ii semestar (2+2+1) nastavnik: prof. dr dragan pantić...

II semestar (2+2+1)

Nastavnik: Prof. dr Dragan Panti, kabinet [email protected]

Predavanje VIII

6/12/2012

Elektronske komponente -

Pasivne komponente 2

3 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Osnovne osobine poluprovodnika

Elementarni poluprovodnici i poluprovodnika jedinjenja

Slobodni elektroni i upljine u poluprovodnicima

Energetske zone

Primesni poluprovodnici

Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamikoj ravnotei

Transport nosilaca naelektrisanja

Rekombinacija u poluprovodnicima

Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2

4 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika




Energetske zone






6/12/2012



7 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Elementarni poluprovodnici u

periodnom sistemu elemenata

8 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Kristalna struktura elementarnih poluprovodnika

dijamantska (C, Si, Ge)

Kristalna struktura dijamanta

6/12/2012



Kristalna struktura silicijuma

6/12/2012



11 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

ematski prikaz Si atoma u ravni

(atomski broj silicijuma je 14)

12 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika




Energetske zone






13 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

14 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

U savrenom Si 4 elektrona iz poslednje orbite su povezana sa elektronima susednih atoma (kovalentna veza)

Si se ponaa kao izolator nema slobodnih nosilaca naelektrisanja

Na sobnoj temperaturi, usled termikih vibracija kristalne reetke neki elektroni poveavaju svoju energiju, raskidaju kovalentnu vezu i postaju slobodni elektroni

Atom Si koji izgubi jedan elektron postaje elektrino pozitivan

15 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Generacija/Rekombinacija

16 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

17 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Sopstvena

koncentracija nosilaca

naelektrisanja ni

Slobodni elektroni n0 i

upljine p0

Uticaj temperature na

generisanje nosilaca i

rekombinaciju

Na svakoj temperaturi se

uspostavlja ravnotea

Kod istog Si uvek vai

da je n0 = p0 = ni

ni = 1.13 1010 cm-3 na

T=300K

18 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika




Energetske zone






19 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

20 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Energetske zone du jednog pravca u

istom (sopstvenom) Si na T = 0K

21 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

22 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

irina zabranjene zone Provodna i valentna zona

su razdvojene nizom

energetskih nivoa koje

elektron ne moe zauzeti

zabranjena zona

Predstavlja najmanju

energiju koju je potrebno

dovesti elektronu u

valentnoj zoni da bi on

preao u provodnu zonu

irina zabranjene zone

se smanjuje sa

poveanjem temperature

23 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

6/12/2012



Energetskie zone dijamanta u funkciji konstante kristalne reetke

25 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika




Energetske zone






26 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika


Elektrina svojstva poluprovodnika u najveoj meri zavise od prisustva nekih stranih elemenata, primesa.

Primese su uvek prisutne u poluprovodniku

Od posebnog znaaja su primese koje mi u poluprovodnik unosimo kontrolisano

Koncentracije primesa su u opsegu od 1014cm-3

do 1022cm-3

Primese su najee trovalentni ili petovalentni atomi.

27 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Poluprovodnici n-tipa

Dodajemo petovalentne atome

P, As, Sb

Ove primese daju elektrone pa se zato nazivaju donorske primese ili donori

ND koncentracija donora

Koncentracija upljina je daleko manja

n0 je priblino jednako ND Elektroni su veinski a upljine

manjinski nosioci naelektrisanja u n-tipu poluprovodnika

ED donorki nivo u blizini dna provodne zone

28 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

29 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

Poluprovodnici p-tipa Dodajemo trovalentne atome

B, Al, Ga, In

Ove primese primaju elektrone kako bi dopunili kovalentnu vezu pa se zato nazivaju akceptorske primeseili akceptori

NA koncentracija akceptora

Koncentracija upljina je daleko manja

p0 je priblino jednako NA upljine su veinski a elektroni

manjinski nosioci naelektrisanja u p-tipu poluprovodnika

EA akceptorski nivo u blizini vrha valentne zone

30 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika

31 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika




Energetske zone






Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri

termodinamikoj ravnotei

Sopstveni i slabo dopiran poluprovodnik

Koncentracija elektrona

Koncentracija upljina

Sopstveni poluprovodnik

Primesni poluprovodnik


poluprovodnik bez primesa (ist

poluprovodnik)

