Przyrządy i technologie stosowane w fizyce ciała stałego

Prof. J. Zieliński

Terminy zaliczeń poprawkowych w semestrze letnim
2010/11
o 28 marzec

o 18 kwiecień

o 16 maj

o 13 czerwiec

Przypominam, że

 na wszystkie kolejne terminy poprawkowe
obowiązują karty zie-lone.

 Do zaliczenia można podejść po zaliczeniu ćwiczeń
rachunko-wych

 zaliczona w terminie zerowym teoria a nie wpisana

zaliczona w terminie zerowym teoria a nie wpisana

do indeksu została skreślona

Zaliczenia zaczynają się o
godz. 15
sala 2 bud 5

W tym semestrze

Zaliczenie przedmiotu jest w formie egzaminu

> Aby móc przystąpić do egzaminu trzeba mieć
zaliczone ćwicze-nia i laboratoria. Pozytywne oceny
muszą być wpisane do karty o-cen i do indeksu.

Egzamin składa się z dwóch części:

- Pisemnej student pisze odpowiedź na 3 pytania z
zestawu 4-ech

- Ustnej odpowiedzi uzupełniające na pytania z
zestawu pisemne-go + inne pytania.

Złącze p-n

Złącze p-n – bryła półprzewodnika monokrystalicznego,

utworzona przez dwie graniczące ze sobą warstwy
typu p i typu n. Stanowi podstawową część wielu
elementów półprzewodnikowych.

Po zetknięciu warstw n i p wskutek dużej koncentracji

ruchomych nośników następuje proces dyfuzji :
- elektronów z warstwy n >>>do p,
- oraz dziur z warstwy p >>> do n

Działanie większości elementów półprzewodnikowych opiera

się na współdziałaniu złącza p-n i obszaru przelotowego
(transportu), stanowiącego na ogół obszar półprzewodnika jednego
rodzaju. Złącza umożliwiają wprowa-dzenie, odprowadzenie i
sterowanie

strumienia

nośników

ładunku.

Złącza mogą być następujące:

metal – metal,

półprzewodnik – półprzewodnik,

dielektryk – dielektryk,

metal – półprzewodnik oraz

dielektryk – półprzewodnik.

Najczęściej wykorzystywane są złącza

metal – półprzewodnik i półprzewodnik –
półprzewodnik

Warstwa zaporowa w złączu p-n. Model pasmowy
złącza.

Połączenie dwóch kryształów (monokryształów) ciała
stałego (pół-przewodnik, metal) w ten sposób, że tworzą
one ścisły kontakt na-zywamy złączem.

Złącze p-n stanowi warstwę przejściową między

obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n.
Domieszka  akce-ptorowa  w  obszarze  typu  p  sprawia,  że
koncentracja  dziur  w  tym  obszarze  jest  większa  niż
elektronów  –  przewodnictwo  dziurowe.  Natomiast
domieszka  donorowa  w  obszarze  typu  n  prowadzi  do
przewagi  elektronów  w  tym  obszarze  –  przewodnictwo
elektrono-we.

Dziury w obszarze p i elektrony w obszarze n

stanowią nośniki większościowe. Przed zetknięciem każdy
z  obszarów  jest  elektrycznie  obojętny,  ponieważ  ładunek
dziur  i  elektronów  zostaje  skompensowany  ładunkiem
jonów  domieszki  umieszczonych  w  węzłach  siatki
krystalicznej.

W  momencie  zetknięcia  się  półprzewodnika  typu  p  i  typu  n,
następuje  wza-jemny  przepływ  nośników.  Różnica  koncentracji
nośników  ładunku  powoduje  ich  przemieszczanie  –  dyfuzję.
Elektrony  z  obszaru  przyzłączowego  n  dyfun-dują  do  obszaru  p;
podobnie postępują dziury z obszaru przyzłączowego p przechodzą
do  obszaru  n.  W  wyniku  procesu  dyfuzji  płyną  prądy  dyfuzyjne.
Nośniki  przedostające  się  do  przeciwnych  obszarów  stają  się
nadmiarowymi  nośnikami  mniejszościowymi  w  tych  obszarach.
Nośniki  te  rekombinują  z  no-śnikami  większościowymi,  które  nie
przeszły  na  drugą  stronę  złącza.

