ELEKTRONIKA

ELEKTRONIKA

wykład 2   PÓŁPRZEWODNIKI, ZŁĄCZE P-N

–

październik 2008 - Lublin

 

 

Podział ze względu na przewodzenie prądu:

IZOLATORY
PÓŁPRZEWODNIKI
PRZEWODNIKI

PODZIAŁ MATERIAŁÓW

 

 

Bor

B

5

2.34

Węgiel

C

6

2.62

Azot

N

7

1.251

Fosfor

P

15

1.82

Krzem

Si

14

2.33

Arsen

As

33

5.72

Aluminium

Al

13

2.70

Gal

Ga

31

5.91

German

Ge

32

5.32

Si, Ge, C

 (IV grupa)

Krzem i german

Domieszki typu p:

B, Ga, In

Domieszki typu n:

P, As

PÓŁPRZEWODNIKI

 

 

Bor

B

5

2.34

Węgiel

C

6

2.62

Azot

N

7

1.251

Fosfor

P

15

1.82

Krzem

Si

14

2.33

Arsen

As

33

5.72

Aluminium

Al

13

2.70

Gal

Ga

31

5.91

German

Ge

32

5.32

A

IV

B

IV

:

 

    

SiGe, SiC, SiGeC

A

III

B

V

:

 

    GaAs, InP, GaAsP

Azotki:

 

    GaN, AlN, InN, GaAlN

A

II

B

VI

:

   

CdSe, HgTe, HgCdTe

ZWIĄZKI PÓŁPRZEWODNIKOWE

 

 

MODEL ATOMU

Krzem 

14

Si ma 14 elektronów

Powłoka

K

L

M

Liczba kwantowa główna n

1

2

3

Liczba elektronów na powłoce 2

8

4

Dozwolona liczba

elektronów na powłoce

2

8

8

Stan powłoki

      

 z

a

pe

łn

io

na

 z

a

pe

łn

io

na

 n

ie

 z

a

pe

łn

io

na

 

 

MODEL ATOMU BOHRA

E=

Z e

4

m

e

8n

2

h

2



0

2

E –  całkowita energia elektronu
Z –  liczba atomowa pierwiastka (dla krzemu Z=14)
e –  ładunek elementarny (1,6•10

-19

 C)

m

e

 – masa elektronu (1,78•10

-31

 kg)

n –  numer orbity
h –  stała Plancka (6,625•10

-34

 J•s)

ε

0

 – przenikalność elektryczna próżni 

(8,854•10

-12

 F/m) 

E

pasmo dozwolone

pasmo dozwolone

pasmo dozwolone

pasmo dozwolone

pasmo zabronione

pasmo zabronione

pasmo zabronione

 

 

E

pasmo walencyjne

pasmo przewodnictwa

pasmo zabronione

swobodne elektrony

dziury

MODEL pasmowy

 

 

V

E

C

E

V

pasmo 

przewodnictwa 

(

c

onduction 

band)

pasmo 

walencyjne 

(

v

alence band)

przerwa energetyczna 

E

G

 (bandgap)

E

n

erg

ia

 e

le

kt

ro

n

u

P

o

te

n

cj

ał

pasmo 

przewodnictwa 

(

c

onduction 

band)

pasmo 

walencyjne 

(

v

alence band)

pasmo 

przewodnictwa 

(

c

onduction 

band)

pasmo 

walencyjne 

(

v

alence band)

półprzewodnik

półprzewodnik

dielektryk

dielektryk

przewodnik

przewodnik

MODEL pasmowy

 

 

ORIENTACYJNE DANE 

DLA RÓŻNYCH MATERIAŁÓW

 

 

SWOBODNE ELEKTRONY I DZIURY

Jeżeli doprowadzona energia 

jonizacji jest dostatecznie duża to 

powstające siły zrywają wiązania 

atomowe i uwolnione w ten sposób 

elektrony mogą się swobodnie 
poruszać w krysztale. Te elektrony 

nazywamy 

elektronami swobodnymi

. 

Po każdym uwolnionym elektronie 

pozostaje w siatce krystalicznej 

dodatnio naładowany jon 

związany z jądrem atomu. 

Nazywamy go 

dziurą

.

 

 

GENERACJA PAR ELEKTRON-DZIURA

E

pasmo przewodnictwa

pasmo walencyjne

pasmo zabronione

+

-

np. energia termiczna, foton

 

 

MECHANIZMY JONIZACJI ATOMÓW

 

przyspieszenie nośników ładunku w polu 
elektrycznym i nadanie im takiej 
energii, że są one w stanie wybić z siatki 
krystalicznej kolejne elektrony, a te 
następne itd. tak, że proces ten rozwija 
się lawinowo   jonizacja zderzeniowa. 

