1

1

WŁASNO

Ś

CI PÓŁPRZEWODNIKÓW

DO PÓŁPRZEWODNIKÓW ZALICZA SI

Ę

MATERIAŁY, KTÓRYCH

KONDUKTYWNO

ŚĆ

ZAWIERA SI

Ę

OD 10

-7

DO 10

5

1/

Ω·

m.

ICH KONDUKTYWNO

ŚĆ

ZALE

ś

Y SILNIE OD:

-CZYSTO

Ś

CI MATERIAŁU,

-TEMPERATURY,
-POLA ELEKTRYCZNEGO,
-PROMIENIOWANIA.

DO PÓŁPRZEWODNIKÓW ZALICZA SI

Ę

PIERWIASTKI Z IV GRUPY

UKŁADU OKRESOWEGO (tzw. ELEMENTARNE SKŁADAJ

Ą

CE SI

Ę

Z ATOMÓW JEDNEGO RODZAJU) I Z GRUP S

Ą

SIEDNICH

(TWORZ

Ą

RÓ

ś

NEGO RODZAJU ZWI

Ą

ZKI I OKRE

Ś

LANE S

Ą

JAKO ZŁO

ś

ONE).

MATERIAŁY PÓŁPRZEWODZ

Ą

CE

2

ZnS

ZnSe

ZnTe

CdS

CdSe

CdTe

AlP

AlAs

AlSb

GaP

GaAs

GaSb

InAs

InP

InSb

SiC

Si

Ge

ZŁO

ś

ONE

II-VI

ZŁO

ś

ONE

III-V

ZŁO

ś

ONE

IV-IV

ELEMENTARNE

IV

PÓŁPRZEWODNIKI ELEMENTARNE I ZŁO

ś

ONE

3

STRUKTURA PÓŁPRZEWODNIKÓW

Płaski obraz wi

ą

za

ń

w półprzewodniku samoistnym w stanie:

a) niewzbudzonym

b) wzbudzonym

PRZEWODNICTWO SAMOISTNE

elektron

dziura

4

Komórka elementarna sieci diamentu
dla kryształów Ge i Si

W przypadku półprzewodników

zło

ż

onych, tworz

ą

one struktur

ę

blendy cynkowej.

5

Model pasmowy półprzewodnika samoistnego

W

n

W

p

µ

F

<2eV

pasmo
przewodnictwa

pasmo
zabronione

pasmo
walencyjne

W

n

dolna granica pasma przewodnictwa,

µ

F

poziom Fermiego,

W

p

górna granica pasma walencyjnego,

niewzbudzonego

wzbudzonego

jonizacja

rekombinacja

0,17

0,35

1,6

1,1

0,7

0,33

Energia

jonizacji eV

InSb

PbS

Se

Si

Ge

Te

Półprzewodnik

W Ge w temperaturze 300K na 10

23

atomów/cm

3

liczba zerwanych wi

ą

za

ń

wynosi 10

13

6

W

n

W

p

µ

F

E

pr

ą

d elektronowy

pr

ą

d dziurowy

2

7

PRZEWODNICTWO DOMIESZKOWE

Płaski obraz wi

ą

za

ń

w półprzewodniku niesamoistnym (domieszkowym):

a) Typu „n”

Otrzymuje si

ę

dodaj

ą

c do czystego Ge

lub Si domieszki pierwiastka z V gr. układu
okresowego w stosunku 1:10

6

. Jako

domieszki donorowe stosuje si

ę

:

P, As, Sb, Bi.
No

ś

nikami wi

ę

kszo

ś

ciowymi

s

ą

elektrony.

swobodny
elektron

Sb

Si

Si

Si

Si

W

n

-dolny poziom pasma

przewodnictwa
W

d

- poziom donorowy

W

p

-górny poziom pasma

walencyjnego

∆

∆∆

∆

W

d

=W

n

-W

d

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

poziom
Fermiego

8

b) Typu „p”

Otrzymuje si

ę

dodaj

ą

c do czystego Ge

lub Si domieszki pierwiastka z III gr.
układu okresowego. Jako domieszki
akceptorowe stosuje si

ę

:

B, Al, Ga, In.
No

ś

nikami wi

ę

kszo

ś

ciowymi s

ą

dziury.

dziura

B

Si

Si

Si

Si

W

p

∆

∆∆

∆

W

a

=W

a

-W

p

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

poziom
Fermiego

poziom

akceptorowy

W

a

W

n

9

MODELE PASMOWE PÓŁPRZEWODNIKÓW

DOMIESZKOWYCH

TYPU „n”

