Fys2210 Halvlederkomponenter. Repetisjon

Transkript

1 Fys2210 Halvlederkomponenter Repetisjon

2 Pensum 1 CRYSTAL PROPERTIES AND GROWTH OF SEMICONDUCTORS 2 ATOMS AND ELECTRONS 3 ENERGY BANDS AND CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTORS 4 EXCESS CARRIERS IN SEMICONDUCTORS 5 JUNCTIONS Midttermineksamen Forventes kjent / Orienteringsstoff Viktige elektriske og optiske egenskaper Byggesteinen; pn-dioden 6 FIELD-EFFECT TRANSISTORS 7 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS 8 OPTOELECTRONIC DEVICES Komponenter Lab

3 Kapittel 3 &4 I halvledere og isolatorer blandes atomenes energinivåer til energibånd; ledningdbånd (E C ) og valensbånd (E V ) (som senker den totale e - -energien og gir binding E C og valensbånd E V er separerte med et energigap E g E g (halvleder < Eg(isolator) termisk eksitasjon av e - fra E C og valensbånd E V i halvlederen Hull; positiv ladet partikkel med effektiv masse m h *

4 Si atoms Filled; 2N Unfilled; 4N Filled; 2N Filled; 2N + 6N Filled; 2N electons

5 Intrinsisk halvleder: perfekt material og n=p=n i, EHP n i er den intrinsiske ladningsbærerkonsentrasjonen og avhengig av E g e - følger Fermi-Dirac statistikk; f(e) angir sannsynligheten for at en tilstand med energi E er fyllt av et elektron e - ved temperaturen T. Konsentrasjonen av e - med energi E= f(e)n(e)de

6 For hull: 1 f(e) E F er en god (ofte brukt) måte å beskrive ladningsbærerfordelingen n-type: E F > E g /2 + E V p-type: E F < E g /2 + E V Massevirkningsloven: n 0 p 0 = n i 2 (gjelder uavhengig av doping) Temperaturavhengighet: (Ionisasjon, ekstrinsisk, Intrinsisk)

7 Ekstrinsisk Si E C E V E d E C E V E d (a) N-type T = 0 K T = 50 K E C E C E V E a E V E a (b) P-type T = 0 K T = 50 K (c)

8 Schematic band diagram Density of states Fermi-Dirac distribution Carrier concentration E F (a) Intrinsic E F (b) n-type E F (c) p-type

9 Benevninger: E g, E C, E V, E F, E i n, p, n i, n 0, p 0, δn, δp N C, N V, m n, m p, σ, ρ, μ, D, τ, L Mobilitet μ = v ξ For høye ξ-felt avtar μ «hot electrons» Ohms lov: J x = σξ x hvor σ = σ tot = q(nμ n + pμ p )

10 Ved likevekt: E F = konstant; de f dx = 0 Lys med hν > E g overskuddsladninger endret σ (fotokonduktivitet) Emisjon av lys kalles luminesens Fotoluminesens Elektroluminesens Katodeluminesens

11 1 2 < 1 h 2

12 Drift og diffusjon av ladningsbærere: J n x = qμ n n x ξ x + qd n dn(x) dx D μ = kt q - Einstein Kontinuitetsligningen p(x, t) t = 1 q J p x x δp τ p

13 Fys2210 Halvlederkomponenter Repetisjon Kap. 5-8 Siste forelesning

14 FYS2210 Evaluering, H-17 Onsdag 13.12, kl 14:00, LENS møterom (Kristen Nygårds hus, 3. etg) Dialogmøte (etter slutteksamen); Alle undervisere Emnerapport (skjema): 1/3 1 A4 side 1 studentrepresentant Evt. prat om fagvalg, master innen materialfysikk eller annet.

