprzewodnik domieszkowany, a ten inny atom nazywamy domieszką. Rozróżniamy dwa rodzaje domieszek: donorową i akceptorową.

Jeśli na skutek nieregularności sieci krystalicznej w półprzewodniku będą przeważać nośniki typu dziurowego, to półprzewodnik taki nazywać będziemy półprzewodnikiem typu p (niedomiarowy). A gdy będą przeważać nośniki elektronowe, będziemy nazywać je półprzewodnikami typu n (nadmiarowy).

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

P+5

Elektron nadmiarowy

Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie – w procesie wzrostu kryształu krzemu – domieszki pierwiastka pięciowartościowego (np. antymon, fosfor). Niektóre atomy krzemu zostaną zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami

Rodzaje półprzewodników

Każdy atom domieszki ma pięć elektronów walencyjnych, z których cztery są związane z sąsiednimi atomami krzemu. A piąty elektron jest wolny i może być łatwo oderwany od atomu domieszki – jonizując dodatnio. Elektron wówczas przechodzi do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Atomy domieszki w modelu pasmowym półprzewodnika znajdują się na tzw. poziomie donorowym, który występuje w pobliżu dna pasma przewodnictwa półprzewodnika

Pasmo podstawowe

Poziom donorowy

Pasmo przewodnictwa (nadmiar elektronów)

Elektrony

X

W

Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, galu). Na rysunku przedstawiono model sieci krystalicznej krzemu z domieszką atomów indu.

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

Si+4

In+3

Dziura

Pasmo podstawowe(nadmiar dziur)

Poziom akceptorowy

Pasmo przewodnictwa

Dziury

X

W

Rodzaje półprzewodników

Półprzewodniki domieszkowane

Domieszki w krzemie

Domieszkowanie materiałów półprzewodnikowych

Złącze p-n czyli dioda półprzewodnikowa

Dioda półprzewodnikowa powstaje przez zetknięcie dwóch półprzewodników o różnych rodzajach przewodności niesamoistnej. Granica zetknięcia półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n nosi nazwę złącza p-n. Można je uzyskać w jednym krysztale, jeżeli wytworzyć w nim dzięki odpowiednim domieszkom równocześnie obszary o przewodności p i n. Złącza takie wytwarza się zwykle w czasie wzrostu (hodowania) kryształu lub metodami dyfuzji domieszek w podwyższonej temperaturze.

Rozkład ładunku i nośników w niespolaryzowanej diodzie półprzewodnikowej n-p– swobodne nośniki ładunku.

Rozwój elektroniki był i jest ściśle związany z rozwojem przyrządów półprzewodnikowych, osiąganiem przez nie większych prądów przewodzenia, wyższych napięć blokujących i korzystniejszych parametrów dynamicznych. Przyrządy półprzewodnikowe można podzielić na trzy zasadnicze grupy: przyrządy jonowe, elektronowe i półprzewodnikowe.

• jonowe to prostowniki rtęciowe, ignitrony i tyratrony,

• elektronowe to diody i triody próżniowe,

• półprzewodnikowe to diody półprzewodnikowe, tranzystory bipolarne, tyrystory konwencjonalne, tyrystory wyłączalne, tranzystory polowe mocy, tranzystory IGBT, ulepszone przyrządy mocy sterowane napięciowo, układy scalone analogowe i cyfrowe.

Rodzaje przyrządów półprzewodnikowych

Złącze typu n-p

p nZłącze n-p

Koncentracjadonorów iakceptorów

Koncentracjadziur ielektronów

dziury elektrony

Gęstość ładunku

potencjał

Dzięki dyfuzji elektronów z n do p i dziur z p do n powstaje w warstwie przejściowej strefa ujemnego i dodatniego ładunku przestrzennego stanowiącego warstwę zaporową. W warunkach równowagi termodynamicznej nie płynie prąd elektryczny.

Na wysokość bariery U możemy wpływać przez przyłożenie napięcia do złącza n-p.

U p n

    Przebicie złącza Przebicie złącza: oznacza zniszczenie lub trwałe uszkodzenie złącza pod wpływem gwałtownego wzrostu prądu, przy czym polaryzacja złącza występuje w kierunku zaporowym.

Zjawisko Zenera – występuje ono w złączach o wąskiej warstwie zaporowej lub silnie domieszkowanych. Istotą tego zjawiska jest przejście elektronu uwolnionego z wiązania kowalencyjnego z półprzewodnika typu P do typu N , nie mając energii większej od energii tej bariery. Takie przejście nazywamy tunelowym. W wyniku tego zjawiska gwałtownie zwiększa się prąd wsteczny złącza. Zjawisko Zenera występuje przy napięciach mniejszych niż 5V w złączach krzemowych.

p

p

n

n

   Zjawisko tunelowe.  Zjawisko tunelowe: występuje w złączach bardzo silnie domieszkowanych, przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. W modelu pasmowym, dno pasma podstawowego półprzewodnika typu P jest powyżej wierzchołka pasma przewodnictwa półprzewodnika typu N. To umożliwia przejście tunelowe nośników z półprzewodnika P do N, a utrudnia przejście w przeciwną stronę nawet przy bardzo małym napięciu polaryzacji.

p

p

n

n Zjawisko tunelowe

Literatura:

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKIA – Jakub

Dawidziuk

Notatki własne