∆∆∆∆

W

d

=W

n

-W

d

TYPU „p”

∆∆∆∆

W

a

=W

a

-W

p

W

d

- poziom donorowy

Wa- poziom akceptorowy

W

p

-górny poziom pasma walencyjnego

W

n

-dolny poziom pasma przewodnictwa

10

11

KONDUKTYWNO

ŚĆ

PÓŁPRZEWODNIKÓW

E

enuE

j

γ

=

=

E

E

u

en

j

n

n

n

n

γ

=

=

E

E

u

en

j

p

p

p

p

γ

=

=

(

)

E

E

u

n

u

n

e

j

j

j

n

n

p

p

p

n

γ

=

+

=

+

=

gdzie:
j - g

ę

sto

ść

pr

ą

du

n – koncentracja no

ś

ników ładunku

u – ruchliwo

ść

ładunków

γ

- konduktywno

ść

E – pole elektryczne

12

kT

2

W

2

3

e

T

n

∆

−

⋅

≈

W półprzewodnikach samoistnych

E

enuE

j

γ

=

=

T

→

γ

→

u n

→

ρ

3

13

W półprzewodnikach domieszkowych

γ

=

γ

s

+

γ

d

lg

γ

T

I

II

III

I -

γγγγ

d

>

γγγγ

s

II –

wszystkie domieszki

s

ą

zjonizowane, n-stała

u –maleje st

ą

d

γγγγ

maleje

III –

ro

ś

nie udział

γγγγ

s

14

γ

Φ

ZALE

ś

NO

ŚĆ

PRZEWODNO

Ś

CI PÓŁPRZEWODNIKÓW OD:

NAT

Ęś

ENIA

Ś

WIATŁA

NAT

Ęś

ENIA POLA

ELEKTRYCZNEGO

γ

E

15

FOTOPRZEWODNICTWO

Fotoprzewodnictwo to zwi

ę

kszenie konduktywno

ś

ci półprzewodnika

pod wpływem promieniowania

ś

wietlnego. Energia fotonów

promieniowania pozwala na przechodzenie elektronów do pasma
przewodnictwa.
Najwi

ę

ksza długo

ść

fali promieniowania wywołuj

ą

cego efekt fotoprzewod-

nictwa to

długo

ść

progowa

. Zale

ż

y ona od szeroko

ś

ci pasma

zabronionego.

W

h

c

W

f

∆

≥

λ

⋅

=

W

h

c

prog

∆

⋅

≤

λ

W

f

–energia promieniowania

c – pr

ę

dko

ść

ś

wiatła

λ

- długo

ść

fali

∆∆∆∆

W – szeroko

ść

pasma zabronionego

h –stała Plancka

Pasmo promieniowania widzialnego
0,38<

λλλλ

<0,78

µ

m

16

LUMINESCENCJA

Luminescencja - absorbowanie energii a nast

ę

pnie jej emitowanie

w postaci kwantów promieniowania widzialnego.
Substancje o własno

ś

ciach luminescencyjnych - luminofory.

Rodzaje luminescencji:
-Fotoluminescencja wywołan

ą

promieniowaniem widzialnym, nadfiołk.,

rentgenowskim (lampy o

ś

wietleniowe, ekrany rentgenowskie),

-Elektroluminescencja (luminescencja katodowa) powstaje przy
bombardowaniu luminoforu elektronami (lampy oscyloskop., kineskopy),
-Elektroluminescencja powstaje pod wpływem pr

ą

du i pola elektr.,

-Chemiluminescencja - wynik przemian chemicznych.
Fluorescencja –pobudzenie luminoforu i emisja zachodz

ą

prawie

jednocze

ś

nie.

Fosforencja – promieniowanie utrzymuje si

ę

przez pewien czas po

usuni

ę

ciu

ź

ródła pobudzaj

ą

cego.

Luminofory zawieraj

ą

tlenki lub siarczki: Zn, Ca, Kd, Mg, Be, W, Si. W celu

poprawy wydajno

ś

ci

ś

wietlnej, barwy lub po

ś

wiaty dodaje si

ę

0,1-1%

domieszek metalicznych tzw. aktywatorów (Mn, Fe, Ag, Cr, Tr).
Najcz

ęś

ciej stosowany luminofor to mieszanina zawieraj

ą

ca m.in. w

ę

glany

wapnia i manganu (CaCO

3

, MnCO

3

), kwa

ś

ny fosforan wapnia (CaHPO

4

).

