3a. predavanje_poluvodici1

1

ELEKTRONIKELEKTRONIKAA

Doc.dDoc.dr.sc. Slavko r.sc. Slavko RupčićRupčić

3. Predavanje3. PredavanjePOLUVODIČI 1POLUVODIČI 1

Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku

Stručni studij računarstva

2

Osnovna:

T.Švedek, Poluvodičke komponente i osnovni sklopovi, Svezak I. Poluvodičke komponente, Graphis Zagreb, 2001.

Dopunska:

P.Biljanović, Poluvodički elektronički elementi, Školska knjiga, Zagreb, 1996.

B.Juzbašić, Elektronički elementi, Školska knjiga, Zagreb, 1984.

Organizacija i sadržaj predmeta

Literatura:

3

2.1. Podjela čvrstih tijela

Čvrsta tijela se prema unutarnjem rasporedu atoma dijele na:

• kristalinična - pravilan raspored atoma (poli i mono)

• amorfna - nepravilan raspored atoma

4


Valentni elektroni atoma u kristalu uglavnom određuju:

• fizikalna svojstva (električna, temperaturna, magnetska, optička) i

• karakter silâ koje drže atome kristala na okupu.

Najvažnije električko svojstvo

čvrstog tijela je otpornost .

5

Podjela čvrstih tijela prema iznosu otpornosti:

• vodiči - < 103 cm

• poluvodiči - 103 cm < < 106 cm

• izolatori - 106 cm <

metalni kristali

ionski ilikovalentni kristali

Otpornost poluvodiča ovisi o vanjskim utjecajima:

• temperaturi, optičkoj pobudi, radijaciji, tlaku, ali i o

• količini i tipu primjesa namjerno dodanih monokristalu.


6


7

Zanimljivi za primjenu u elektronici jer im se otpornost može kontroliranim dodavanjem primjesa mijenjati u širokim granicama - od otpora vodiča do otpora izolatora!.

Dio tablice periodnog sustava u kojem se pojavljuju uobičajeni poluvodički materijali

* redni broj stupca označava broj valentnih elektrona

2.2. Poluvodiči

8

U mikroelektronici poluvodiči se upotrebljavaju kao:a) elementarni poluvodiči (jedno-atomni kristali) Si i Ge

b) složeni (kompaundni – višeatomni) poluvodiči ili intermetali

2.2. Poluvodiči

9

Ge PN diode, tranzistori

Si PN diode, tranzistori, integrirani sklopovi, IR detektori i detektori radijacije

GaAs/P/AsP/N svjetleće diode (LED), poluvodički laseri InSb, CdSe, PbTe detektori svjetlosti

ZnS fluorescentni materijali (zaslon TV ekrana)

Najčešće upotrebljavani elementarni i složeni (kompaundni) poluvodički materijali i njihova primjena

2.2. Poluvodiči

10

Poluvodiči su u pravilu monokristali (pravilna kristalna struktura, Si i Ge kristaliziraju u obliku dijamantne kubne rešetke)

2.2. Poluvodiči

Vrste kubnih rešetki: (a) Jednostavna kubna, (b) kubna sa prostorno centralnim atomom te (c) kubna sa plošno centriranim atomom.

11

2.2. Poluvodiči

Dijamantna kubna rešetka (Si, Ge) - tetrahedron

Veza među atomima kristalne rešetke rezultat je sila koje se javljaju zbog udruživanja parova valentnih elektrona susjednih atoma - kovalentne veze, kovalentni kristali.

12

Zbog pravilne kristalne strukture fizikalna svojstva i parametri kristala razlikuju se u različitim smjerovima (anizotropija).

2.2. Poluvodiči

Dijamantna kubna rešetka (GaAs, InP)

13

Danas je u elektronici česta upotreba i anizotropnih tekućina - tekućih kristala (engl. liquid crystal) - kompleksan kemijski sastav, a sadrže i organske tvari.

Mijenjanje optičkih svojstva pod djelovanjem električnog polja ili temperature čini ih prikladnim za praktičnu upotrebu (indikatori, TV zasloni, sl.).

2.2. Poluvodiči

14

Osim monokristala često se rabe i poluvodiči polikristalne strukture - veliki broj tijesno priljubljenih monokristalnih zrnaca različite orijentacije.

Nema periodičke kristalne strukture - pa nema ni anizotropije. Mikrostrukturom polikristala praktički nije moguće upravljati, reproducibilnost električkih i fizikalnih svojstava je mnogo lošija od monokristala - od polikristala se ne izrađuju aktivne integrirane komponente već samo pomoćni, pasivni slojevi.