W wyni-ku tego w obszarze n

powstaje nadmiar ładunku jonów dodatnich,

w obsza-rze p

nadmiar ładunku jonów ujemnych

. Są to ładunki jonów ulokowanych

(nieruchomych) w węzłach siatki krystalicznej. W obszarach
przyzłączo-wych

powstaje

więc

podwójna

warstwa

nieskompensowanych ładun-ków. Nazywa się ona warstwą
zaporową, obszarem ładunku przestrzen-nego lub obszarem
zubożonym,

gdzie

nie

praktycznie

nośników

wię-

kszościowych.

Po utworzeniu takiej warstwy przepływ

nośników  większościowych  zostaje  zahamowany,  gdyż  ładunek
przestrzenny  dodatni  po  stronie  n  będzie  hamował  dalszy  dopływ
nośników  (dziur)  dodatnich  z  obszaru  p  do  n  oraz  ładunek  ujemny
po  stronie  p  będzie  hamował  dalszy  dopływ  nośników  (elektronów)
ujemnych  z  obszaru  n  do  p.  tworzy  się  pole  elektryczne
reprezentowane przez barierę potencjału. Wysokość bariery, a więc
różnica potencjałów, nazywana napięciem dyfuzyjnym

gdzie: q – ładunek elektronu; k- stała Boltzmanna; T- temperatura
bezwzględna;
Na, Nd – koncentracja akceptorów i donorów; n

– koncentracja samoistna

półprzewodnika.

Gęstość  ładunku  nieskompensowanego  po  obu  stronach
bariery po-tencjału jest równa odpowiednim koncentracjom
domieszek akcep-torów i donorów (Na, Nd) w temperaturze
pokojowej.
Pole  elektryczne  wytworzone  przez  ładunek  przestrzenny
sprzyja  przepływowi  nośników  mniejszościowych.  Nośniki
mniejszościowe (elektrony w obszarze p, dziury w obszarze
n) powstają w wyniku generacji termicznej. Niektóre z nich
dyfundują

krawędziom

war-stwy

zaporowej

„przechodzą” na drugą stronę. Oprócz prądów dy-fuzyjnych
nośników większościowych przez złącze płyną prądy uno-
szenia I

i I

nośników mniejszościowych. Kierunki tych

prądów są przeciwne do kierunków prądów dyfuzyjnych.

Model pasmowy złącza.
a) przed utworzeniem, b) po utworzeniu.
n, p – typ półprzewodnika, W

– wierzchołek pasma podstawowego, W

–

dno pasma przewodnictwa, W

– poziom Fermiego, Wi – poziom

samoistny, l

– szerokość warstwy zaporowej, U

– napięcie dyfuzyjne.

Polaryzacja złącza p-n w kierunku przewodzenia.

Polaryzacja to stan, jaki występuje w złączu pod wpływem

przyłoże-nia z zewnątrz różnych potencjałów do obydwu

obszarów półprze-wodnika.

Jeżeli do półprzewodnika typu p przyłożymy potencjał
dodatni, a do półprzewodnika typu n – potencjał ujemny,
wówczas mówimy, że złącze jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia. Zmniejsza się bariera potencjału do wartości:

przy czym: U – napięcie zewnętrzne, U

– napięcie dyfuzyjne

Maleje szerokość warstwy zaporowej (we wzorze należy
zamiast U

podstawić U

– U), maleją ładunek i natężenie

pola

elektrycznego.

