Fys Halvlederkomponenter. Lasse Vines kontor: Kristen Nygårds hus, 3. etg.

Transkript

1 Fys Halvlederkomponenter Lasse Vines lassevi@fys.uio.no kontor: Kristen Nygårds hus, 3. etg.

2 Fys2210

3

4 NB: Forelesning Torsdag 30/8 (i øvingstimen) 3 timer forelesning og 3t øving til uke 41, deretter 2t Lab er obligatorisk Kursevaluering: Underveisevaluering i forelesning Sluttevaluering etter eksamen

5 Forelesning førstkommende torsdag (ikke øvingstime) , Tidrommet

6 MIDTTERMINEKSAMEN KL STED: SAL 3C SILURVEIEN 2

7

8 Hensikt Forstå dagens halvledermaterialer og komponenter. Virkemåte, fysiske prinsipper/begrensninger, analytiske modeller og litt om fremstillingsteknologi,

9 Hensikt Forstå dagens halvledermaterialer og komponenter. Virkemåte, fysiske prinsipper/begrensninger, analytiske modeller og litt om fremstillingsteknologi, Basiskunnskaper for å vurdere nye halvledermaterialer/ komponenter.

10 Hensikt Forstå dagens halvledermaterialer og komponenter. Virkemåte, fysiske prinsipper/begrensninger, analytiske modeller og litt om fremstillingsteknologi, Basiskunnskaper for å vurdere nye halvledermaterialer/ komponenter. Inspirere til ny kunnskap om fremtidens halvledere, f.eks. brenselceller, solceller, bioelektronikk, N(M)EMS

11 the most important invention of the 20th Century - American Physical Society Den første transistoren Nobel Prize in Physics 1956: William B. Shockley, John Bardeen, Walter H. Brattain for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect

12 Transistoren:

13 Prosessorer Elektriske komponenter Partikkeldetektorer i LHC Detektorer Sensorer Flash minne Display Solceller LED s Faststoff lasere

14 Prosessorer Elektriske komponenter Partikkeldetektorer i LHC Detektorer Flash minne Solceller LED s

15 Læringsmål Etter kurset skal studentene kunne: gjøre rede for grunnleggende egenskaper til halvledermaterialer (båndgap, ladningsbærere, mobilitet, doping, Ferminivå, ledningsevne og type, rekombinasjon og luminesens), og analytisk beregne drift- og diffusjonsstrømmer beskrive virkemåten til en diode og analytisk beregne kontaktpotensial, deplesjonssone, elektrisk feltstyrke, ladningsbærerfordelinger og strømspenning forhold gjøre rede for virkemåten til felteffekttransistorer og bipolare transistorer, og bruke analytiske modeller til å beregne forhold mellom strøm og spenning beskrive optiske prosesser i halvledermaterialer og gjøre rede for virkemåten til lysdiode, fotodetektor og solcelle. Spesielt skal studenten kunne analysere en solcelle og beregne dens elektriske effekt praktisk lage en Schottky diode på egen hånd i et renrom og med støtte fra andre også lage en metall-oksid-felteffekt-transistor. Deretter skal studenten kunne måle elektrisk på komponentene og evaluere ytelsen innhente opplysninger på egen hånd og vurdere nye halvledermaterialer og -komponenter med hensyn til fotovoltaiske (solcelle) og elektroniske anvendelser.

16 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

17 Kapittel CRYSTAL PROPERTIES AND GROWTH OF SEMICONDUCTORS 2 ATOMS AND ELECTRONS 3 ENERGY BANDS AND CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTORS 4 EXCESS CARRIERS IN SEMICONDUCTORS Forventes kjent / Orienteringsstoff Viktige elektriske og optiske egenskaper

18 Hva er en halvleder? E g >5eV Metall Halvleder Isolator

19 Energi Elektroner i et fast materiale Båndgap elektron N Antall atomer

20 Båndgap 2 representasjoner Momentrommet Fysiske dimensjoner E C E C E g E v E v k x

21 Elektrisk ledningsevne Elektron i ledningsbånd Øvre energibånd (conduction band) Nedre energibånd (valence band) Hull i valensbånd

22 Electrical conduction: p- and n-type = electron = hole n-type p-type Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si extra electron missing electron Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si

23 = electron Mobility = hole Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si