2.2. Poluvodiči

15

Amorfne poluvodiče je jeftinije i jednostavnije proizvoditi od monokristalnih. Za razliku od polikristala amorfni poluvodiči su potpuno homogene tvari bez izražene unutarnje strukture.

Tipični amorfni poluvodiči su razne vrste stakla, među kojima i SiO2 od kojega se izrađuju tankih dielektrički slojevi u mikroelektronici.

Amorfni materijali pokazuju vrlo lošu reproducibilnost i stabilnost svojstava, no danas se sve više proučavaju zbog perspektivne primjene kod sunčevih ćelija.

2.2. Poluvodiči

16

2.3. Generiranje nosilaca naboja u poluvodiču - modeli

Električna vodljivost čvrstog tijela ovisi o slobodnim nosiocima naboja, koji se mogu gibati pod djelovanjem električnog polja ili gradijenta koncentracije nosilaca naboja.

Njihovo generiranje može se kvalitativno objasniti korpuskularnom i valnom prirodom elektrona, dakle pomoću dva modela koji se međusobno nadopunjuju:

1. Modela elektronskih veza i

2. Modela energetskih pojasa.

17

1. Model elektronskih veza

objašnjava generiranje slobodnih nosilaca naboja preko procesa uspostavljanja (kompletiranja) i prekidanja elektronskih veza u kristalu poluvodiča.

(Ne daje objašnjenja važnih kvantno-mehaničkih ograničenja u ponašanju elektrona u kristalima, ali dobro ilustrira sam proces generiranja.)

2.3.1. Model elektronskih veza

18

Prikaz atoma silicija (jezgra i vanjska nepopunjena ljuska)

+4 elektron jezgra atoma silicija+4

Naboj označava pozitivni naboj iona (ujedinjuje pozitivan naboj jezgre - redni broj - umanjen za onoliko elektrona koliko ih ima u zatvorenim ljuskama).

- naboj Ge jezgre je +32, a naboj popunjenih ljusaka je –28,

- naboj Si jezgre je +14, a naboj popunjenih ljusaka je –10.

+4

19

Fonon - kvant energije dovoljan za razbijanje valentne veze koji potječe od temperaturnih titranja kristalne rešetke - termičko generiranje nosilaca naboja. Foton - kvant energije dovoljan za razbijanje valentne veze koji potječe od radijacije svjetla - optičko generiranje nosilaca naboja (7. Optoelektroničke poluvodičke komponente).

Ostale vrste zračenja x-zraka, -zraka, mogu pod određenim uvjetima također izazvati razbijanje valentnih veza. Poluvodičke komponente su obično kućištem zaštićene od utjecaja takvih radijacija, a samo se u posebne svrhe namjerno izlažu njihovu utjecaju.

2.3.1.1. Model elektronskih veza- čisti poluvodič

20

A1) Čisti (intrinsični) poluvodič; Si na temperaturi T = 0 K

Poluvodič bez primjesa ostalih elemenata - "čisti" ili intrinsični poluvodič (lat. intrinsectus - svojstven, svojstveno mu je stanje poluvodljivosti).

+4 +4 +4

+4

+4

+4+4

+4 +4

Nema slobodnih nosilaca naboja!

2.3.1.1. Generiranje nosilaca naboja u poluvodiču – čisti

21

A2) Čisti (intrinsični) poluvodič; Si na temperaturi T > 0 K generiranje para slobodnih nosilaca

- elektron (n) - negativan naboj- šupljina (p) - pozitivan naboj

Elektron Šupljina

+4 +4 +4

+4

+4

+4+4

+4 +4

Foton ili Fonon

slobodna šupljina

slobodni elektron

22

Na mjestu razbijene kovalentne veze ostaje lokaliziran pozitivan naboj (zbog gubitka elektrona atom poluvodiča postaje pozitivan ion).

Postoji tendencija da se ta kovalentna veza ponovno uspostavi i neutralizira njezin pozitivan naboj uzimanjem elektrona iz neke od susjednih kovalentnih veza. To uzrokuje razbijanje susjedne valentne veze i cijeli proces se ponavlja.


23

Razbijanje valentnih veza u intrinsičnom poluvodiču uvijek stvara (generira) par nosilaca naboja elektron-šupljina, stoga vrijedi:

Tablica 1.3. Koncentracija slobodnih nosilaca naboja u čistih

poluvodiča: Si, Ge i GaAs (T = 300K)

ni = pi ,

ni i pi - koncentracije elektrona i šupljina u čistom poluvodiču - ovise o materijalu i temperaturi.


24

Za primjenu u elektronici važne su primjese koje se namjerno unose difuzijom i/ili ionskom implantacijom u kontroliranim količinama (od 1014 do 1020 atoma/cm3).

Unošenje primjesa u čisti poluvodič = dopiranje

dopirani ili primjesni (ekstrinsični) poluvodič.