15 Muntlig eksamen FYS eksempel på spørsmål/tema - Lagt ut på hjemmeside Kap. 3 - Hva er mobilitet og hvordan er mekanismene for spredning av ladningsbærere? Temperaturog dopeavhengighet? Konduktivitet (resistivitet)? - Hva er en kvantebrønn? Tilstandsfordeling? Amorft materiale? Bonding og antibonding states? Kap. 4 - Rekombinasjon; hvilke prosesser finnes? - Skisser utledningen av kontinuitetslikningen (Fig.4-16)! Hva er diffusjonslikningen? Diffusjonslengde? Levetid? Elektroner vs hull? Partikkelfluks? Kap. 5 - Hvordan lager man en diode (pn-overgang), processflow (Fig. 5-10)? - En p + n-diode skal tåle 1 kv i reversspenning; hvor tykt n-sjikt trengs for Si (E 0 (maks) = 2x10 5 V/cm) og for SiC (E 0 (maks) = 2x10 6 V/cm)? - Metall-halvleder-overgang; Hvilke 4 tilfeller har vi og beskriv dem?

16 Kapittel 5: pn-overgang I en pn-overgang etableres et kontaktpotensial, V 0, som ved likevekt (E F = konstant) balanserer diffusjonen av h + n-side og e - p-side. J netto = 0 (utledet et uttrykk for V 0!) V 0 bygges opp av faste ukompenserte ladninger (N d+, N a- ) innenfor en sone W som er depletert for frie ladningsbærere (n p 0). V 0 = kt q ln N an d n i 2 W = 2ε(V 0 V) q N a + N d N a N d

17 Deplesjonsone E Vn V 0 E C E C E F E V E C E E F C E V Vp E Cp E E Cp Fp E Vp Electrostatic potential Electrostatic potential qv 0 ECn E Fn E Cn E V E V E Vp Energy bands Energy bands E Vn E Vn Particle flow Particle flow Current Current Figure 5 11 Properties of an equilibrium p-n junction: (a) isolated, neutral regions of p-type and n-type material and energy bands for the isolated regions; (b) junction, showing space charge in the transition region W, the resulting electric field E and contact potential V 0, and the separation of the energy bands; (c) directions of the four components of particle flow within the transition region, and the resulting current directions.

18 En ytre spenning, V, endrer «kontaktbarrieren», q(v 0 -V), og dermed diffusjonsstrømmen av ladningsbærere. Driftsstrømmen derimot er nesten uavhengig av V x (antallet ladningsbærere som begrenser, ikke ℇ-feltets størrelse) W = 2ε(V 0 V) N a + N d q N a N d Utledet diodeligningen: I = I 0 (e qv kt 1) I 0 = qa D p L p p n + D n L n n p (Ideell) Total strøm gjennom en diode er konstant. Flere diffusjonslengder (L p,l n ) fra W s kant transporteres strømmen av majoritetesbærere

19 Rekombinasjon og generasjon (Diffusjon) Jeppson

20 W I = I p + I n = konstant Figure 5 17 Electron and hole components of current in a forward-biased p-n junction. In this example, we have a higher injected minority hole current on the n side than electron current on the p side because we have a lower n doping than p doping.

21 Kort diode; L p,l n erstattes av geometriske lengder (diffusjonsstrømmen gjennom et volum kan være stor selv om ladningdsbærerkonsentrasjonen er liten) Kapasitans: 1) Diffusjonskapasitans forover retning 2) Deplesjonskapasitans - reversretning; C = εa W Gjennombrudd; 1) Zener hardt dopede overganger 2) Avalanche/skred lavt dopede overganger

22 Kapittel 6 Felt-effekt transistorer JFET Unipolar Partikkelfluks S D (alltid) V G styrer ledningskanalen mellom S og D Pinch-off: deplesjonssonen dekker hele kanalen ved D og I D mettner

23 JFET (Junction Field Effect Transistor)

24 Utledet ligning 6-9 for I D -V D karakteristikk I D = G 0 V p V D V p V G V p 3/2 2 3 V D V G V p 3/2 MESFET Schottky kontakt som Gate MOSFET Lett å isolere (n-mos, p-mos, C-MOS) Ideell MOS-kapasitans (Φ m = Φ s ) Innførte: qφ x = E i E i (x)