–

naświetlenie 
(promieniowanie świetlne w 
zakresie fal widzialnych i 
niewidzialne)   

–

fotogeneracja

podgrzanie 
(promieniowanie 
cieplne)   

–

generacja 
termiczna 

 

 

Dodatkowe  dozwolone  poziomy  energetyczne

 ulokowane  w  pobliżu 

środka pasma zabronionego (spowodowane np. domieszką miedzi w 
germanie lub złota w krzemie).

Nie są ani donorami, ani akceptorami   są centrami generacyjno-

–

rekombinacyjnymi  zwane 

centrami  SRH

 (zjawisko  zanalizowali 

Shockley, Read, Hall).

Centra,  dla  których  „przetrzymywanie”  nośników  jest  większe  niż 
generacji-rekombinacji, nazywane są 

pułapkami

.

Na  powierzchni  półprzewodnika 

stany  powierzchniowe

 działają 

jak centra SRH i zmniejszają czas życia nośników przy powierzchni.

GENERACJA I REKOMBINACJA POŚREDNIA

 

 

SWOBODNE ELEKTRONY I DZIURY

Można zatem w półprzewodniku wyróżnić prąd 
elektronowy związany z poruszającym się 

ładunkiem ujemnym wytworzony przez swobodne 
elektrony i prąd dziurowy związany z ładunkiem 
dodatnim wytworzonym przez poruszające się 

dziury.

e

e

e

e

e

Załóżmy, że:

 

• krzem jest idealnie czysty (bez zanieczyszczeń i domieszek),

 

• jego sieć krystaliczna nie posiada żadnych defektów.

Taki idealizowany półprzewodnik będziemy nazywali

półprzewodnikiem samoistnym.

Dla T=0K wszystkie elektrony walencyjne tworzą wiązania 
miedzyatomowe (są związane z atomami), pasmo

przewodnictwa jest puste =  

> brak swobodnych elektronów

PÓŁPRZEWODNIK SAMOISTNY

NA PRZYKŁADZIE KRZEMU

 

 

Czysty 

kryształ 

krzemu

Małe i równe 

sobie liczby 

elektronów i 

dziur

Dużo elektronów 

(typ n)

Dużo dziur 

(typ p)

Dodaj troszkę 

fosforu (P)

Dodaj troszkę 

boru (B)

Dodanie śladowych  zanieczyszczeń (

domieszki

) wywołuje 

duże zmiany właściwości elektrycznych

„ALCHEMIA  PÓŁPRZEWODNIKÓW

”

 

 

.

Atom fosforu jest 

domieszką typu n 

(donorem)

nadmiarowy 

elektron (-)

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

  P

   P

  P

DOMIESZKA DONOROWA

 

 

E

mało dziur

dużo elektronów

pasmo przewodzenia

pasmo walencyjne

pasmo zabronione

DOMIESZKA DONOROWA

półprzewodnik typu n

 

 

nadmiarowa dziura (+)

Atom boru jest 

domieszką typu p 

(akceptorem)

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

B

Si

Si

Si

Si

Si

Si

B

B

DOMIESZKA AKCEPTOROWA

 

 

E

dużo dziur

mało elektronów

pasmo przewodzenia

pasmo walencyjne

pasmo zabronione

DOMIESZKA AKCEPTOROWA

półprzewodnik typu p

 

 

Dla T 0K w półprzewodniku samoistnym, 

>

w warunkach równowagi termodynamicznej, koncentracja 

elektronów w pasmie przewodnictwa 

jest równa koncentracji dziur w pasmie walencyjnym, czyli

n

i

 = p

i

Około 5

·10

22

 atomów krzemu/cm

3

.

Koncentracja 10

10

 par elektron-dziura/cm

3

 oznacza, że tylko 

1  atom  krzemu  na  5,000,000,000,000  (5

·10

12

,  5 trylionów) 

 

stracił elektron wskutek energii termicznej.

n

i

 (Si,T=300K) = ~10

10

 cm

-3

PRAWO DZIAŁANIA MAS

 

 

W  półprzewodniku  domieszkowanym,  w  warunkach  równowagi 
termodynamicznej,  iloczyn  koncentracji  elektronów  w  pasmie 

przewodnictwa i koncentracji dziur w pasmie walencyjnym zależy 
tylko od materiału podstawowego i od temperatury (czyli od n

i

2

), 

a nie zależy od rodzaju i koncentracji domieszek.