2.3.1.2. Model elektronskih veza- primjesni poluvodič

25

Primjesni (ekstrinsični) poluvodič

Tablica 1.4. Popis peterovalentnih (donorskih) i trovalentnih (akceptorskih) primjesa, tip vodljivosti, te njihova energija ionizacije u Ge i Si

Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; Si na temperaturi T = 0 K

26

Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip, Si na T = 0 K !

+4 +4 +4

+4

+4

+5+4

+4 +4

Četiri elektrona formiraju valentnu vezu

atom petorovalentne primjese

Nema slobodnih nosilaca naboja!

Peti elektron - vezan slabom Colombovom silom

1a) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip Si na temperaturi T = 0 K

27

1b) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip, Si na T > 0 K !

+4 +4 +4

+4

+4

+5+4

+4 +4

pri E Ei peti elektron postaje slobodan

atom primjese postaje stacionarni ion (jedinični

pozitivni naboj)

pri E >> Ei termičko razbijanje valentnih veza =

par elektron-šupljina

Generiranje slobodnih nosilaca naboja

28

Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip, Si na T > 0 K generiranje slobodnih nosilaca naboja

elektroni ionizacija donora (ND) + razbijanje valentne veze (n)

šupljine razbijanje valentne veze (p)

nn0= ND + n > ni > p = pn0

Odnos koncentracije nosilaca naboja N-tipa poluvodiča:

- elektroni nn0 = većinski (MAJORITETNI) nosioci - šupljine pn0 = manjinski (MINORITETNI) nosioci

N-tip

1b) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip, Si na T > 0 K !


29Nema slobodnih nosilaca naboja!

+4 +4 +4

+4

+4

+3+4

+4 +4

atom trovalentne primjese

Tri elektrona formiraju valentnu vezu

Nepopunjeno mjesto = šupljina

2a) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; P-tip, Si na T = 0 K !

30

2b) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; P-tip, Si na T > 0 K !

+4 +4 +4

+4

+4

+3+4

+4 +4

pri E Ei elektron popuni prazno mjesto

atom primjese postaje stacionarni ion (jedinični

negativni naboj)

pri E >> Ei termičko razbijanje valentnih veza =

par elektron-šupljina


31

elektroni razbijanje valentne veze (n)

šupljine ionizacija akceptora (NA) + razbijanje valentne veze (p)

pp0 = NA + p > pi > n = np0

Odnos koncentracija nosilaca naboja P-tipa poluvodiča:

- šupljine pp0 = većinski (MAJORITETNI) nosioci - elektroni np0 = manjinski (MINORITETNI) nosioci

P-tip

2b) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; P-tip, Si na T > 0 K !


32

2.3.2. Model energetskih pojasa

Čvrsto tijelo se sastoji od mnoštva atoma koji zbog malih međuatomskih udaljenosti stupaju u snažnu interakciju.

orbitale izoliranog atoma

E,eV

d

2p2s1s

diskretne razine dopuštenih energetskih stanja

2. Model energetskih pojasa

33

Pri stvaranju kristalne rešetke pojavljuju se kvazikontinuirani energetski pojasi koji nastaju dijeljenjem svake diskretne energetske razine atoma.

d,m

E,eV 2p2s

1s

pojasi dopuštenih energetskih stanja

pojasi zabranjenih stanja, energetski procjepi (engl. band-gap)


34

U tijelu koje se sastoji od N = 10 22 do 10 23 atoma/cm3, N blisko raspoređenih energetskih razina tvori pojas dopuštenih energija.

pojas dopuštenih

energija

10 – 22 eV

Razlika između susjednih energetskih razina unutar pojasa približno je 10 – 22 eV, pa je širina dopuštenog energetskog pojasa reda veličine nekoliko eV.


35

Elektroni se u kristalu mogu gibati:

a) između dopuštenih energetskih razina unutar energetskih pojasa ili

b) između energetskih pojasa

vodljivi pojas

valentni pojas

energetski procjep

neophodna mala energija reda veličine 10 -22 eV

neophodna velika energija reda veličine nekoliko eV


36

2.3.2.1. Generiranje nosilaca naboja u poluvodiču

Vodič na temperaturi T = 0K

Za gibanje elektrona unutar pojasa potrebno je malo energije!

vodljivi pojas

valentni pojas

energetski procjep EG

djelomično pun vodljivi pojas

E,eVvodljivi pojas

valentni pojas

energetski procjep

preklopljen vodljivi i valentni pojas

E,eV

d,m d,m

37

Poluvodič i izolator na temperaturi T = 0K

Moguće samo gibanje između pojasa (uz veliku uloženu energiju)!

vodljivi pojas

valentni pojas

EG

prazan vodljivi pojas

E,eVEvod

Eval

d,m

vodljivi pojas

valentni pojas

EG

prazan vodljivi pojas

E,eVEvod

Eval

d,m


38

Razlika između poluvodiča i izolatora je samo u širini energetskog procjepa

Kako je za ponašanje poluvodiča mjerodavna samo popunjenost vodljivog pojasa, to se energija Eval uzima referentnom (Eval= 0), pa izraz (1.1) prelazi u EG = Evod.