17

SIŁA LORENTZA

I

B

F=e(

νννν

xB)

+e

ν

B

F

-e

B

ν

F

-e

ν

I

+e

18

Reguła lewej dłoni

Zakrzywienie toru cz

ą

stki w polu

magnetycznym

4

19

I

B

υ

F

m

F

e

E

H

U

H

h

d

(

)

B

e

F

m

×

ν

−

=

H

e

eE

F

−

=

ZJAWISKO HALLA dla półprzewodnika typu „n”

20

(

)

B

e

F

m

×

ν

−

=

H

e

eE

F

−

=

(

)

H

eE

B

e

−

=

×

ν

−

d

U

E

H

H

=

H

E

B

=

⋅

ν

e

m

F

F

=

F

m

- siła Lorenza

e – ładunek
B – indukcja magnetyczna

υυυυ

- pr

ę

dko

ść

elektronu

F

e

– siła pola elektrycznego

E

H

– pole Halla

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

U

H

– napi

ę

cie Halla

21

H

U

Bd

=

ν

H

H

R

h

IB

U

=

ν

=

=

hden

hdj

I

[

]

s

A

/

m

en

1

R

3

H

⋅

=

(7)

(8)

(9)

(10)

I – pr

ą

d płyn

ą

cy przez płytk

ę

h, d – odpowiednio wysoko

ść

,

szeroko

ść

płytki

n – koncentracja no

ś

ników

R

H

– stała Halla

Przykładowe warto

ś

ci stałej Halla dla:

-arsenek indu InAs 0,9

·

10

-3

-antymonek indu InSb 0,5

·

10

-3

[

]

s

A

/

m

3

⋅

hden

I

=

ν

(11)

22

I

B

F

m

F

e

E

H

U

H

h

d

(

)

B

e

F

m

×

ν

=

H

e

eE

F

=

ZJAWISKO HALLA dla półprzewodnika typu „p”

υ

23

const

I

s

=

B

1

I

∼∼∼∼

H

U

1

I

∼∼∼∼

Pomiar bezpo

ś

redni

B

ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW HALLA (HALLOTRONÓW)

Hallotrony znalazły zastosowanie do pomiarów:
-Indukcji magnetycznej i nat

ęż

enia pr

ą

du

-Mocy pr

ą

du stałego i zmiennego

-Rezystancji
-K

ą

ta obrotu, przesuni

ę

cia

A tak

ż

e w układach logicznych do:

-Dodawania
-Odejmowania
-Mno

ż

enia itd..

POMIAR PR

Ą

DU

24

HALLOTRONOWY ELEMENT MNO

śĄ

CY

POMIAR MOCY

U

H

∼∼∼∼

s

I

i B

B=k”I

B

U

H

=k’I

s

I

B

U

H

=k’I

s

I

B

=k’I

0

U/R=kP

0

I

0

=I

B

Pomiar mocy

I

s

=U/R

R=R

u

+R

H

R

u

R

H

opór hallotronu

opór dodatkowy

Element mno

żą

cy

5

25

POMIARY PRZESUNI

ĘĆ

I DRGA

Ń

MECHANICZNYCH

26

BEZSTYKOWY POMIAR PR

Ą

DU

Zakres liniowych
zmian

H

B

Prąd wywołuje strumień
indukcji w rdzeniu, w którego
szczelinie umieszczona jest
płytka (spolaryzowana prądem
ze źródła prądowego IC).

Napięcie Halla jest
proporcjonalne do

prądu pomiarowego (od kilku
A do kilkudziesięciu kA).

27

ZŁ

Ą

CZE p-n

typ n

typ p

n+= 10

16

cm

-3

n- = 10

16

cm

-3

Płytki półprzewodnika
przed zetkni

ę

ciem

lg n

16

13

10

n+

n+

n-

n-

x

28

typ p

n+= 10

16

cm

-3

Płytki półprzewodnika po zetkni

ę

ciu

lg n

16

13

10

n+

n+

n-

n-

x

typ n

n- = 10

16

cm

-3

E

zap

ρρρρ

d

szeroko

ść

zł

ą

cza p-n

wynosi ok. 10

-4

cm

Na skutek dyfuzji elektrony i dziury
(z obszarów granicz

ą

cych ze sob

ą

)

przechodz

ą

z obszarów o du

ż

ej

koncentracji tam, gdzie ich
koncentracja jest mniejsza.
Powstaje pole zaporowe E

zap

, które

po osi

ą

gni

ę

ciu odp. warto

ś

ci

hamuje dyfuzj

ę

.