n 

× p

 

= n

i

2

Warunek neutralności elektrycznej półprzewodnika:

0

0

A

D

n

N

p

N











N

A

-

   koncentracja zjonizowanych domieszek akceptorowych

–

N

D

+

   koncentracja zjonizowanych domieszek donorowych

–

PRAWO DZIAŁANIA MAS

 

 

Poziom energetyczny, dla którego

prawdopodobieństwo obsadzenia przez elektron wynosi 0.5

E

C

E

V

E

Fi

= E

i

E

c

   dno pasma przewodnictwa

–

E

v

   wierzcho

–

łek pasma walencyjnego

E

F

   poziom Fermiego

–

E

Fi

   poziom Fermiego w p

–

ółprzewodniku samoistnym

samoistny = ang. intrinsic

POZIOM FERMIEGO

 

 

m*a

F

=

t

v

m*

qE

∂

∂

=

E

m*

q

v

śr

τ

c

=

{

µ

dla elektronów:

dla dziur:

E

v

n

n

µ

−

=

Centra rozpraszające

dziura

Pole elektryczne E

-q

elektron

+q

v

p

=

μ

p

E

2

(

)[

]

cm

ruchliwość

V sekunda

µ

•

UNOSZENIE: MODEL DRUDE'A

 

 

+

-

V

n-Si

-qV

E

F

E

C

E

V

E

i

UNOSZENIE (DRYFT)

 

 

nE

q

qnv

J

n

n

n

µ

=

−

=

σ

n

{

pE

q

qpv

J

p

p

p

µ

=

=

)

(

2

E

m

n

q

J

n

ce

n

∗

=

τ

)

(

2

E

m

n

q

J

p

cp

p

∗

=

τ

σ

p

{

E

v

n

n

µ

−

=

E

v

p

p

µ

=

PRĄD UNOSZENIA

 

 

elektrony

dziury

Krzem, 

T=300K

Ru

ch

liw

oś

ć 

[c

m

2

/V

s 

]

Koncentracja domieszek [cm

-3 

]

RUCHLIWOŚĆ NOŚNIKÓW

 

 

Prędkość termiczna v

th

Rozkład prędkości w 
różnych kierunkach

Dyfuzja w 
prawo

Brak dyfuzji 
w lewo

Wypadkowy przepływ 

w prawo (ujemny gradient)

Brak wypadkowego przepływu 

elektronów (dziur) w obszarze 

o stałej koncentracji

X

DYFUZJA NOŚNIKÓW

 

 

Zależność Einsteina

Ruchliwość i  dyfuzyjność

(współczynnik dyfuzji ) są

związane zależnością:

Unoszenie elektronów

Unoszenie dziur

Całkowity prąd 

unoszenia

Kierunek 

określa pole 

elektryczne

Dyfuzja elektronów 

Dyfuzja dziur

Całkowity prąd 

dyfuzji

Kierunek określa 

gradient 

koncentracji

Całkowity prąd 

zależy od pola 

elektrycznego i 

dyfuzji

n

n

kT

D

q

µ

=

⋅

p

p

kT

D

q

µ

=

⋅

TRANSPORT ŁADUNKÓW (PRĄD)

 

 

E(x)

x

E

C

E

i

E

V

E

F

+

-

N

A 

(x)

10

18

10

17

10

16

x

W

Obszar typu p

Domieszki:

akceptory

Pole elektryczne 

(„wbudowane”)

Pole elektryczne 

przyśpiesza 

elektrony

POLE WBUDOWANE

GRADIENT KONCENTRACJI DOMIESZEK

 

 

Diody

Diody

 

 

Kondensator 

Kondensator 

MOS

MOS

(

(

m

m

etal-

etal-

o

o

xide-

xide-

s

s

emiconductor)

emiconductor)

złącze p-n

złącze p-n

kontakt m-s

kontakt m-s

(

(

m

m

etal-

etal-

s

s

emiconductor)

emiconductor)

SiO

2

Trzy podstawowe struktury

Trzy podstawowe struktury

mikroelektroniki i optoelektroniki

mikroelektroniki i optoelektroniki

 

 

2 złącza p-n

 

 

tranzystory bipolarne (BJT, HBT)

tranzystory bipolarne (BJT, HBT)

 

 

lepsze emitery promieniowania

lepsze emitery promieniowania

 

 

lepsze detektory promieniowania

lepsze detektory promieniowania

  