Zmniejszenie

bariery

potencjału

powoduje  wzrost  prądu  dyfuzyjnego,  tj.  wzrost  liczby  dziur
przechodzących  z  obszaru  p  do  obszaru  n  i  ele-ktronów
przechodzących z obszaru n do obszaru p. Te dodatkowe no-
śniki  są  nazywane  wstrzykniętymi  nadmiarowymi  nośnikami
mniejszo-ściowymi Δp i Δn.
W chwili wprowadzenia przyciągają one nośniki o przeciwnym
znaku  –  większościowe  w  danym  obszarze.  Koncentracja
nośników  nadmiarowych  Δp  i  Δn  zmniejsza  się  zatem
wykładniczo  w  miarę  oddalania  się  od  warstwy  zaporowej  w
wyniku  rekombinacji  z  nośnikami  większościowymi.  Wskutek
niejednakowej

koncentracji,

wstrzyknięte

nośniki

mniejszościowe dyfundują do obszarów o mniejszej
koncentracji, a więc w kierunku doprowadzeń. Jednocześnie
od

strony

doprowadzeń

napływają

nowe

nośniki

większościowe,  wprowadzone  przy  polaryzacji  złącza,
zapewniające  neutralizację  ładunku  wprowadzonego  do
poszczególnych  obszarów.  Prądy  unoszenia  Ipu  i  Inu
praktycznie  zostają  niezmienne.  W  wyniku  zwiększania
składowej dyfuzyjnej prądu, w obwodzie zewnętrznym płynie
prąd

Polaryzacja złącza p-n w kierunku zaporowym.

Złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym wtedy, gdy do

półprzewo-dnika typu n przyłożymy potencjał wyższy (plus), a do

półprzewodnika typu p – niższy (minus).

Napięcie zewnętrzne ma kierunek zgodny z kierunkiem napięcia U

Nastę-puje dalszy odpływ swobodnych nośników z obszaru
otaczającego warstwę zaporową. Zwiększa się szerokość i wzrasta
bariera potencjału.

Zwiększenie  bariery  potencjału  powoduje  zmniejszenie  dyfuzji
nośników, czyli zmniejszenie koncentracji nośników wprowadzanych
na  drugą  stronę  złącza.  Bariera  ta  nie  stanowi  „przeszkody”  dla
przepływu  prądu  unoszenia  –  prądu  wstecznego.  Jest  on  jednak
niewielki  10

^–6

- 10

^-12

A i bardzo nieznacznie zależy od wartości

przyłożonego  napięcia,  zależy  natomiast  od  temperatury  złącza  i
technologii jego wytwarzania.
  Zależność  prądu  I  od  napięcia  zewnętrznego  U  przy  polaryzacji  w
kierunku zaporowym jest analogiczna z wzorem (4.5), z tym że przy
polaryzacji  w  kie-runku  przewodzenia  napięcie  U  jest  dodatnie,  a
przy

polaryzacji

kierunku

zaporowym

jest

ujemne.

Charakterystyka prądowo – napięciowa pokazana została na
rysunku.

3. Przebicie złącza

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

Zjawisko Zenera – występuje ono w
złą-czach

wąskiej

warstwie

zaporowej

lub

silnie

domieszkowanych. Istotą tego zja-
wiska

jest

przejście

elektronu

uwolnionego

wiązania

kowalencyjnego  z  półprzewo-dnika
typu  p  do  typu  n  ,  nie  mając  energii
większej  od  energii  tej  bariery.  Takie
przej-ście  nazywamy  tunelowym.  W
wyniku  tego  zjawiska  gwałtownie
zwiększa  się  prąd  wsteczny  złącza.
Zjawisko  Zenera  wystę-puje  przy
napięciach  mniejszych  niż  5V  w
złączach krzemowych.

Powielanie Lawinowe – Zjawisko to występuje w obszarze warstwy
zaporo-wej. Polega ono na rozpędzeniu w silnym polu elektrycznym,
nośnika  swobo-dnego,  który  zderza  się  z  innym  elektronem  w  sieci
krystalicznej  i  wybija  go.  Ilościowo  zjawisko  to  opisywane  przez
współczynnik  powielania  lawino-wego  –  M,  określany  jako
stosunek  liczby  nośników  opuszczających  warstwę  zaporową  do
liczby  nośników  wchodzących  do  niej.  Zjawisko  Powielania
lawinowego występuje przy spolaryzowaniu napięciem większym niż
7V.  Wartość  tego  napięcia  zależy  od  stopnia  domieszkowania:  im
większe domieszkowanie tym mniejsza wartość napięcia.

Zjawisko Zenera i Powielanie Lawinowe w swej istocie nie niszczą trwale

złącza, ale długotrwały przepływ prądu o dużej wartości prowadzi do

wydzielenia się dużej ilości ciepła, które powoduje trwałe uszkodzenie złącza.

