PODSTAWY FIZYCZNE

ELEKTRONIKI PÓŁPRZEWODNIKOWEJ

Katedra Podstaw Elektroniki

Prof. dr hab. Aleksy Patryn

Wymiar godzin całego przedmiotu:

• wykłady - 28 w semestrze

Nauczanie podstaw Elektroniki półprzewodnikowej jest ważną częścią cyklu nauczania na kierunkach elektronicznych które prowadzi Wydział Elektroniki. Odbywa się to głównie na III semestrze w ramach przedmiotu Fizyka (część III - Fizyka Ciała Stałego) - obecnie dla kierunku Elektronika i Telekomunikacja. Przedmiot ten jest z cyklu podstawowych - kierunkowych. Zajęcia realizuje Katedra Podstaw Elektroniki. Specyfika programowa kierunków elektronicznych stawi specyficzne wymagania w dostosowaniu tych przedmiotów do całego programu studiów, a szczególnie do takich przedmiotów jak, np., Przyrządy Półprzewodnikowe (Elementy Elektroniczne) dla kierunku magisterskiego Elektronika i Telekomunikacja oraz do kilku innych przedmiotów specjalności i specjalizacji.

Plan wykładu:

STRUKTURA WYKŁADU:

1. Elementy mechaniki kwantowej

2. Struktura krystaliczna ciał stałych

3. Wiązania międzyatomowe

4. Defekty w kryształach

5. Elementy teorii pasmowej. Półprzewodniki, metale, izolatory

6. Struktura pasmowa energetyczna metali, półprzewodników i dielektryków

7. Nośniki ładunku w stanie równowagi termicznej

8. Transport nośników ładunku i przewodnictwo ciał stałych

9. Stan nierównowagi termicznej

10. Inżyneria materiałowa (technologia i modyfikacja)

11. Właściwości optyczne i magnetyczne ciał stałych

12. NANOMATERIAŁY i NANOSTRUKTURY

• Wykład ten jest poświęcony głównie półprzewodnikom, jak i ciałom stałym w bardziej szerokim ujęciu.

• Dlatego należy określić, co rozumiemy przez to pojęcie i jakie są najbardziej istotne cechy tej klasy materiałów.

Wybrane DEFINICJE:

Spotyka się różne definicje półprzewodników.

Według jednej z nich półprzewodniki są to „ciała stale, najczęściej krystaliczne, których przewodność właściwa (konduktywność) w temperaturze pokojowej zawiera się w granicach od 10^-8 do 10⁴ (.cm)^-1, jest więc mniejsza niż przewodność. metali (10⁴-10⁶(.cm)^-1), a większa niż przewodność dielektryków (10^-20-10^-8(.cm) ^-1)”.

Najistotniejszą cechą charakterystyczną półprzewodników jest jednakże nie wartość przewodności właściwej, lecz jej znaczna zależność od oddziaływań zewnętrznych.

W typowych metalach koncentracje swobodnych elektronów zawierają się w granicach od 10²² do 2,4.10²³ cm^-3 i praktycznie nie zależą od temperatury, oświetlenia i innych czynników zewnętrznych.

Z kolei w dielektrykach koncentracje swobodnych nośników ładunku są znikomo małe.

Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w szerokich granicach (np. kilkudziesięciu rzędów wielkości), zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.

Półprzewodniki są również niezwykle wrażliwe na obecność tzw. domieszek, tzn. obcych atomów, nawet w ilościach, które w innych sytuacjach można uznać za pomijalnie mała.

Biorąc pod uwagę omówione właściwości półprzewodników, można sformułować następującą definicję:

• PÓŁPRZEWODNIKI są to ciała (przeważnie ciała stałe), w których koncentracje swobodnych nośników ładunku mogą osiągać duże wartości i są bardzo silnie zależne od takich czynników, jak temperatura, natężenie promieniowania, koncentracja domieszek itd.

HISTORIA:

• Termin "półprzewodnik" pojawił się w literaturze naukowej dopiero na początku drugiej dekady bieżącego stulecia.

• Materiały te były jednak badane, a występujące w nich zjawiska odkrywane wiele dziesiątków lat wcześniej. Już w 1822 roku Seebeck zaobserwował powstawanie siły termoelektrycznej w obwodzie zawierającym siarczek ołowiu lub antymonek cynku. W 1833 r. Faraday stwierdził, że przewodność elektryczna niektórych substancji (np. siarczku srebra) wzrasta przy podwyższaniu temperatury, a w 1839 r. Becquerel odkrył zjawisko fotowoltaiczne w złączu utworzonym przez półprzewodnik zanurzony w elektrolicie. Zjawisko fotowoltaiczne w złączu p-n zostało odkryte przez Adamsa i Daya w 1876 r., a trzy lata wcześniej Smith i Sale zaobserwowali fotoprzewodnictwo selenu. Pierwszym wykorzystanym w praktyce elementem półprzewodnikowym był fotodetektor selenowy zastosowany w 1875 r. przez Siemensa w skonstruowanym przez niego fotometrze.