  

p

p

p

p

n

n

BJT = 

BJT = 

b

b

ipolar 

ipolar 

j

j

unction 

unction 

t

t

ransistor

ransistor

HBT = 

HBT = 

h

h

eterojunction 

eterojunction 

b

b

ipolar 

ipolar 

t

t

ransistor

ransistor

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny

 

 

DIELEKTRYK

2 złącza p-n + kondensator MOS

2 złącza p-n + kondensator MOS

tranzystor MOS

tranzystor MOS

najważniejszy przyrząd (element)

najważniejszy przyrząd (element)

mikro(nano)elektroniki

mikro(nano)elektroniki

p

p

p

p

n

n

Tranzystor MOS

Tranzystor MOS

 

 

 

 

diody (np. prostownicze, pojemnościowe, ...)

diody (np. prostownicze, pojemnościowe, ...)

 

 

emitery promieniowania (np. laser, LED)

emitery promieniowania (np. laser, LED)

 

 

detektory promieniowania

detektory promieniowania

 

 

ogniwa słoneczne  

ogniwa słoneczne  

n

n

p

p

Złącze p-n

Złącze p-n

Złączem p-n 

Złączem p-n 

nazywamy obszar półprzewodnika, w którym 

nazywamy obszar półprzewodnika, w którym 

następuje zmiana typu półprzewodnika z p na n (lub odwrotnie).

następuje zmiana typu półprzewodnika z p na n (lub odwrotnie).

Złącze p-n jest podstawową strukturą

Złącze p-n jest podstawową strukturą

mikroelektroniki i optoelektroniki

mikroelektroniki i optoelektroniki

 

 

Obszary p i n półprzewodnika są jednorodne (stałe 

Obszary p i n półprzewodnika są jednorodne (stałe 

domieszkowanie).

domieszkowanie).

Złącze ma charakter skokowy (koncentracja domieszek 

Złącze ma charakter skokowy (koncentracja domieszek 

zmienia się skokowo od N

zmienia się skokowo od N

A

A

 do N

 do N

D

D

 na granicy obszarów)

 na granicy obszarów)

Złącze p-n: założenia

Złącze p-n: założenia

 

 

N

N

A

A

 - N

 - N

D

D

złącze skokowe

złącze skokowe

złącze liniowe

złącze liniowe

x

x

Najczęściej przyjmowane 

Najczęściej przyjmowane 

aproksymacje rozkładu domieszek

aproksymacje rozkładu domieszek

Złącze p-n: rozkład domieszkowania

Złącze p-n: rozkład domieszkowania

 

 

dyfuzja dziur

dyfuzja dziur

unoszenie dziur

unoszenie dziur

dyfuzja elektronów

dyfuzja elektronów

unoszenie elektronów

unoszenie elektronów

0

p

pd

pu

J

J

J







0

n

nd

nu

J

J

J







W stanie równowagi strumienie dyfuzji i unoszenia równoważą się

W stanie równowagi strumienie dyfuzji i unoszenia równoważą się

Złącze p-n

Złącze p-n

 

 

-x

p

-x

n

0

x

d

p

n

x

x

x





Tworzy się obszar przejściowy 

Tworzy się obszar przejściowy 

pozbawiony praktycznie swobodnych nośników ładunku

pozbawiony praktycznie swobodnych nośników ładunku

Złącze p-n

Złącze p-n

Silne pole elektryczne usuwa z obszaru granicznego swobodne 

Silne pole elektryczne usuwa z obszaru granicznego swobodne 

elektrony i dziury => obszar ten nazywamy 

elektrony i dziury => obszar ten nazywamy 

warstwa zubożoną 

warstwa zubożoną 

(ubogą 

(ubogą 

w nośniki ład. elektr.) lub 

w nośniki ład. elektr.) lub 

warstwa zaporowa

warstwa zaporowa

.

.

 

 

Warstwa zaporowa

Warstwa zaporowa

ϕ

ϕ

B

B

 

 

– 

– 

napięcie dyfuzyjne

napięcie dyfuzyjne

E

c

E

i

E

v

E

Fp

E

c

E

i

E

v

E

Fn

obszar typu p

obszar typu p

obszar typu n

obszar typu n

-x

p

x

n

0

x

q

ϕ

B

P N

Model pasmowy (diagram energetyczny)

Model pasmowy (diagram energetyczny)

Niespolaryzowane złącze p-n

Niespolaryzowane złącze p-n

 

 

E

C

E

V

G

R

R

G

Nie ma przepływu prądu; 

Nie ma przepływu prądu; 

procesy generacji i rekombinacji równoważą się

procesy generacji i rekombinacji równoważą się

Niespolaryzowane złącze p-n

Niespolaryzowane złącze p-n

 