Evod - energija dna vodljivog pojasa, Eval - energija vrha valentnog pojasa.

EG = Evod - Eval


39

Širine energetskog procjepa triju najvažnijih poluvodičkih materijala (T=300 K)

Veća širina energetskog procjepa znači manju koncentraciju slobodnih nosilaca naboja u čistom poluvodiču - ni!

2.3.2.1. Generiranje nosilaca naboja – čisti poluvodič

40

Čisti poluvodič na temperaturi T = 0K

vodljivi pojas prazan, nema slobodnih nosilaca

EG

0

Unutar pojasa je nemoguće gibanje naboja pod djelovanjem vanjskog električnog polja!


41

Čisti poluvodič na temperaturi T > 0K

vodljivi pojas djelomično popunjen, valentni djelomično prazan

Unutar pojasa je moguće gibanje naboja pod djelovanjem vanjskog električnog polja!

EG

0

ni

pi

ni = pi

nosioci se stvaraju u parovima


42

2.3.2.1. Energetski dijagram čistog poluvodiča

43

Primjesni poluvodič N-tipa na temperaturi T = 0K



+atom donorske primjese

EG

0

ED+ + + + +energija ionizacije Ei = EG – ED

Peti – valentni elektron

Jezgra + 4valentna

elektrona d,m

ED

E,eVEG

2.3.2.1. Generiranje nosilaca naboja – N-tip

44

Primjesni poluvodič N-tipa na temperaturi T > 0K

+ pozitivni ion donorske primjese

EG

0

ED+ + + + +Kod E Ei = 0,03 - 0,06 eV (T > Ti) ionizacija primjesa ND

Kod E EG = 1,124 eV (T >> Ti) i razbijanje valentnih veza

nn0

pn0

nn0 > pn0

nn0 = ND + ni > pn0 = pi N-tip

2.3.2.1. Generiranje nosilaca naboja – N-tip

45U dijagramu energetskih pojasa prisustvo donorskih nečistoća ima za posljedicu nastajanje dodatnog energetskog nivoa unutar zabranjenog pojasa, i to pri njegvom vrhu. Taj nivo se naziva donorski nivo ED.

2.3.2.1. Energetski dijagram primjesnog poluvodiča N-tipa

46

Primjesni poluvodič P-tipa na temperaturi T = 0K



– atom akceptorske primjese energija ionizacije

Ei = EA – 0

EG

0EA– – – – –

E,eV

d,m

Šupljina koju Donosi trovalentna

nečistoća

Jezgra + tri elektona

EG

EA

2.3.2.1. Generiranje nosilaca naboja – P-tip

47

Primjesni poluvodič P-tipa na temperaturi T > 0K

pp0 = NA + pi > np0 = ni P-tip

negativni ion akceptorske primjese–

np0

pp0

pp0 > np0

EG

0

Kod E Ei = 0,03 - 0,06 eV (T > Ti) ionizacija primjesa NA

EA– – – – –Kod E EG = 1,124 eV (T >> Ti) i razbijanje valentnih veza

2.3.2.1. Generiranje nosilaca naboja – P-tip

48 Akceptorske nečistoće uvode u dijagram energetskih pojasa dodatni akceptorski nivo EA , koji leži unutar zabranjenog pojasa.

2.3.2.1. Energetski dijagram primjesnog poluvodiča P-tipa

49 Akceptorske nečistoće uvode u dijagram energetskih pojasa dodatni akceptorski nivo EA , koji leži unutar zabranjenog pojasa.

2.3.2.1. Energetski dijagram primjesnog poluvodiča P-tipa

50

Kompenzacija - pretvaranje materijala jednog tipa vodljivosti u materijal drugog tipa vodljivosti (npr. P-tipa u N-tip za ND > NA) ili u čisti poluvodič za ND = NA

Efektivna neto koncentracija: ND - NA

nn0

pp0

nn0 > pp0

nn0 = ND - NA + ni > pp0 N-tip dobiven kompenzacijom (veći ukupan broj atoma primjesa, manja pokretljivost nosilaca naboja!)