Slabo dopirani poluprovodnik

nedegenerisani poluprovodnik,

koncentracija primesa je < 1017cm-3

Jako dopirani poluprovodnik

degenerisani poluprovodnik kod koga je

koncentracija primesa > 1017cm-3

Sopstveni i slabo dopiran

poluprovodnik

U jednoj zoni ima onoliko energetskih nivoa koliko ima nosilaca naelektrisanja

Paulijev princip jedan energetski nivo jedan elektron

Koncentracija nosilaca je proporcionalna verovatnoi da energetski nivo E u provodnoj zoni bude zauzet na temperaturi T

Raspodela elektrona i upljina po energetskim nivoima podlee Fermi-Dirakovoj funkciji raspodele

Fermi-Dirakova funkcija

f(E) verovatnoa da je energetski nivo E zauzet

k Bolcmanova konstanta (k = 1.38 10-23J/K ili k = 8.62 10-5 eV/K)

EF energija Fermijevog nivoa

kT = 0.026 eV (T = 300K)

Ukupan broj stanja

Broj zauzetih stanja


raspodele za T=0K

Diskretna energetska stanja za T=0K


raspodele za T>0K

Diskretna energetska

stanja za T>0K

Koncentracija elektrona

Kada je (E-EF) >> kT

fMB(E)

EC dno provodne zone

NC efektivni broj stanja sveden na dno provodne

zone

NC je konstanta i za T = 300K iznosi 2.8 1019cm-3

Na nekoj drugoj temperaturi se odreuje uz

pomo izraza:

kT

EENn FCc exp0

2/3

19

300108,2

TN c

Primer 1. Izraunati koliko je udaljen Fermijev nivo u odnosu na dno provodne

zone u silicijumu na temperaturama T0=300K i T1=400K, ako je koncentracija

donorskih primesa ND=1016cm-3.

S obzirom da su ve na sobnoj temperaturi T0 sve primese jonizovane, to znai

n0(T0) n0(T1) ND = 1016 cm-3

kT

EENn FCc exp0

D

c

FCN

T

T

T

TkT

n

NkTEE

2/3

0

19

0

0

0

108,2

lnln

16

19

010

108,2ln026,0)(TEE FC 0.206 eV

16

2/3

19

110

300

400108,2

ln300

400026,0)(TEE FC

0.29 eV

T0 = 300K

T1 = 400K

Koncentracija upljina

Broj upljina u valentnoj zoni je jednak broju umanjenja valentnih elektrona

Verovatnoa da se na nekom nivou nalazi upljina je jednaka verovatnoi da na tom nivou nema elektrona

fh(E,T) = 1 f(E,T)

EV vrh valentne zone

NV efektivni broj stanja sveden na vrh valentne

zone

NV je konstanta i za T = 300K iznosi 1.08 1019cm-3

Na nekoj drugoj temperaturi se odreuje uz

pomo izraza:

kT

EENp VFv exp0

2/3

19

3001008,1

TN c

Primer 2. Izraunati koliko je udaljen Fermijev nivo u odnosu na vrh valentne

zone u silicijumu na temperaturama T0=300K i T1=400K, ako je koncentracija

donorskih primesa NA=1016cm-3.

S obzirom da su ve na sobnoj temperaturi T0 sve primese jonizovane, to znai

p0(T0) p0(T1) NA = 1016 cm-3

0.182 eV

0.257 eV

T0 = 300K

T1 = 400K

kT

EENp VFv exp0

A

v

VFN

T

T

T

TkT

p

NkTEE

2/3

0

19

0

0

0

1008,1

lnln

16

19

010

1008,1ln026,0)(TEE VF

16

2/3

19

110

300

4001008,1

ln300

400026,0)(TEE VF


Broj slobodnih elektrona n0 je jednak broju

slobodnih upljina p0

n0 = p0 = ni = pi

kT

EEN

kT

EENn VFiv

FiC

ci expexp

Korienjem prethodnih izraza moe se

odrediti poloaj Fermijevog nivoa u

sopstvenom poluprovodniku:

8,2

08,1ln

22ln

22

kTEE

N

NkTEEEE vC

c

vVC

iFi

22

g

V

g

CiFi

EE

EEEE

Fermijev nivo se nalazi priblino na sredini zabranjene zone!!