 

Przyłożenie napięcia zewnętrznego 

Przyłożenie napięcia zewnętrznego (polaryzacja)

(polaryzacja)

 

 

do złącza p-n powoduje zmianę wysokości bariery 

do złącza p-n powoduje zmianę wysokości bariery 

o wartość tego napięcia. Spadki napięć na 

o wartość tego napięcia. Spadki napięć na 

kontaktach i neutralnych obszarach p i n 

kontaktach i neutralnych obszarach p i n 

zaniedbujemy 

zaniedbujemy 

założenie: napięcie zewnętrzne odkłada się na 

założenie: napięcie zewnętrzne odkłada się na 

warstwie zaporowej

warstwie zaporowej

Spolaryzowane złącze p-n

Spolaryzowane złącze p-n

U

U

I

I

 

 

NAPIĘCIE POLARYZACJI [V]

0

1

0,2

0,4

0,6

0,8

4

3

2

1

0

A = 10

µ

m

×

10

µ

m

R

s

 = 300 

Ω

P

RĄ

D

 [

mA

]

Wpływ rezystancji szeregowej

Wpływ rezystancji szeregowej

 

 

Spolaryzowane złącze p-n

Spolaryzowane złącze p-n

Kierunek zaporowy: przez złącze płynie niewielki prąd unoszenia 

Kierunek zaporowy: przez złącze płynie niewielki prąd unoszenia 

nośników mniejszościowych; 

nośników mniejszościowych; 

słaba zależność od napięcia, silna zależność temperaturowa

słaba zależność od napięcia, silna zależność temperaturowa

KIERUNEK ZAPOROWY (R)

KIERUNEK ZAPOROWY (R)

P

N

 

 

P

N

KIERUNEK PRZEWODZENIA  (F)

Kierunek przewodzenia: przez złącze płyną prądy dyfuzyjne 

Kierunek przewodzenia: przez złącze płyną prądy dyfuzyjne 

nośników większościowych, 

nośników większościowych, 

bardzo silna zależność napięcie - prąd.

bardzo silna zależność napięcie - prąd.

Spolaryzowane złącze p-n

Spolaryzowane złącze p-n

 

 

q(

φ

B 

– U

R

)

E

C

E

V

E

F(p)

qU

R

E

F(n)

P

N

R = 

R = 

R

R

everse

everse

U

R

<0

Rozszczepienie poziomów Fermiego 

Rozszczepienie poziomów Fermiego 

jest miarą napięcia polaryzacji 

jest miarą napięcia polaryzacji 

(odchyłka od stanu równowagi).

(odchyłka od stanu równowagi).

Złącze p-n

Złącze p-n

polaryzacja w kierunku zaporowym

polaryzacja w kierunku zaporowym

 

 

q(

φ

B 

- U

F

)

E

C

E

V

E

F(p)

E

F(n)

qU

F

F = 

F = 

F

F

orward

orward

Diagram energetyczny

Diagram energetyczny

Rozszczepienie poziomów Fermiego 

Rozszczepienie poziomów Fermiego 

jest miarą napięcia polaryzacji 

jest miarą napięcia polaryzacji 

(odchyłka od stanu równowagi).

(odchyłka od stanu równowagi).

P

N

Złącze p-n

Złącze p-n

polaryzacja w kierunku przewodzenia

polaryzacja w kierunku przewodzenia

 

 

F

p

E

C

E

V

F

n

R

G

R

G

Wysoka bariera potencjału uniemożliwia przepływ nośników

Wysoka bariera potencjału uniemożliwia przepływ nośników

 

 

większościowych

większościowych

Bariera potencjału sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych

Bariera potencjału sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych

Złącze p-n

Złącze p-n

polaryzacja w kierunku zaporowym

polaryzacja w kierunku zaporowym

 

 

G

R

G

R

każdy nośnik mniejszościowy, który dotrze do krawędzi warstwy 

każdy nośnik mniejszościowy, który dotrze do krawędzi warstwy 

zaporowej jest unoszony w polu elektrycznym na drugą stronę

zaporowej jest unoszony w polu elektrycznym na drugą stronę

koncentracje nośników mniejszościowych na krawędziach 

koncentracje nośników mniejszościowych na krawędziach 

warstw zaporowych są równe zeru

warstw zaporowych są równe zeru

P

N

Złącze p-n

Złącze p-n

polaryzacja w kierunku zaporowym

polaryzacja w kierunku zaporowym

 

 