ND > NA

EG

0EA–

+ ED+ +

2.3.2.1. Generiranje nosilaca naboja – kompenzirani

51

2.4. Fermijev nivo i koncentracije nosilaca naboja

Fermijeva energija je energija čija je vjerojatnost zaposjedanja 50%. Zaposjedanje ovisi o koncentraciji nečistoća.

52

2.4.1. Određivanje položaja Fermijeve razine

Grafički prikaz određivanja položaja Fermijeve razine:

Čisti poluvodič

E

Sp(E)

EG

0

Sn(E)EFi

E

0fD(E)0,5 1

EG

EFi

0

T >> 0K

E

EG

0

dE

Edp )(

dE

Edn )(EFi

ni

pi

2G

FiE

E

53



Poluvodič N-tipa

E

Sp(E)

EG

0

Sn(E)EFi

EF

ED

E

0fD(E)0,5 1

EG

EFi

0

T >> 0KE

0fD(E)0,5 1

EFi

0

T >> 0K

EF

E

EG

0

dE

Edp )(

dE

Edn )(EFi

EF

nn0

pn0

i

ADFiF n

NNkTEE ln

54



Poluvodič P-tipa

E

0fD(E)0,5 1

EG

EFi

0

T >> 0KE

0fD(E)0,5 1

EFi

0

T >> 0K

EF

E

EG

0

dE

Edp )(

dE

Edn )(EFiEF

E

Sp(E)

EG

0

Sn(E)EFi

EF

EA

EF

np0

pp0

i

DAFiF n

NNkTEE ln

55

2.4.2. Određivanje koncentracije nosilaca naboja


Poluvodič P-tipa

E

0fD(E)0,5 1

EG

EFi

0

T >> 0KE

0fD(E)0,5 1

EFi

0

T >> 0K

EF

E

EG

0

dE

Edp )(

dE

Edn )(EFiEF

E

Sp(E)

EG

0

Sn(E)EFi

EF

EA

EF

np0

pp0

i

DAFiF n

NNkTEE ln

56

2.4.2. Određivanje koncentracije nosilaca naboja – čisti poluvodič

Iz zahtjeva za neutralnost prostornog naboja (ako su na sobnoj temperaturi sve primjese ionizirane!) vrijedi:

Čisti poluvodič

Primjesa nema (ND 0 i NA 0), pa je:

p + ND = n + NA

p = n = pi = ni = f(EG,T)

57

2.4.2. Određivanje koncentracije nosilaca naboja – N-tip

Poluvodič N-tipaKoncentracije primjesa na temperaturi T su ND > NA 0:

većinski nosioci nn0manjinski nosioci pn0

Ravnotežna koncentracija manjinskih nosilaca (pn0) može se izraziti pomoću intrinsične koncentracije ni i ravnotežne koncentracije većinskih nosilaca (pn0):

0

2

0n

in n

np

p + (ND - NA) = n

58

2.4.2. Određivanje koncentracije nosilaca naboja N-tip

Poluvodič N-tipa

Rješenje kvadratne jednadžbe:

00

2

nADn

i nNNn

n )(

2

4) - (+)- (=

22iADAD

n

nNNNNn

0

n

np

n

in

0

2

0

ravnotežna koncentracija večinskih nosilaca

ravnotežna koncentracija manjinskih nosilaca

59


Poluvodič N-tipa

Rješenja vrijede unutar ekstrinsičnog ili radnog temperaturnog područja poluvodiča (Tintr - Ti)!

1· 1016

2·1016

100 200 300 400 500 600 T, K700

područje nepotpune ionizacije

Ti

intrinsično područje

ekstrinsično područje

Silicij, ND = 1016 cm-3

nn0 ND

pn0pi

Tintr

nn0, pn0, cm-3

60


Poluvodič N-tipa

U ekstrinsičnom području vrijedi

ADn N N n 0

AD

in NN

np

2

0

61


Poluvodič P-tipa

Koncentracije primjesa pri temperaturi T su NA > ND 0: p = (NA - ND) + n .

manjinski nosioci nn0većinski nosioci pn0

Rješenje kvadratne jednadžbe:

2

4) - (+)- (=

22iDADA

ppnNNNN

0

p

nn

p

ip

0

2

0

ravnotežna koncentracija većinskih nosilaca

ravnotežna koncentracija manjinskih nosilaca

62


Poluvodič P-tipa

U ekstrinsičnom području vrijedi

DAp N N p 0

DA

ip NN

nn

2

0

63

Fermijev nivo i koncentracije nosilaca naboja

P-tip N-tip

E(eV)

x (m) x (m)

EG EG

2GE

EF

EF

2GE

p0 p0

n0

n0

E (eV)

Fermijeva energija je energija čija je vjerojatnost zaposjedanja 50%. Zaposjedanje ovisi o koncentraciji nečistoća.