Rozkład
ładunków
przestrzennych

29

Model pasmowy zł

ą

cza p-n w stanie równowagi

∆ϕ

∆ϕ

∆ϕ

∆ϕ

b

– bariera potencjałów

pasmo przewodnictwa

pasmo walencyjne

e

∆ϕ

∆ϕ

∆ϕ

∆ϕ

b

zł

ą

cze p-n

obszar
graniczny

30

Mechanizm przewodzenia pr

ą

du przez zł

ą

cze p-n

typ p

E

zap

typ n

Zł

ą

cze w stanie

równowagi

pasmo
przewodnictwa

pasmo walencyjne

zł

ą

cze p-n

obszar
graniczny

poziom
Fermiego

6

31

Mechanizm przewodzenia pr

ą

du przez zł

ą

cze p-n

Zewn

ę

trzne pole

elektryczne E
jest skierowane
przeciwnie do pola
zaporowego E

zap

-

zł

ą

cze przewodzi

typ p

E

zap

typ n

+

-

E

pasmo przewodnictwa

pasmo walencyjne

poziom
Fermiego

zł

ą

cze p-n

obszar
graniczny

32

Zewn

ę

trzne pole elektryczne E jest skierowane zgodnie z

polem zaporowym E

zap

- zł

ą

cze nie przewodzi

E

typ p

E

zap

typ n

+

-

obszar
graniczny

zł

ą

cze p-n

pasmo walencyjne

pasmo przewodnictwa

33

Kompensacja i dyfuzja w półprzewodnikach

x

1

, x

2

–gł

ę

boko

ść

na

której powstaje zł

ą

cze

dla czasu t

1

i t

2

1- typ „p”

2- warstwa domieszki
donorowej

Kompensacj

ę

przeprowadza si

ę

w temperaturze około 1000°C w ci

ą

gu

kilkudziesi

ę

ciu minut, wykorzystuj

ą

c zachodz

ą

ce w tym czasie zjawisko

dyfuzji. Uzyskuje si

ę

koncentracje rz

ę

du 10

18

atomów domieszki/cm

3

.

Przebieg procesu zale

ż

y od temperatury T i czasu t.

x

2

1

x

x

1

x

2

t

1

t

2

n

-

, n

+

n

+

n

-

(t,x)

n

p

n

p

34

ELEMENTY ZŁ

Ą

CZOWE :

1. DIODY PROSTOWNICZE ( Ge, Si, Se ) – PRZEWODZENIE

JEDNOKIERUNKOWE,

2. DIODY ZENERA ( Ge, Si ) – STABILIZACJA NAPI

Ę

CIA,

3. FOTODIODY ( Ge, Si, Se ) – PRZETWARZANIE SYGNAŁU

Ś

WIETLNEGO (PROMIENIOWANIA) NA SYGNAŁ ELEKTRYCZNY,

4. OGNIWA FOTOELEKTRYCZNE ( Ge, Si ) – PRZEMIANA ENERGII

Ś

WIETLNEJ PROMIENIOWANIA NA ELEKTRYCZN

Ą

,

5. OGNIWA SŁONECZNE ( a-Si:H –uwodorniony krzem, CdS, CdTe ) –

PRZEMIANA EN. PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO NA ENERGI

Ę

ELEKTRYCZN

Ą

,

6. TRANZYSTORY ( Ge, Si ) – WZMOCNIENIE SYGNAŁÓW PR

Ą

DOWYCH

LUB NAPI

Ę

CIOWYCH,

7. DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNE ( GaAs

1-x

P

x

) – EMISJA

Ś

WIATŁA POD WPŁYWEM PŁYN

Ą

CEGO PR

Ą

DU,

8. TYRYSTORY –DZIAŁANIE JAK TRANZYSTORY - STEROWANE,
9. LASERY ZŁ

Ą

CZOWE (GaAs, GaAsP) – WZMACNIANIE SWIATŁA

PRZEZ WYMUSZON

Ą

EMISJ

Ę

PROMIENIOWANIA,

Zastosowanie półprzewodników

35

ELEMENTY OBJ

Ę

TO

Ś

CIOWE :

