Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 1

Transkript

1 Fys2210 Halvlederkomponenter Kapittel 1

2 Materialets struktur kan være - Amorft - Polykrystallinsk - Enkrystallinsk

3 Enkrystallinske materialer kan ha ulik atomstruktur De vanligste halvlederne (Si, Ge, GaAs) har diamantstruktur

4

5 En annen vanlig struktur til halvledende materialer er wurtzite (heksagonalt krystallsystem) Noen eksempler: GaN, SiC, ZnO

6

7 Transistorer detektorer Solceller Transistorer (kraftelektronikk) Optoeletronikk (detektorer, LED s, solceller) ZnO Cu 2 O TiO 2 Ga 2 O 3 Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

8 Czokralski growth of bulk singel crystals

9 Epitaxial growth of thin films

10 Fys2210 Halvlederkomponenter Kapittel 3

11

12 Det er stor forskjell mellom elektronenes energinivåer i et enkelt atom og et fast materiale. Diskret/skarpe energinivåer blandes og blir til energibånd og en krystallbinding oppstår pga at den totale elektronenergien reduseres Si, Ge kovalent binding Si Si Si Si Si

13 Antibonding orbital Atomic orbitals Bonding orbital Antibonding energy level Bonding energy level krystall bindning

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

15 Energi E g >5eV Metall Halvleder Isolator Forskjellen mellom en halvleder og en isolator er størrelsen på båndgapet. Det er ikke et klart skille, men man kan grovt regne materialer med båndgap > 5eV som isolatorer

16 Elektrisk ledningsevne ledningsbånd (conduction band) Valensbånd (valence band)

17 En halvleder har et mindre energigap mellom valens og ledningsbåndet enn en isolator

18 To måter vi kommer til å tegne bånddiagrammet på

19 To måter vi kommer til å tegne bånddiagrammet på

20 Eks: GaAs Eks: Si (a) Direct (b) Indirect

21 Eks: GaAs Eks: Si (a) Direct (b) Indirect

22 Figure 3 10 Realistic band structures in semiconductors: (a) conduction and valence bands in Si and GaAs along [111] and [100]; (b) ellipsoidal constant energy surface for Si, near the six conduction band minima along the X-directions. (From Chelikowsky and Cohen, Phys. Rev. B14, 556, 1976.) Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

23 Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

24 Strømtransport i en halvleder beskrives mha to typer ladningsbærere; Elektroner og Hull

25 Elektroner og hull kan tilskrives en effektiv masse, m n * og m p *

26

27 Intrinsisk Si E c E v Par av e - og hull (h + ) (EHP)!

28 Ekstrinsisk halvleder / Doping P e - P er en donor i Si: Donerer et elektron til ledningsbåndet Overskudd av elektroner n-type

29 Ekstrinsisk halvleder / Doping E c E v P e - P er en donor i Si: Donerer et elektron til ledningsbåndet Overskudd av elektroner n-type

30 Ekstrinsisk halvleder / Doping B h + B er en akseptor i Si: Tar imot (aksepterer) et elektron fra valensbåndet underskudd av elektroner, dvs. h+ dominerer ledningsevnen p-type

31 Ekstrinsisk halvleder / Doping E c E v B h + B er en akseptor i Si: Tar imot (aksepterer) et elektron fra valensbåndet underskudd av elektroner, dvs. h+ dominerer ledningsevnen p-type

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

33 Oppgave, p-type eller n-type? 1. Ga i Si 2. N i SiC 3. Si i GaAs 4. Mg in GaN 5. Al i ZnO 6. N in ZnO

34 Ekstrinsisk Si E C E V E d T = 0 K E C E V E d T = 50 K (a) E = E c E d = 0.04 N-type N d konsentrasjonen av donorer n = N d E C E C E V E a E V E a (b) P-type T = 0 K T = 50 K (c) N a konsentrasjonen av akseptorer p = N a

35 Definisjoner/benevninger: For energi (f.eks. båndgap) brukes benevningen ev 1 ev= joules 1 ev/q = 1V n - konsentrasjon av e - i ledningsbåndet, (cm -3 ) p - konsentrasjon av h + i valensbåndet, (cm -3 ) N d - konsentrasjon av donorer, (cm -3 ) N a - konsentrasjon av akseptorer, (cm -3 )

36 Fermi-Dirac fordeling Elektroner er Fermioner: 1. Ikke skilles individuelt 2. Bølgenatur 3. Pauliprinsippet (ikke 2 e - i samme tilstand)

37

38

39

40 Fermifordelning i intrinsisk, n-type og p-type halvleder n p n = p n > p Figure 3 15 n < p Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

41 Fermifordelning i intrinsisk, n-type og p-type halvleder n p n = p n > p Figure 3 15 n < p Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

42 Fermifordelning i intrinsisk, n-type og p-type halvleder n p n = p n > p Figure 3 15 n < p Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

43 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

44 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

45 Schematic band diagram Density of states Fermi-Dirac distribution Carrier concentration E F (a) Intrinsic (b) n-type E F EF forteller noe om ladningsbærerkonsentrasjonen E F (c) p-type