64

Poluvodičke komponente se temelje na strukturama koje su spoj: a) dvaju ili više slojeva poluvodiča različitih tipova vodljivosti (PN-

spoj) ilib) metala i poluvodiča (MS-spoj).

2.5. PN-spoj

ANODA KATODA– Q + Q– – –

– – –

– – –

+ + +

+ + ++ + +

osiromašeni sloj (db = 3·10-7 m)

NA+ NA ND ND

+NA ioni

ND ioni

primjese

pp+

np+

pp

np

nn

pn

nn+

pn+

nosioci naboja

spoj MP+ P+P PN NN+ N+Mispravljački spoj omski spojomski spoj

65

Realni PN-spojevi se prema gradijentu koncentracije atoma primjesa na metalurškoj granici poluvodiča P-tipa i N-tipa aproksimiraju jednim od dva idealizirana tipa:

• skokovitim PN-prijelazom • linearno-postupnim PN-prijelazom

2.5. PN-spoj

Skokoviti PN-prijelaz - skokoviti prijelaz konstantne neto koncentracije atoma P-strane (ND – NA) < 0 na konstantnu neto koncentraciju N-strane (ND – NA) > 0

Najsličniji spoju dobivenom epitaksijalnim rastom sloja N-tipa na podlozi P-tipa, uz konstantnu koncentraciju primjesa!

(ND–NA)

NP x0

66

Linearno-postupni PN-prijelaz - prijelaz kod kojeg se neto koncentracija atoma primjesa (ND – NA) postupno mijenja po linearnom zakonu. Metalurški spoj nalazi se na mjestu gdje je NA = ND.

Najsličniji linearno-postupnom PN-prijelazu koji se dobiva tehnološkim postupkom difuzije donora (ND) u epitaksijalni sloj P-tipa (NA)!

(ND–NA)

NP x0

2.5. PN-spoj

67

ND= NAN

P x0NA

Simetričan PN-prijelaz

N, cm–3 ND< NAN

Px0NA

Asimetričan PN-prijelaz

N, cm–3

ND >10 NANP

x0NA

Jednostrani PN-prijelaz

N, cm–3

2.5. PN-spoj

68

kvazineutralno N-područje

kvazineutralno P-područje

osiromašeno područje

(dielektrik !)

A - površina PN-spoja

2.5. PN spoj – skokovit spoj

69

Asimetričan skokoviti PN-spoj (jednodimenzionalan slučaj):

nn0 = ND

NP

x0

(ND– NA)

pp0 = NA

xn x0

Q(x), Ascm–3

+

–

–xp

Prema van PN-spoj mora biti električki neutralan gustoća negativnog prostornog naboja P-strane mora biti jednaka gustoći pozitivnog prostornog

naboja N-strane.

0 QPQN

Koncentracija primjesa (i slobodnih nosilaca naboja “prije “doticanja P- i N-strane!)

2.5. PN spoj – skokovit spoj

70

2.5.1. PN-Spoj u stanju ravnoteže

N-tipP-tip

Dijagram energetskih pojasa poluvodiča P- i N-tipa tik nakon "dodira"

drift elektrona

drift šupljina

nn0

P-tip N-tip

EG

EFi

EFP

EFN

0

qp

–qn

pp0

np0

pn0

difuzija elektrona

difuzija šupljina

+ + +

– – –

Početak “spajanja”Fu

71


Prijelaz samo onih većinskih nosilaca koji imaju energiju veću od potencijalne barijere! Energetski pojasi se iskrivljuju!

N-tipP-tip

osiromašeno područje db

– – –

+ + +

P-tipN-tip

EG

EFi

EFP

EFN

0

FuJFn JDn

JDp JFp

EFi

Prijelazno stanje

72


Izjednačuju se driftne i difuzijske komponente struje! Fermijeva razina je konstantna u cijeloj novoj strukturi!

N-tipP-tip


– –– –– –

+ ++ ++ +

P-tip

N-tip

EG

EFi

EFEF

0

Ek

Fu

–qUk

JFn JDn

JDp JFp

kvazineutralno područje kvazineutralno područje

Stanje ravnoteže

73


Dijagram energetskih pojasa PN-spoja u ravnoteži: neto struja kroz poluvodič jednaka je nuli: JFn + JDn = 0 i JFp + JDp = 0 !!!!!

potencijalna barijera

N-tipP-tip


– –– –– –

+ ++ ++ +

P-tip

N-tip

EG

EFi

EFEF

0

Ek= –qUk= – q(n–p)

Fu

–qUk

JFn JDn

JDp JFp


EFiN

74

PN barijera

Područje nekompenziranog prostornog naboja u prvoj aproksimaciji čine samo nepokretni ioni primjesa, ne i slobodni nosioci naboja. Stoga se to područje naziva osiromašenim područjem (engl. depletion area) ili područjem prostornog naboja.