4. Zjawisko tunelowe.

Zjawisko tunelowe: występuje w złączach bardzo silnie
domie-szkowanych,

przy

polaryzacji

złącza

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.

Zjawisko
tunelowe

5. Schemat zastępczy i parametry złącza PN

- pojemności złącza:

Schemat zastępczy złącza uwzględnia zjawiska w obszarach

przyzłączowych i warstwie zaporowej, zachodzące w wyniku zmian
wartości napięcia przyłożonego do złącza. Zjawiska te decydują o
szybkości

działania

złącza.

Gwałtowna

zmiana

napięcia

przykładanego  do  złącza  powoduje  zwężenie  lub  rozszerzenie
warstwy  zaporowej,  a  co  za  tym  idzie,  zmianę  liczby
magazynowanych  par  eletron-dziura.  W  schemacie  zastępczym  jest
to  prezentowane  przez  pojemność  dyfuzyjną  –  C

. W warstwie

zaporowej znajdują się swobodne nośniki, które w schemacie
zastępczym reprezentuje pojemność warstwy zaporowej – C

Schemat zastępczy złącza p-n

stanowiącego diodę.

Cr- pojemność warstwy zaporowej,

pojemność dyfuzyjna,

g- konduktancja złącza, r

rezystancja obszaru słabiej

domieszkowanego,

- indykcyjność doprowadzeń,

-pojemność oprawki

Heterozłącza

Heterozłącze jest złączem wytworzonym z dwóch
półprzewodników

różnych

szerokościach

pasma

zabronionego (np. Ge-Si, Ge-GaAs, GaAs-GaP) – są to
typowe złącza laserowe i na fotodetektory
Generalnie wymagana jest bardzo dobra zgodność
budowy

sieci

krystalicznej

współczynników

rozszerzalności cieplnej, ponieważ nie są one spełnione to
na granicy dwu warstw istnieją dyslokacje i defekty
mające istotny wpływ na charakterystyki heterozłącza.
Możliwe są konstrukcje heterozłącza typu p-n, n-p, oraz p-
p, n-n.

Diody półprzewodnikowe

 Diody prostownicze

 Diody uniwersalne

 Stabilitrony

 Diody impulsowe

 Diody pojemnościowe

 Diody tunelowe

 Diody mikrofalowe

Diody uniwersalne

– diody stosowane w układach detekcji

małej mocy. Stosuje się je w układach detekcji amplitudowej, w
układach ograniczników, w detektorach stosunkowych odbiorników
FM, oraz w demodulatorach pierścieniowych

Stabilitrony (diody Zenera)

–

przeznaczone

zastosowania

układach

stabilizacji

napięć,

układach

ograniczników, jako źródła napięć odniesienia

Diody tunelowe

– są tak silnie domieszkowane, że ich

charakterystyka w kierunku przewodzenia ma odcinek o
ujemnej rezystancji dynamicznej

Diody impulsowe

– przeznaczone do zastosowań w układach

impulsowych  w  których  spełniają  rolę  kluczy  przełączających
impulsy  tylko  w  jednym  kierunku.  Diodę  impulsową  powinny
charakteryzować bardzo mała rezystancja w kierunku przewodzenia
oraz  bardo  duża  w  kierunku  zaporowym;  bezzwłoczna  reakcja  na
impulsy czyli brak opóźnień i zniekształceń impulsów.

Diody pojemnościowe

– stosowane są w układach

automatycznie

strojonych

obwodów

rezonansowych,

wzmacniaczach,

generatorach

parametrycznych,

powielaczach

częstotliwości,

przełącznikach

sygnałów

mikrofalowych

Tranzystor bipolarny

Tranzystor = element transformujący rezystancję >>
półprzewodnikowy

element

wzmacniający

będący

funkcjonalnym odpowiednikiem lampy (triody)

Tranzystor  jest  wzmacniaczem  stosowanym  zarówno  do
liniowego  zwiększania  mocy  sygnału,  jak  również
nieliniowego.    Służy  również  do  skokowego,  kluczującego
sterowania mocy

Najbardziej

znanym

przyrządem

półprzewodnikowym

jest

tranzystor.