25 MOSFET

26 MOSFET Innførte: qφ x = E i E i (x) 5 tilfeller (p-substrat): φ s = 0 φ s < 0 Likevekt Akkumulasjon (V G < 0) φ s > 0 Deplesjon (V G > 0) φ s > φ F Inversjon (V G 0) φ s > 2φ F Sterk inversjon (V G 0)

27 Terkselspenning V T (ideelt tilfelle Φ m = Φ s ) V T = minste gatespenning som trengs for sterk inversjon I virkeligheten V T = 2φ F Q d(maks) C i V T = 2φ F Q d maks C i + Φ ms Q i C i

28 Figure 6 19 Effects of charges in the oxide and at the interface: (a) definitions of charge densities (C/cm 2 ) due to various sources; (b) representing these charges as an equivalent sheet of positive charge Q i at the oxide semiconductor interface. This positive charge induces an equivalent negative charge in the semiconductor, which requires a negative gate voltage to achieve the flat band condition. V T i virkeligheten; positive ladninger i gate-oksiden

29 Utledet I D V D karakteristikk I D = μҧ nzc i L V G V T V D 1 2 V D 2 Små V D : (V D <<(V G -V T ) g = I D = μ nzc i V D L V G V T Store V D : (dvs en resistor som styres av V G ) I D sat VD =V G V T = μ nzc i L g m = I D(sat) V G = μ nzc i L V G V T 2 V G V T

30 y(x)

31 Justering av V T V T = 2φ F Q d maks C i + Φ ms Q i C i

32 Kap. 7 Bipolar transistor Bipolar transistor som forsterker β = I c I B = α 1 α - Strømforsterkningsfaktor α = Bγ - strømtransportfaktor B - basetransportfaktor γ - emittereffektivitet

33 Fluks av e - og h + i BJT Figure 7 3 Summary of hole and electron flow in a p-n-p transistor with proper biasing: (1) injected holes lost to recombination in the base; (2) holes reaching the reverse-biased collector junction; (3) thermally generated electrons and holes making up the reverse saturation current of the collector junction; (4) electrons supplied by the base contact for recombination with holes; (5) electrons injected across the forward-biased emitter junction.

34 Forspent Revers-spent Figure 7.6 Simplified p-n-p transistor geometry used in the calculations.

35 Løste diffusjonsligningen i basen I E, I B og I C I B = qa D p L p (Δp E + Δp C )tanh W b 2L p I C = qa D p L p Δp E csch W b L p Δp C ctnh W b L p Ladningsbetraktning: I C = Q p τ t I B = Q p τ p (γ = 1) Gir samme resultat som løsning av diffusjonsligningen i basen (under visse forutsetninger)

36 Basebreddemodulasjon (Early-effekt) W b (effektiv) minsker når CB-overgangen reversspennes øker β (Early-effekt) som til slutt fører til gjennombrudd (punch-through) når V CB =V pt B E n + p n + C V CB = 0 N d N a N d E W b n + p n + C V CB = V Pt N d N d Drift i basen ved «ikke-konstant» basedoping

37 HBT (heterojunction bipolar transistor) γ 1 uten at N emitter >> N base E g (emitter) > E g (base)

38 Kap. 8 Optoelektroniske komponenter Figure 8 1 Optical generation of carriers in a p-n junction: (a) absorption of light by the device; (b) current Iop resulting from EHP generation within a diffusion length of the junction on the n side; (c) I V characteristics of an illuminated junction.

39 Kap. 8 Optoelektroniske komponenter Fotodioden: I tot = I th e qv kt 1 I op hvor I op = qag op (L p + L n + W) V = 0 I tot = I sc = I op I = 0 V oc = kt q ln I op I th + 1 Fotovoltaisk effekt (PV)

40 Lykke til med forberedelsene!