Przyrządy i układy

półprzewodnikowe

Prof. dr hab. Ewa Popko

ewa.popko@pwr.edu.pl

www.if.pwr.wroc.pl/~popko

p.231a A-1

Wy1,

Wy2

Współczesna technologia półprzewodników i urządzeń półprzewodnikowych.

Wzrost kryształów litych i warstw epitaksjalnych.

Wy3 Rodzaje półprzewodników i ich właściwości.

Wy4Koncentracja równowagowa elektronów i dziur w półprzewodnikach

samoistnych i domieszkowanych

Wy5 Nośniki nadmiarowe w półprzewodnikach: ekscytacja optyczna i elektryczna

Wy6Dyfuzja i dryft nośników. Relacja Einsteina. Równanie ciągłości. Kwazi-

poziomy Fermiego.

Wy7 Złącze p-n w stanie równowagi termodynamicznej.

Wy8Ładunek przestrzenny w złączu p-n. Równanie Poissona i jego rozwiązanie.

Pole elektryczne w złączu. Obszar zubożony i potencjał wbudowany.

Wy9 Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n. Równanie Schockley’a.

Wy10 Model małosygnałowy diody p-n. Dioda w układach prostowniczych.

Wy11 Pojemność złącza p-n. Waraktory.

Wy12 Transport prądu przez rzeczywiste złącze p-n.

Wy13Efekt Zenera, jonizacja zderzeniowa. Dioda Zenera i dioda lawinowa. Układy

pracy.

Wy14Złącze metal-półprzewodnik: prostujące i omowe. Charakterystyka I-V diody

Schottky’ego. Zastosowania.

Wy15 Test zaliczeniowy

Zawartość wykładu

Literatura

• LITERATURA PODSTAWOWA:

• [1] Materiały do wykładu, dostępne poprzez internet :

www.if.pwr.wroc.pl/~popko

• [2] E.Płaczek-Popko, „Fizyka odnawialnych źródeł energii” Skrypt DBC

• [3] W.Marciniak “Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone” WNT

Warszawa 1987

• [4] S.Kuta „Elementy i układy elektroniczne” Wyd. AGH, wyd. I 2000

• LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:

• [1] S.M.Sze „ Physics of Semiconductor Devices” J.Wiley and Sons, NY

1981, dostępna wersja elektroniczna, e-książki, BG P.Wr.

• [2] M.Rusek, J.Pasierbiński “Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i

odpowiedziach” WNT Warszawa 1990

Pierwszy tranzystor

Wstęp do półprzewodników

1. Budowa atomu

2. Półprzewodniki, przewodniki i izolatory

3. Wiązanie kowalencyjne

4. Przewodnictwo półprzewodników

Półprzewodniki - historia

Atom zbudowany jest z trzech podstawowych cząstek:

Protony

(ładunek dodatni)

Neutrony

(obojętne)

Jądro

(rdzeń atomowy)

Elektrony

(ładunek ujemny)

ATOM

Budowa atomu

Liczba atomowa Liczba atomowa = liczbie protonów w jądrze Kolejność atomów w tablicy układu okresowego wynika z liczby atomowej

Budowa atomu

Atom wodoru Atom helu

Powłoki i orbity- Orbity grupują się w powłoki (ang. shells)

- Różnice energii pomiędzy poziomami w obrębie powłoki są << od różnic

energii pomiędzy powłokami

- Energia elektronu rośnie ze wzrostem odległości od jądra

Budowa atomu

Elektrony walencyjne- Elektrony o najwyższej energii znajdują się na zewnętrznych powłokach - Są to elektrony walencyjne- Walencyjność – potencjał konieczny do usunięcia elektronu walencyjnego

Budowa atomu

Atom krzemu Atom germanu

4 elektrony

walencyjne

Niels Bohr - 1915

• elektrony krążą wokół jądra

• jadro jest zbudowane z:

i) +protonów

ii) neutralnych neutronów

Model Bohra

• Atom może być przedstawiony jako powłoka walencyjna i rdzeń

• Rdzeń składa się z wewnętrznych powłok i jadra

Atom węgla:

-powłoka walencyjna – 4 e

-wewnętrzna – 2 e

Jadro:

-6 protonów

-6 neutronów

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory

Przewodniki

materiał przewodzący prąd elektryczny

Najlepsze przewodniki są monoatomowe (Cu, Ag, Au, Al)

jeden elektron walencyjny słabo związany z atomem – swobodny elektron

izotalory

materiał nie przewodzący prądu elektrycznego

elektrony walencyjne są mocno związane z atomem, brak swobodnych

elektronów

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory

materiał, który przewodzi prąd elektryczny lepiej niż izolator i gorzej niż

przewodnik

powszechnie używane półprzewodniki: krzem(Si), german Ge), i diament (C).

te półprzewodniki posiadają 4 elektrony walencyjne

Półprzewodniki

Układ okresowy pierwiastków

• W obrębie okresu promienie atomów zmniejszają się malejąc w danym okresie od strony lewej do

prawej. Wiąże się to ze wzrostem liczby protonów w jądrze, tzn. z silniejszym przyciąganiem

elektronów przez jądro.

• W obrębie grup promienie atomów wzrastają wraz ze wzrostem liczb atomowych. Wiąże się to ze

wzrostem liczby powłok elektronowych, których wpływ na wielkość średnicy atomu

przewyższa wpływ wzrostu ładunku jądra, decydującego o zmniejszeniu średnicy atomu

Pasma energetyczne

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory

• W ciałach stałych istotnemu rozszczepieniu ulegają stany elektronów

walencyjnych.

• Rozszczepione poziomy grupują się w pasma.

• Najwyższe pasmo obsadzone elektronami w niemetalach nazywa się

pasmem walencyjnym.

• Sąsiednie wyższe pasmo nazywa się pasmem przewodnictwa.

• Obszar energii zawartej pomiędzy pasmami, niedozwolony dla

elektronów nazywa się przerwą wzbronioną.

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory

Struktura pasmowa

1eV (elektronowolt) – energia, jaką uzyskuje elektron w polu elektrycznym o

różnicy potencjałów 1V

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory

Porównanie atomu półprzewodnika i przewodnika

Atom Cu:

•Tylko 1 elektron walencyjny•Dobry przewodnik•Konfiguracja elektronowa:2:8:18:1

Atom Si:

•4 elektrony walencyjne•półprzewodnik•Konfiguracja elektronowa: 2:8:4

14 protonów14 jąder

10 elektronów na powłokach wewnętrznych

29 protonów29 jąder

28 elektronówna powłokach wewnętrznych

Półprzewodniki, przewodniki i izolatory

Stała sieci, konfiguracja elektronowa i przerwa

wzbroniona