Opracowanie tranzystora bipolarnego zapo-
czątkowało rewolucję w elektronice, która, na
dobrą sprawę trwa do dziś.

Pierwszy tranzystor bipolarny

zbudował rok później inny

amerykański fizyk - W.B.

Shockley. Cała ta trójka za

wynalezienie tranzystora

otrzymała w 1956 roku

Nagrodę Nobla.

Pierwszy tranzystor, zbudowany w
1948 roku metodą ostrzową. Jego
konstruktorami byli J. Bardeen oraz
W.H. Brattain.

Tranzystor posiada trzy końcówki

przyłączone do warstw półprzewodnika,

nazywane:

• emiter (ozn. E),
• baza (ozn. B),
• kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw

półprzewodnika rozróżnia się dwa typy

tranzystorów: pnp oraz npn;

w tranzystorach npn nośnikiem prądu

są elektrony,

>> w tranzystorach pnp dziury

emiter (ozn. E)

kolektor
(ozn. C)

baza (ozn.
B)

Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp

Nośnikami
prądu są
dziury

Termin „dziura” odnosi się do miejsca, w którym
brakuje elektronu, a przepływ dziur to w rzeczywistości
przeskakiwanie

elektronów

pomiędzy

kolejnymi

dziurami

Zasada działania

Tranzystory bipolarne oznacza się

pierwszymi literami słów baza, kolektor

(colektor) i emiter - BCE.

Zasada działania tranzystora bipolarnego od

strony 'użytkowej' polega na

sterowaniu

wartością prądu

kolektora za pomocą

prądu bazy.

(Prąd emitera jest zawsze sumą prądu

kolektora i prądu bazy).

Aby wyjaśnić najogólniejszą zasadę

działania wszystkich bez wyjątków

tranzystorów posłużę się przykładem

zaworu do wody. Otóż przyjmijmy, że

zawór ten można bardzo lekko otwierać

i zamykać i używając bardzo małej siły

sterować przepływem w grubej rurze.
Można więc powiedzieć, że ów zawór

jest wzmacniaczem, gdyż bardzo

niewielka siła z jaką działa nasza ręka

na kurek steruje o wiele większą siłą z

jaką napiera na zawór strumień wody.

Niewielki, słaby sygnał (=nasza ręka)

steruje przepływem silnego sygnału

dostarczanego ze źródła zasilania

(woda w zaworze). Ponieważ sygnał

podstawowy steruje przepływem w

swój takt więc i sygnał wyjściowy

będzie miał ten sam takt, a przy tym

będzie znacznie silniejszy (ręka kręci

zawór w różne strony i tak samo

zmienia się ilość wody przepływająca

przez zawór).

• Układem

scalonym

nazywa

się

mikrostrukturę,

spełniającą

określoną

funkcje układową, w której wszystkie lub

część elementów są wykonane nierozłącznie

w podłożu lub umieszczone na podłożu.

• Układu takiego nie można rozłożyć na części

bez uszkodzenia, nie można również

zmieniać połą-czeń między elementami ani

ich naprawiać.

W urządzeniach elektronicznych układ

scalony jest

podstawowym, pojedynczym

i niepodzielnym

elementem, takim jak

rezystor, kondensator, dioda lub tranzystor w

technice konwencjonalnej.

Układy scalone są wynikiem prac zmierzających do jak

największej miniaturyzacji sprzętu elektronicznego,

przy jednocześnie zwiększonej niezawodności.

Technika minimodułowa pozwoliła uzyskać gęstość

upakowania rzędu kilku elementów w centymetrze

sześciennym, a technika mikromodułowa – rzędu

kilkunastu elementów w centymetrze sześciennym.

• W układach scalonych gęstość

upakowania jest obecnie rzędu
kilku

tysięcy

elementów

centymetrze

sześciennym,

wymiar

linio-wy

pojedynczego

elementu w układzie sca-lonym
jest rzędu mikrometrów.