Kvazineutralna područja - na dovoljnoj udaljenosti od PN-prijelaza koncentracije nosilaca naboja ostaju iste kao i prije "spajanja" monokristala P-tipa i N-tipa!

N-tipP-tip


– –– –– –

+ ++ ++ +


75

• u prvoj aproskimaciji u njemu nema slobodnih nosilaca naboja (osiromašeno područje!) samo nekompenzirani naboj ioniziranih atoma donora i akceptora

• zbog prostornog naboja u njemu se javlja ugrađeno električno polje

• zbog ugrađenog električnog polja unutar njega se mijenja električki potencijal od n do p (potencijali kvazineutralne N- i P-strane)

• širina osiromašenog područja ovisi o koncentraciji primjesa N- i P-strane

Svojstva osiromašenog područja:

PN barijera

76

ISN IDNP N

dBnOPnON

-qU

POP PON

EFN

E(eV)

X (m)

X (m)

ISPIDP

UK

UP N

EFP

U (V)

UTOT=UK+U

-q(UK+U)

2.5.2. PN-Spoj u stanju neravnoteže – propusna polarizacija

77

ISN P N

dBnOP

-qU

E(eV)

EFP

POP

U (V)

UK

U

UTOT=UK+U

P N

X (m)

X (m)PON

EFN

-q(UK+U)nON

ISP

2.5.2. PN-Spoj u stanju neravnoteže – zaporna polarizacija

78

Slobodni nosioci naboja u poluvodiču stvaraju struju gibajući se pod djelovanjem:

- pod djelovanjem difuzije (difuzijska struja) i/ili

- električnog polja (driftna struja)

Ista vrsta gibanja postoji i kod vodiča samo što je tamo zbog mnoštva slobodnih elektrona driftno gibanje dominantno!

2.6. Mehanizmi vođenja struje u poluvodiču

79

2.6.1.Mehanizmi vođenja struje u poluvodiču - difuzija

Ako u poluvodiču postoji neravnotežna koncentracija nosilaca naboja javlja se i druga komponenta struje - difuzijska struja.

Neravnotežna koncentracija može nastati: za vrijeme tehnološke izrade poluvodiča (nehomogeni

poluvodiči), ili pod djelovanjem vanjskog ili unutarnjeg električnog

polja, zbog osvjetljavanja poluvodiča, injekcije nosilaca naboja, itd.

80

Gustoća difuzijske struje J [A/cm2] =umnožak ukupnog broja elektrona koji sudjeluju u difuziji (nDIF) i jediničnog naboja (–q).

nDqnDqJ nnDn gradgrad

pDqpDqJ ppDp gradgrad

U jednodimenzionalnom slučaju promjena koncentracije postoji samo u smjeru osi x, pa vrijedi:

x

xnDqJ nDn

d

d

x

xpDqJ pDp

d

d


81

2.6.1. Difuzija u poluvodiču. Difuzijska struja

n(x)

x

0dx

xdn )(

JDn

elektroni

p(x)

x

0dx

xdp )(

JDp

šupljine


82

2.6.1. Difuzija u poluvodiču. Difuzijska struja

n(x)

x

0dx

xdn )(

JDn

elektroni

p(x)

x

0dx

xdp )(

JDp

šupljine


83

Gustoća struje J [A/cm2] u smjeru električnog polja = količina naboja koja u jedinici vremena prođe kroz jediničnu površinu (zbroj umnožaka naboja i driftne brzine svih nosilaca naboja u jedinici volumena)

+ –F

smjer gibanja elektrona vdn

gustoća struje elektrona JFn

smjer gibanja šupljina vdp

gustoća struje šupljina JFp

Driftna struja teče ako je poluvodič pod utjecajem električnog polja.

2.6.2.Mehanizmi vođenja struje u poluvodiču - drift

84

FFqnvqnJ nndnFn

FFpqvpqJ ppdpFp

Kako je struja u poluvodiču posljedica gibanja i elektrona i šupljina ukupna gustoća driftne struje jednaka je:

FσFμpnμqJJJ pnFpFn

a provodnost poluvodiča: , 1/cm pn pnq


85

Električno polje može se izraziti i gradijentom električnog potencijala :

Ako se pretpostavi jednodimenzionalan slučaj - vektor električnog polja, raspodjela koncentracije nosilaca n i p i promjena električnog potencijala samo u smjeru osi x:

gradσFσJJJ FPFN

dx

xdxFxxFxpxnqxJxJxJ pnFpFn

Zbog (F), gustoća struje kroz poluvodič nije linearno ovisna o jakosti vanjskog električnog polja, što ima za posljedicu odstupanje od Ohmova zakona!