G

R

G

R

P

N

Złącze p-n

Złącze p-n

polaryzacja w kierunku przewodzenia

polaryzacja w kierunku przewodzenia

 

 

Przebicie złącza

Przebicie złącza

przy polaryzacji zaporowej

przy polaryzacji zaporowej

Dwa podstawowe mechanizmy przebicia:

Dwa podstawowe mechanizmy przebicia:

 

 

przebicie Zenera

przebicie Zenera

 

 

przebicie lawinowe

przebicie lawinowe

 

 

Przebicie Zenera

Przebicie Zenera

E

c

E

v

E

i

E

Fp

E

Fn

E

c

E

v

E

i

U

R

Tunelowanie 

Tunelowanie 

elektronów

elektronów

przebicie Zenera

przebicie Zenera

Występuje w złączach o cienkiej warstwie zaporowej 

Występuje w złączach o cienkiej warstwie zaporowej 

t.j. złączach silnie domieszkowanych.

t.j. złączach silnie domieszkowanych.

Cienka warstwa zaporowa 

Cienka warstwa zaporowa 

↓↓

↓↓

Bardzo silne pole elektryczne 

Bardzo silne pole elektryczne 

↓↓

↓↓

Możliwość wyrywania elektronów z 

Możliwość wyrywania elektronów z 

wiązań kowalencyjnych przez siły 

wiązań kowalencyjnych przez siły 

pola E 

pola E 

↓↓

↓↓

Zjawisko Zenera (lub zjawisko 

Zjawisko Zenera (lub zjawisko 

jonizacji elektrostatycznej).

jonizacji elektrostatycznej).

 

 

Skala MAKRO

Skala MAKRO

Przebicie Zenera

Przebicie Zenera

Mechanika  kwantowa:  tunelowe  przejście  elektronów  przez 

Mechanika  kwantowa:  tunelowe  przejście  elektronów  przez 

barierę  potencjału  –  przejście  z  pasma  walencyjnego  do  pasma 

barierę  potencjału  –  przejście  z  pasma  walencyjnego  do  pasma 

przewodnictwa bez zmian energii.

przewodnictwa bez zmian energii.

 

 

Przebicie lawinowe

Przebicie lawinowe

E

c

E

v

E

i

E

c

E

v

E

i

E

Fp

E

Fn

U

R

G

Występuje w złączach o szerokiej warstwie zaporowej, 

Występuje w złączach o szerokiej warstwie zaporowej, 

t.j. złączach słabo domieszkowanych

t.j. złączach słabo domieszkowanych

„

„

Szeroka”warstwa:  przynajmniej  kilka 

Szeroka”warstwa:  przynajmniej  kilka 

średnich dróg swobodnych nośników.

średnich dróg swobodnych nośników.

W szerokiej warstwie może dojść do kilku zderzeń tego samego elektronu 

W szerokiej warstwie może dojść do kilku zderzeń tego samego elektronu 

z  atomami.  Jeżeli  natężenia  pola  jest  wystarczająco  duże,  to  zderzenia 

z  atomami.  Jeżeli  natężenia  pola  jest  wystarczająco  duże,  to  zderzenia 

mogą  prowadzić  do  jonizacji  atomu.  Uwolnione  elektrony  również  mogą 

mogą  prowadzić  do  jonizacji  atomu.  Uwolnione  elektrony  również  mogą 

jonizować atomu, itd. 

jonizować atomu, itd. 

→

→

 lawina nośników.

 lawina nośników.

 

 

650

5,45

C

320

3,45

GaN

260

3

6H-SiC

90

1,42

GaAs

60

1,12

Si

43

0,895

SiGe

27

0,66

Ge

BU [V]

Eg [eV]

Przebicie lawinowe

Przebicie lawinowe

 

 

Przebicia złącza p-n

Przebicia złącza p-n

Przebicie  Zenera  i  przebicie  lawinowe  mogą  mieć  charakter 

Przebicie  Zenera  i  przebicie  lawinowe  mogą  mieć  charakter 

stabilny  i  powtarzalny,  jeżeli  wartość  prądu  nie  przekracza 

stabilny  i  powtarzalny,  jeżeli  wartość  prądu  nie  przekracza 

wartości dopuszczalnej.

wartości dopuszczalnej.