• Miarą skali scalenia

jest liczba

podstawowych jednostek
funkcjonalnych (bramek) zawartych
w jednym układzie lub liczna
elementów (tranzystorów)

Wyróżnia się układy:

> małej skali scalenia

(integracji) SSI (ang.

Small Scale Integration), zawierające do 100

elementów;

> średniej skali scalenia (

integracji) MSI (ang.

Medium Scale Integratiion), zawierające od 100

do 1000 elementów;

> wielkiej skali scalenia

(integracji) LSI (ang.

Large Scale Integration), zawierające od 10

ele-mentów;

> bardzo wielkiej skali scalenia

VLSI

(ang. Very Large Scale integration),

zawierające ponad 10

ele-mentów.

Ze względu na wykonaną funkcję układy

scalone, podobnie jak wszystkie układy

elektroniczne, dzieli się na dwie grupy:

1. Układy cyfrowe,
2. Układy analogowe.

Układy analogowe

są przystosowane do

przetwarzania napięć (lub prądów),

których wartości zawierają się w pewnym

przedziale wartości.

Układy cyfrowe

służą do przetwarzania

sygnałów o dwóch wielkościach napięć

(ewentualnie prądów): wysokiej (H-high) i

niskiej (L- low).

Układy

scalone

pod

względem

technologicznym wykonuje się w postaci

monolitycznej

lub w postaci

hybrydowej

układach monolitycznych

wszystkie

elementy aktywne i pasywne wytwarza się

wewnątrz podłoża. Podłożem tym jest płytka

krzemowa. Połączenia między elementami są

dokonywane ścieżkami metalicznymi na

powierzchni pasującej warstwy dwutlenku

krzemu Si0

. Podstawowymi elementami

aktywnymi mogą być tranzystory bipolarne

lub unipolarne z izolowaną bramką. Stąd też

używa się określeń odpowiednio „układy

bipolarne” i „układy unipolarne”.

układach hybrydowych

do rezystorów i

kondensatorów produkowanych techniką war-

stwową dołącza się diody i tranzystory

dyskretne

lub

diody

tranzystory

monolityczne.

technice

warstwowej

elementy wytwarza się na podłożu izolacyjnym

(szkło, ceramika), będącym jednocześnie

podłożem konstrukcyjnym. Na tym podłożu

osadza się ścieżki połączeniowe oraz elementy

bierne: w układach cienkowarstwowych o

grubości ok. 0,05 µm, a w układach

grubowarstwowych o grubości ok. 10 µm

układach cyfrowych

, zwłaszcza LSI i VLSI,

podstawową technologią jest technologia MOS-

podstawowe

funkcje

układowe,

więc

tranzystorów, rezystorów i kondensatorów mogą

spełniać

tranzystory

MOSFET.

Wykonanie

tranzystora MOSFET wymaga mniejszej liczby

operacji niż wykonanie tranzystora bipolarnego. W

układach

monolitycznych

MOS

występuje

naturalna samoizolacja, podczas gdy odizolowanie

poszczególnych elementów w układzie bipolarnym

zajmuje

znaczny

obszar

płytki.

Gęstość

upakowania w układach scalonych MOS jest

większa niż w układach bipolarnych (powierzchnia

tranzystora MOSFET wynosi ok. 15*10

Większe gęstości upakowania wiążą się z

możliwością uzyskania większej skali integracji.

Duże zalety mają scalone układy

komplemen-tarne MOS, tzw. układy

CMOS. W układach tych stosuje się

jednocześnie tranzystory z kanałem

typu n oraz p. wymaga to dodatkowych

proce-sów technologicznych, jednak

umożliwia

wyko-nanie

cyfrowych

układów scalonych wysokiej jakości i o

bardzo małym poborze mocy.

Do nowszych technologii MOS należą m. in.

DMOS, VMOS, CTD i SOS.

Układy wykonane technologia

SOS

(ang.

Silicon on Sapphire – krzem na szafirze) są

wykorzystywane w aparaturze kosmicznej.

Technologia ta polega na osadzaniu

monokrystalicznych warstw krzemowych na

podłożu izolacyjnym – szafirze. Układy te

charakteryzują się dużą szybkością

działania i dużą odpornością na

promieniowanie kosmiczne.

Document Outline