22

g

V

g

CiFi

EE

EEEE

kT

EENn FCc exp0

kT

EENp VFv exp0

kT

ENn

g

ci2

exp

kT

ENp

g

vi2

exp

2 expg

i i i c v

En p n N N

kT

kT

EENN

kT

EENN

kT

ENNn Vivc

iC

vc

g

vci expexp2

exp

Zavisnost sopstvene koncentracije nosilaca od temperature

exp2

g

i c v

En N N

kT

Sopstvena koncentracija

nosilaca raste sa

poveanjem temperature!!

ira zabranjena zona

Manja sopstvena

Koncentracija nosilaca

T

Primer 3. Ako je na temperaturama od T0=300K i T1=400K irina zabranjene

zone Eg(300K) = 1.1eV i Eg(400K) = 1.09eV, respektivno, izraunati koncentracije

sopstvenih nosilaca naelektrisanja na tim temperaturama.

51 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika




Energetske zone






Transport nosilaca naelektrisanja(obradiemo direktno na p-n spoju!)

Drift nosilaca naelektrisanja

Specifina otpornost i provodnost

homogenih poluprovodnika; driftovska

struja

Difuzija u poluprovodnicima; difuziona

struja

Ukupna struja; Ajntajnova relacija

53 6/12/2012

Osnovne osobine

poluprovodnika




Energetske zone







Rekombinacija elektrona i upljina je proces u kojem

dolazi do anihilacije oba nosioca, tj. elektron zauzima u

jednom, ili iz vie koraka upranjeno mesto.

Usled razlike u energiji koju elektron ima pre i posle

procesa, ovaj proces je praen emisijom energije i u

zavisnosti od toga kakva je ta emisija procesi

rekombinacije se mogu podeliti na radijativne, kod kojih

dolazi do emisije fotona, i neradijativne kod kojih se

oslobodjena energija u vidu kinetike energije predaje

drugom elektronu.

6/12/2012



SRH

6/12/2012



Zato silicijum? Prvi materijal koji je korien u poluprovodnikoj industriji

je bio germanijum (Ge).

Si inenice Ime je dobio od latinske rei silex ili silicis to znai kvarc (flint)

Si je 2nd najzastupljeniji element (25.7% ukupne teine) (1st je kiseonik)

Zato Si?

irina zabranene zone i radna temperatura

Si (1.12 ev), Ge (0.66 eV)

Si do ~ 150 C a Ge do ~ 100 C.

Lake formiranje pasivizacionog sloja

GeO2 teko se formira, rastvorljiv u vodi i disocira na 800 C.

SiO2 lako se formira i hemijski je stabilan

Cena

Si ima dosta i jeftiniji je (~ 10 puta jeftiniji od Ge)

Osnovni termini koje razumemo?

Atom

Proton

Elektron

upljina

Valentnost

Jonizacija

Slobodni elektroni

Silicijum

Kristalna struktura

Izolatori

Provodnici

Poluprovodnici

Dopiranje

Drift

Difuzija

Rekombinacija

Pitanja na koja znam da odgovorim?

Opii atom. ta je elektron, ta valentni elektron, a ta slobodni elektron?

Kako se formira jon?

Koja je osnovna razlika izmeu izolatora i provodnika?

Po emu se poluprovodnici razlikuju od izolatora i provodnika?

Koliko valentnih elektrona ima bakar?

Navedi bar tri najbolja provodnika.

Koliko valentnih elektrona imaju poluprovodnici?

Koji se poluprovodnik najee koristi i zato?

nastavak!

Kako se formiraju kovalentne veze?

ta znai termin sopstveni poluprovodnik?

ta je monokristalni silicijum?

Koliko valentnih elektrona imaju Si i Ge?

Da li se slobodni elektroni nalaze u valentnoj ili provodnoj zoni?

Koji su elektroni odgovorni za pojavu struje u materijalu?

ta su upljine?

Definii dopiranje

Koja je razlika izmeu petovalentnit i trovalentnih atoma i kako se oni drugaije nazivaju?

nastavak!

Kako se formira n-tip poluprovodnika?

Kako se formira p-tip poluprovodnika?

ta su veinski nosioci naelektrisanja u n-tipu poluprovodnika?

ta su veinski nosioci naelektrisanja u p-tipu poluprovodnika?

Kojim procesom se formiraju veinski nosioci naelektrisanja?

Kojim procesom se vormiraju manjinski nosioci naelektrisanja?

Koja je razlika izmeu inrinsic i extrinsic poluprovodnika?

ii semestar (2+2+1) nastavnik: prof. dr dragan pantić...

Documents