1. FOTOREZYSTORY ( PbS, Bi

2

S

3

, CdS ) – ZMIANA REZYSTANCJI

POD WPŁYWEM

Ś

WIATŁA,

2. OGNIWA TERMOELEKTRYCZNE (zwi

ą

zki Bi, Te, Se i Sb ) –

PRZEMIANA EN. CIEPLNEJ W ELEKTRYCZN

Ą

Z WYKORZYSTANIEM

ZJAWISKA SEEBECKA

3. TERMISTORY ( BaTiO

3

, Fe

2

O

3

&&&&

TiO

2

) ZMIANA REZYSTANCJI

POD WPŁYWEM TEMPERATURY,

4. WARYSTORY ( ZnO, SiO ) – ZMIANA REZYSTANCJI POD WPŁYWEM

NAPI

Ę

CIA,

5. HALLOTRONY – CZUJNIKI HALLA ( InSb, InAs ) – POMIAR PR

Ą

DU,

INDUKCJI MAGNET.

36

Diody półprzewodnikowe

Charakterystyka pr

ą

dowo-napi

ę

ciowa

diody

7

37

Dioda germanowa

Dioda krzemowa

1 – katoda (FeNiCo) 4 – Ge typu „n”
2 – anoda (In) 5 – spoiwo PbSn
3 – Ge typu „p”

Ge

dopuszczalne napi

ę

cie wsteczne 300 V

dopuszczalne g

ę

sto

ść

pr

ą

du 400·10

3

A/m

2

dopuszczalne temperatura pracy +75 ºC

Si

2 kV

800·10

3

A/m

2

+200 ºC

38

Diody półprzewodnikowe - zastosowanie

Rys. Prostownik jednopołówkowy

Rys. Prostownik dwupołówkowy

Ź

ródło http://www.edw.com.pl/ea/diody.html

39

Fotodiody

a) krzemowa

b) germanowa

1 – promieniowanie,

2 – elektroda,

3 - elektroda pier

ś

cieniowa

40

41

42

STABILIZATOR Z DIOD

Ą

ZENERA

Rys. Stabilizator z diodą Zenera.
a) schemat,
b) zakres napięcia wyjściowego w

funkcji zmian napięcia
wejściowego,

c) zakres zmian napięcia wyjściowego

w funkcji zmian prądu
obciążenia.

Ź

ródło: http://www.elektroda.net/pomoce/doc/elektronika/uklady%20zasilajace.htm

z

we

U

RI

U

+

=

z

wy

U

U

=

RI

U

U

we

wy

−

=

8

43

Warystory

Charakterystyk

ę

warystora mo

ż

na opisa

ć

równaniem:

β

=

CI

U

C – stała

ββββ

- wsp. nieliniowo

ś

ci

I

U

U’

dU

dI

I’

'

U

'I

dI

dU

β

⋅

=

44

Zastosowanie warystorów

W układach niskiego napi

ę

cia:

- w układach stabilizacji napi

ę

cia,

- do gaszenia iskrze

ń

na stykach,

- zabezpieczenia od przepi

ęć

komunikacyjnych,

- w telefonii, telewizji.

W układach wysokiego napi

ę

cia:

- w odgromnikach zaworowych

Materiały stosowane na warystory:
-SiC o wsp.

ββββ

= 0,1…0,2

-ZnO o wsp.

ββββ

= 0,03…0,02

45

TERMISTORY NTC (GOR

Ą

CE)

W półprzewodnikach wzrost temperatury prowadzi do wzrostu
konduktywno

ś

ci. Zjawisko to jest b. silne w tlenkach Mn, Ti, Co, Fe, Al.,

Cu, Li. Maj

ą

one ujemny wsp. temperaturowy rezystywno

ś

ci (Negative

Temperature Coefficient st

ą

d nazwa NTC).













−

=

0

T

1

T

1

b

0

e

R

R

Współczynnik temperaturowy
rezystywno

ś

ci

4x10

-2

46

TERMISTORY PTC (ZIMNE)

Wykonuje si

ę

je z półprzewodz

ą

cych, ferroelektrycznych materiałów:

polikrystaliczny tytanian baru BaTiO

3

, lub roztwór stały BaTiO

3

-SrTiO

3

.

W stanie zimnym opór jest stosunkowo mały i wykazuje wsp. ujemny.
Ze wzgl

ę

du na własno

ś

ci ferroelektryczne, w wy

ż

szych temperaturach

nast

ę

puje porz

ą

dkowanie kryształów, szybki wzrost oporu w funkcji

temperatury i zmiany współczynnika na dodatni.