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