Jeżeli  ilość  ciepła  wydzielanego  w  złączu  jest  większa  od  ilości 

Jeżeli  ilość  ciepła  wydzielanego  w  złączu  jest  większa  od  ilości 

ciepła  odprowadzanego  ze  złącza 

ciepła  odprowadzanego  ze  złącza 

→  rośnie  T  złącza  →  rośnie 

→  rośnie  T  złącza  →  rośnie 

prąd  →  rośnie  T  złącza  itd.  →  przebicie  termiczne  (niszczy 

prąd  →  rośnie  T  złącza  itd.  →  przebicie  termiczne  (niszczy 

złącze).

złącze).

 

 

Kontakt metal-półprzewodnik

Kontakt metal-półprzewodnik

Charakterystyka prądowo-napięciowa 

Charakterystyka prądowo-napięciowa 

złącza metal-półprzewodnik może być:

złącza metal-półprzewodnik może być:

a) liniowa i symetryczna

a) liniowa i symetryczna

 (złącze omowe)

 (złącze omowe)

 

 

kontakty i doprowadzenia przyrządów 

kontakty i doprowadzenia przyrządów 

półprzewodnikowych

półprzewodnikowych

 

 

mała rezystancja

mała rezystancja

b) nieliniowa i niesymetryczna

b) nieliniowa i niesymetryczna

 (złącze 

 (złącze 

prostujące)

prostujące)

 

 

dioda Schottky'ego

dioda Schottky'ego

Rodzaj złącza zależy od:

Rodzaj złącza zależy od:

 

 

różnicy prac wyjścia elektronu z metalu i półprzewodnika

różnicy prac wyjścia elektronu z metalu i półprzewodnika

 

 

stanów powierzchniowych półprzewodnika

stanów powierzchniowych półprzewodnika

 

 

Kontakt omowy

Dioda z barierą Schottky’ego

E

c

E

v

E

i

E

Fp

E

c

E

v

E

i

E

Fp

W zależności od różnicy prac wyjścia z metalu i półprzewodnika (także od 

W zależności od różnicy prac wyjścia z metalu i półprzewodnika (także od 

gęstości stanów powierzchniowych) pasma energetyczne zaginają się do 

gęstości stanów powierzchniowych) pasma energetyczne zaginają się do 

góry (

góry (

akumulacja

akumulacja

) tworząc 

) tworząc 

kontakt omowy

kontakt omowy

 lub do dołu (

 lub do dołu (

zubożenie, 

zubożenie, 

inwersja

inwersja

) tworząc kontakt (styk) prostujący - 

) tworząc kontakt (styk) prostujący - 

diodę z barierą Schottky’ego

diodę z barierą Schottky’ego

Kontakt metal-półprzewodnik typu p

Kontakt metal-półprzewodnik typu p

 

 

Kontakt omowy

Dioda z barierą Schottky’ego

E

c

E

v

E

i

E

Fn

E

c

E

v

E

i

E

Fn

W zależności od różnicy prac wyjścia z metalu i półprzewodnika (także od 

W zależności od różnicy prac wyjścia z metalu i półprzewodnika (także od 

gęstości stanów powierzchniowych) pasma energetyczne zaginają się do 

gęstości stanów powierzchniowych) pasma energetyczne zaginają się do 

dołu (

dołu (

akumulacja

akumulacja

) tworząc 

) tworząc 

kontakt omowy

kontakt omowy

 lub do góry (

 lub do góry (

zubożenie, 

zubożenie, 

inwersja

inwersja

) tworząc kontakt (styk) prostujący - 

) tworząc kontakt (styk) prostujący - 

diodę z barierą Schottky’ego

diodę z barierą Schottky’ego

Kontakt metal-półprzewodnik typu n

Kontakt metal-półprzewodnik typu n

 

 

Praca wyjścia elektronu

Praca wyjścia elektronu

Praca  wyjścia  elektronu  –  energia  potrzebna  do  przeniesienia 

Praca  wyjścia  elektronu  –  energia  potrzebna  do  przeniesienia 

elektronu  z  poziomu  Fermiego  na  zewnątrz  metalu  lub 

elektronu  z  poziomu  Fermiego  na  zewnątrz  metalu  lub 

półprzewodnika (do próżni).

półprzewodnika (do próżni).

Praca  wyjścia  elektronu  –  bariera  energetyczna,  jaką  musi 

Praca  wyjścia  elektronu  –  bariera  energetyczna,  jaką  musi 

pokonać  elektron,  aby  opuścić  ciało  stałe  i  oddalić  się  na 

pokonać  elektron,  aby  opuścić  ciało  stałe  i  oddalić  się  na 

odległość,  przy  której  można  pominąć  oddziaływanie  elektronu  z 

odległość,  przy  której  można  pominąć  oddziaływanie  elektronu  z 

ciałem stałem.

ciałem stałem.

