Fys2210 Halvlederkomponenter. Repetisjon

Like dokumenter
Fys2210 Halvlederkomponenter. Repetisjon

Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 6 Kapittel 5 - Overganger

Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 5 Kapittel 5 - Overganger

Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 6 Kapittel 5 - Overganger

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer Forelesning 10

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

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

Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 9 Kapittel 6 - Felteffekttransistoren

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 1

Fys2210 Halvlederkomponenter

Halvlederkomponenter

Halvlederkomponenter

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

Basis dokument. 1 Solcelle teori. Jon Skarpeteig. 23. oktober 2009

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer. Felteffekt-transistorer

Electronics Technology Fundamentals

CMOS billedsensorer ENERGIBÅND. Orienteringsstoff AO 03V 2.1

Fysikk og teknologi Elektronikk FYS ) Det betyr kjennskap til Ohms lov : U = R I og P = U I

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

IN 241 VLSI-konstruksjon Løsningsforslag til ukeoppgaver uke 36

Energiband i krystallar. Halvleiarar (intrinsikke og ekstrinsikke) Litt om halvleiarteknologi

Fysikk og teknologi - Elektronikk Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

Meir om halvleiarar. Halvleiarteknologi

Rev. Lindem 25.feb..2014

FYS1210. Repetisjon 2 11/05/2015. Bipolar Junction Transistor (BJT)

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

BYGGING AV LIKESTRØMSKILDE OG TRANSISTORFORSTERKER

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer

Kapittel 18 Grunnleggende diodekoplinger. Likeretter (Rectifier) omforme AC til DC

Kondenserte fasers fysikk Modul 4

Forelesning nr.8 IN 1080 Elektroniske systemer. Dioder og felteffekt-transistorer

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2017

Transistorforsterker

GJ ennomgang av CMOS prosess, tverrsnitt av nmos- og

UKE 6. Dioder, kap. 17, s , Diode Kretser, kap. 18, s

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder Praktiske anvendelser

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 høsten 2005

Lab 1 i INF3410. Prelab: Gruppe 5

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 8. desember 2006 kl 09:00 13:00

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI LØSNINGSFORSLAG

Mandag Ledere: Metaller. Atomenes ytterste elektron(er) er fri til å bevege seg gjennom lederen. Eksempler: Cu, Al, Ag etc.

Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Tirsdag 12. desember 2006 Tid:

Prosjekt i Elektrisitet og magnetisme (FY1303) Solceller. Kristian Hagen Torbjørn Lilleheier

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

Z L Z o Z L Z Z nl + 1 = = =

Spenningskilder - batterier

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer. Transistorer MOSFET Strømforsyning

Lysdetektorer. Kvantedetektor. Termisk detektor. Absorbsjon av fotoner: Kvanterespons Termisk respons. UV MIR Fotoeffekt (Einstein, Nobelpris 1921)

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

For å forstå hvordan halvledere fungerer, er det viktig først å ha forstått hva som gjør at noen stoffer leder strøm, mens andre ikke gjør det.

Mandag dq dt. I = Q t + + x (tverrsnitt av leder) Med n = N/ V ladningsbærere pr volumenhet, med midlere driftshastighet v og ladning q:

Solceller og halvledere

Transistorer en alternativ presentasjon. Temapunkter for de 3 neste ukene

EKSAMEN I EMNE SIK5005 MATERIALTEKNOLOGI 2 MANDAG 5. MAI, LØSNINGSFORSLAG -

Forslag til løsning på Eksamen FYS1210 våren 2004

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

Forelesning 8. CMOS teknologi

Exercise 1: Phase Splitter DC Operation

GJ ennomgang av CMOS prosess, tverrsnitt av nmos- og

UNIVERSITETET I OSLO

Tirsdag r r

GJ ennomgang av CMOS prosess, tversnitt av nmos- og

Onsdag og fredag

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

Energibånd i faste stoffer. Et prosjekt i emnet FY1303 elektrisitet og magnetisme, skrevet av Tord Hompland og Sigbjørn Vindenes Egge.

EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Transistorer. Dekkes delvis i boka Kap 19-21

a) Bruk en passende Gaussflate og bestem feltstyrken E i rommet mellom de 2 kuleskallene.

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Løsningsforslag til EKSAMEN

Sammendrag, forelesning onsdag 17/ Likevektsbetingelser og massevirkningsloven

UNIVERSITETET I OSLO Fysisk institutt. FYS2210 Laboratorierapport. -N-MOSFET -Schottkydiode. Sindre Rannem Bilden

Løsningsforslag til ukeoppgave 15

FYS1120 Elektromagnetisme H10 Midtveiseksamen

Energiband i krystallar

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

EKSAMEN I FAG SIF4062 FASTSTOFFYSIKK VK Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk Tirsdag 8. mai 2001 Tid: Sensur faller 29.

Spenningskilder - batterier

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-1002 Elektromagnetisme. Adm.bygget B154 Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling

Denne metoden krever at du sammenlikner dine ukjente med en serie standarder. r cs

Solceller. Josefine Helene Selj

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

Dekkes delvis i boka Kap 19-21

TRANSISTORER Transistor forsterker

FYS Forslag til løsning på eksamen våren 2014

Elevverksted Elektronikk Bruk av transistor som bryter

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 2011

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 10. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

Transkript:

Fys2210 Halvlederkomponenter Repetisjon

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

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 *

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

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

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)

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)

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

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 )

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

1 2 < 1 h 2

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

Fys2210 Halvlederkomponenter Repetisjon Kap. 5-8 Siste forelesning

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.

Muntlig eksamen FYS2210 - 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?

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

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.

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

Rekombinasjon og generasjon (Diffusjon) Jeppson

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.

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

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

JFET (Junction Field Effect Transistor)

Utledet ligning 6-9 for I D -V D karakteristikk I D = G 0 V p V D V p + 2 3 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)

MOSFET

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)

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

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

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

y(x)

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

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

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.

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

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)

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

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

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.

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)

Lykke til med forberedelsene!