• Właściwości prostownicze złącza metal-półprzewodnik zostały odkryte w 1874 r. przez Brauna, który używał do tego celu kryształu siarczku ołowiu i ostrza wolframowego. Minęło jednakże 30 lat zanim detektor krystaliczny, nazywany wówczas "kryształkiem" znalazł swe pierwsze zastosowanie w odbiorniku radiowym.

• Minęło jeszcze ponad 40 lat epoki burzliwych wynalazków naukowych zanim w roku 1948 był zbudowany pierwszy tranzystor bipolarny (1948, Bardeen, Brattain, Shockley) a pod konec lat 60-ch zbudowano pierwsze układy scalone.

FUNDAMENTY:

Fizyka ciała stałego jako ugruntowana nauka która spowodowała rozwój współczesnej ELEKTRONIKI rozwinęła się w latach dwudziestych i trzydziestych bieżącego stulecia. Stało się to możliwe dzięki opanowaniu technologü wytwarzania monokryształów oraz metod kontrolowanego wprowadzania do nich określonych domieszek.

Drugim niezmiernie ważnym czynnikiem, który zapoczątkował rozwój fizyki ciała stałego, było stworzenie potężnego narzędzia analitycznego, umożliwiającego prawidłową interpretację procesów fizycznych zachodzących w atomach, cząsteczkach i ciałach stałych. Narzędziem tym jest mechanika kwantowa, której podstawy opracowali w latach 1925-1926 Schrödinger, Heisenberg, Dirac i wielu innych badaczy.

Mechanika klasyczna, która panowała niepodzielnie w fizyce do końca XIX wieku, jest całkowicie nieprzydatna do wyjaśnienia zjawisk zachodzących w świecie mikrocząstek (tzn. atomów, elektronów itd.). Można się o tym przekonać, rozpatrując na przykład ruch elektronu w krysztale. Posługując się prawami mechaniki klasycznej, należałoby przyjąć, te elektron poruszający się w krysztale zderza się z każdym atomem napotkanym na swej drodze. W tych warunkach tor elektronu miałby kształt zygzakowaty, a średnia droga swobodna (tzn. średnia odległość między kolejnymi zderzeniami) byłaby rzędu odległości międzyatomowej, a więc rzędu kilkuset pikometrów.

W rzeczywistości średnia droga swobodna elektronu np. w metalu w temperaturze pokojowej jest rzędu kilkudziesięciu nanometrów, a w temperaturach bliskich zera bezwzględnego może wzrosnąć nawet do pojedynczych centymetrów. Jest to wartość wiele milionów razy większa niż odległość między atomami w sieci krystalicznej. Doskonale regularny kryształ nie stawia w ogóle żadnych przeszkód ruchowi elektronu, co oznacza, że takie ciało stałe jest dla elektronu całkowicie przezroczyste.

Zjawiska te wyjaśnia w sposób zgodny z doświadczeniem mechanika kwantowa, w której elektrony i inne mikrocząstki nie są traktowane jako małe kuleczki, lecz jako twory mające zarówno naturę korpuskularną, jak i falową.

FUNDAMENTY:

Fizyka ciała stałego jako ugruntowana nauka która spowodowała rozwój współczesnej ELEKTRONIKI rozwinęła się w latach dwudziestych i trzydziestych bieżącego stulecia.

Stało się to możliwe dzięki :

• opanowaniu technologii wytwarzania monokryształów oraz metod kontrolowanego wprowadzania do nich określonych domieszek;

• opracowaniu potężnego narzędzia analitycznego, umożliwiającego prawidłową interpretację procesów fizycznych zachodzących w atomach, cząsteczkach i ciałach stałych;

narzędziem tym jest mechanika kwantowa, której podstawy opracowali w latach 1925-1926 Schrödinger, Heisenberg, Dirac i wielu innych badaczy.

6

PODSTAWY FIZYCZNE ELEKTRONIKI PÓŁPRZEWODNIKOWEJ

Wstęp

______________________________________________________________________________________

Katedra Podstaw Elektroniki Prof. dr hab. Aleksy Patryn

---