 

 

Kontakt metal-półprzewodnik

Kontakt metal-półprzewodnik

Po „zetknięciu” metalu i półprzewodnika układ dąży do równowagi 

Po „zetknięciu” metalu i półprzewodnika układ dąży do równowagi 

termodynamicznej poprzez przegrupowanie elektronów.

termodynamicznej poprzez przegrupowanie elektronów.

Ponieważ praca wyjścia metalu jest większa niż praca wyjścia 

Ponieważ praca wyjścia metalu jest większa niż praca wyjścia 

półprzewodnika, to więcej elektronów będzie przepływać z 

półprzewodnika, to więcej elektronów będzie przepływać z 

półprzewodnika do metalu niż odwrotnie.

półprzewodnika do metalu niż odwrotnie.

 

 

wyrównanie się poziomów Fermiego

wyrównanie się poziomów Fermiego

 

 

po stronie metalu pojawia się cienka warstwa ładunku ujemnego, a po 

po stronie metalu pojawia się cienka warstwa ładunku ujemnego, a po 

stronie półprzewodnika znaczenie szersza warstwa ładunku dodatniego

stronie półprzewodnika znaczenie szersza warstwa ładunku dodatniego

 

 

dipolowa warstwa ładunku przestrzennego

dipolowa warstwa ładunku przestrzennego

 

 

bariera potencjału równa różnicy potencjałów wyjścia elektronu (Vme-

bariera potencjału równa różnicy potencjałów wyjścia elektronu (Vme-

Vpp)

Vpp)

 

 

złącze prostujące 

złącze prostujące 

→

→

 dioda Schottky'ego

 dioda Schottky'ego

 

 

Kierunek przewodzenia: 

Kierunek przewodzenia: 

„plus” do metalu, „minus” 

„plus” do metalu, „minus” 

do półprzewodnika typu n:

do półprzewodnika typu n:

 

 

obniża się bariera potencjału i elektrony płyną z pp do me elektrony, które 

obniża się bariera potencjału i elektrony płyną z pp do me elektrony, które 

przeszły  z  pp  do  me  w  pierwszej  chwili 

przeszły  z  pp  do  me  w  pierwszej  chwili 

obsadzają  poziomy  położone 

obsadzają  poziomy  położone 

wysoko  nad  poziomem  Fermiego  i 

wysoko  nad  poziomem  Fermiego  i 

dlatego  nazywane  są 

dlatego  nazywane  są 

„gorącymi 

„gorącymi 

elektronami”; 

elektronami”; 

 „

 „

gorące elektrony” bardzo szybko (~10-13 s) oddają swą energię i stają się 

gorące elektrony” bardzo szybko (~10-13 s) oddają swą energię i stają się 

częścią swobodnych elektronów w metalu

częścią swobodnych elektronów w metalu

 

 

„

„

gorące elektrony” nie wykazują cech nośników mniejszościowych (tak jak 

gorące elektrony” nie wykazują cech nośników mniejszościowych (tak jak 

to było w złączu p-n)

to było w złączu p-n)

nie ma gromadzenia nośników mniejszościowych

nie ma gromadzenia nośników mniejszościowych

„

„

brak” pojemności dyfuzyjnej

brak” pojemności dyfuzyjnej

dobre właściwości impulsowe

dobre właściwości impulsowe

Dioda Schottky'ego

Dioda Schottky'ego

 

 

Dioda Schottky'ego

Dioda Schottky'ego

ZALETY

ZALETY

WADY

WADY

Bardzo szybkie

Bardzo szybkie

(dziesiątki, setki GHz)

(dziesiątki, setki GHz)

Mały spadek napięcia

Mały spadek napięcia

(0,2 – 0,4 V)

(0,2 – 0,4 V)

Znaczne prądy wsteczne

Znaczne prądy wsteczne

(~

(~

μ

μ

m)

m)

Niskie napięcia przebicia

Niskie napięcia przebicia

 

 

“

“

Zdrowie elektronu –

Zdrowie elektronu –

Oby nigdy nikomu nie był potrzebny.”

Oby nigdy nikomu nie był potrzebny.”

Ulubiony toast na corocznych 

Ulubiony toast na corocznych 

bankietach w Cavendish Laboratory, 

bankietach w Cavendish Laboratory, 

pierwsze lata XX wieku

pierwsze lata XX wieku

wykład przygotowany na podstawie materiałów prof. A. Jakubowskiego (PW) za zgodą autora 

wykład przygotowany na podstawie materiałów prof. A. Jakubowskiego (PW) za zgodą autora