24 Light-semiconductor interaction: luminescence = electron = hole absorption

25 Light-semiconductor interaction: luminescence = electron = hole absorption

26 Light-semiconductor interaction: luminescence = electron = hole luminescence

27 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 Forventes kjent / Orienteringsstoff Viktige elektriske og optiske egenskaper Byggesteinen; pn-dioden

28 = electron Rectification: pn-junction = hole p-type n-type

29 = electron Rectification: pn-junction = hole p-type n-type

30 = electron Rectification: pn-junction = hole p-type n-type

31 pn-diode: likevekt V

32 pn-diode: forspent V

33 pn-diode: reversspent V

34 IV kurve til en diode Strøm Spenning

35 Det matematiske rammeverket

36 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 6 FIELD-EFFECT TRANSISTORS Forventes kjent / Orienteringsstoff Viktige elektriske og optiske egenskaper Byggesteinen; pn-dioden

37 Transistors: Small, fast and many En prosessor kan inneholde mer enn 7 milliarder transistorer Du får plass til mer enn nm transistorer over et hårstrå En transistor bryter av og på 100 milliarder ganger / sekund Intel alene produserer (5 milliarder) transistorer hvert sekund, eller transistorer/år

38 Felteffekttransistoren 3 forskjellige typer: - Junction FET - MESFET - MOSFET JFET MESFET MOSFET Source Gate Drain Source Gate DrainSource Gate Drain n + p-type Si n + n + n + n + p-type Si p-type Si Gate

39 Felteffekttransistoren En prosessor kan inneholde mer enn 2.6 milliarder transistorer metal- oxide-semiconductor MOS Gate Metal Oxide p-type Si Semiconductor Ledningskanal

40 Felteffekttransistoren En prosessor kan inneholde mer enn 2.6 milliarder transistorer Source MOSFET Gate Drain n + n + p-type Si

41 Hva gjør en transistor? Transistoren er den viktigste komponenten i så å si all moderne elektronikk Amplify Switch

42 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 Komponenter

43 Bipolar transistor

44 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

45 IV kurve til en diode Strøm Spenning

46 Strøm Spenning for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources

47 Lysemitterende dioder (LED s) - en miljøvennlig teknologi Lang levetid ~ timer (glødelampe ~ timer) 20-30% av elektrisk forbruk I i-land er belysning 40% energieffiktivisering er mulig ved å bytte til LED s tilsvarer 128 milliarder i redusert kost, 670 millioner tonn CO 2, Eller det tilsvarer 642 kraftverk

48 Detektorer Strøm Spenning LHC at CERN

49 Solceller Strøm I 1447 predikerte Leonardo Da Vinci industrialisering av sola Energien fra sola som treffer jorda i ett minutt er nok til verdens elektrisitetsbehov i ett år. Det mest vanlige solcellematerialet er silisium (Si) Nest vanligste grunnstoffet i jordskorpen etter oksygen Norge har store silisiumforekomster som kan brukes til solceller og IT Første Solcelle ble laget av Bell Lab i 1954 En Si solcelle har typisk effektivitet >20% Levetiden er minst 20 år Det største solcellekraftverket ligger i Kina (Longyangxia Dam) og dekker ~23 km 2 Spenning

50 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

51 Lab Utføres i Mikro- og Nanoteknologilaboratoriet (MiNaLab), Gaustadalleen 23C, og starter i uke 42 (16-20/10). Totalt 5 lab er (1 lab per uke) varighet 4t. Frist for levering av lab-rapport: Lab ene er obligatoriske og hver student skriver egen rapport.

52 Halvlederfysikk ved Fysisk Institutt/SMN - Anvendelsesmotivert grunnforskning MiNa-Lab ~ 50 personer (Prof s, Post Doc s/forskere, PhD s, Msc s, teknisk og adm. ansatte) Lab: MiNa-Lab Renrom (440 m 2 ) og karakteriseringslab er Vi jobber med: Solceller, LED s, Nanoteknologi, Elektronikk, Sensorer,

53 Eksamen Skriftlig underveiseksamen 12. okt. (20%) Lab-rapport, innleveringsfrist 25. nov. (20%) Muntlig avluttende eksamen (60%) Ca 30 min/kanidat 2 dager settes opp for å unngå kolliderende eksamener

54