86

Napon proboja Upr to je viši što je slabije dopirana N-i/ili P-strana, a u nesimetričnom spoju, što je niža koncentracija primjesa manje dopirane strane. Proboj uzrokuju dva mehanizma:- lavinska multiplikacija- tunelski efekt

I, mA

U, V

Upr

struja propusne polarizacija

reverzna struja nepropusne polarizacije

reverzna struja proboja

–Ipr

–I, mA

2.4 PROBOJ PN-SPOJA

87

2.3.7. Temperaturna ovisnost strujno-naponskih karakteristika PN-spoja

Radi analize temperaturne ovisnosti statičkih strujno-naponskih karakteristika PN-spoja upotrebljava se izraz za struju idealne diode:

1

kT

qUII S exp

izraz za reverznu struju zasićenja:

pD

p

nA

niS LN

D

LN

DAqnI 2

izraz za ovisnost intrinsične koncentracije o temperaturi i vrsti materijala

kT

ECTn G

i exp32

88

b) Propusna polarizacija (U > 0) U = konst.


kT

qUE

T

I

T

I G3

I

U,V

+ID

T2 > T1

U = konst.

• temperaturni koeficijent se smanjuje porastom napona propusne polarizacije U

• razlika temperaturnih koeficijenata za Ge i Si je neznatna budući da je za istu struju razlika (EG -qU) gotovo jednaka.

89

2.4.1. Lavinska multiplikacija - lavinski proboj

Lavinska multiplikacija (proboj) generiranje nosilaca naboja ionizacijom zbog sudara pri vrlo visokim naponima Upr, dakle pri niskim koncentracijama primjesa i linearno-postupnim PN-prijelazima,

Ako je osiromašeno područje dovoljno široko, nosioci naboja mogu pod djelovanjem njegova električnog polja dobiti kinetičku energiju dostatna iznosa da pri sudaru s atomima kristalne rešetke stvore novi par nosilaca naboja.

P N

osiromašeno područje

90

a) Nepropusna polarizacija (U < 0)

IS u Si dioda raste s temperaturom brže no u Ge diodama, ali sporije od teoretske relacije (dodatna generacija nosilaca naboja u području prostornog naboja - R-centri). Dobiveni izraz za temperaturni koeficijent vrijedi stoga za germanijeve diode (kao strujno-naponska karakteristika idealne diode). Za Si diode treba koristiti izraz s korekcijom struje IS.


Si

20 100 T, C

Ge

–10–1

– 100

– 101

– 102

– IS, A

Iako je IS vrlo mala na gornjem rubu ekstrinsičnog područja (80-100 C za Ge i 170-200 C za Si) njena ovisnost o temperaturi je vrlo izražena - IS se može povećati i nekoliko redova veličine!

91

2.4.2. Tunelski (Zenerov) proboj

Tunelski proboj - tuneliranje nosilaca naboja kroz osiromašeno područje, pri vrlo niskim naponima Upr, dakle pri visokim koncentracijama primjesa i skokovitim PN-prijelazima

Tunelski efekt posljedica je valne naravi elektrona. Zbog nje elektroni mogu proći kroz potencijalnu barijeru konačne visine ako na drugoj strani osiromašenog područja mogu zadržati svoju početnu energiju (“vide” nezauzete slobodne razine iste energije).

Zbog tunelskog efekta teku struje elektrona iz vodljivog pojasa u valentni (Ivod-val) i iz valentnog u vodljivi (Ival-vod) pojas. One su proporcionalne broju zauzetih stanja na izlaznoj strani i broju nezauzetih stanja na ulaznoj strani. Ukupna struja tuneliranja jednaka je razlici tih dviju struja.

Kako je veća vjerojatnost protoka elektrona iz valentnog (P) u vodljivi pojas (N) tehnički je smjer struje definiran je kao protok iz materijala N-tipa u materijal P-tip - dakle to je smjer struje nepropusne polarizacije.

92

2.4.2. Tunelski (Zenerov) proboj

Tunelski efekt se zbog valne prirode elektrona izražava preko vjerojatnosti tuneliranja - raste s porastom jakosti električnog polja u osiromašenom sloju. Električno polje u osiromašenom području iskrivljuje energetske pojase. Povećanjem napona nepropusne polarizacije (U < 0) pojasi se još više iskrivljavaju sve dok se kod nekog određenog iznosa razine valentnog i vodljivog pojasa ne preklope.

EFp = EFn

–qU zauzeta stanja prazna stanja

–q(Uk –U)

P Nxxn–xp–x1 x20

trokutasta potencijalna barijera

EG

0tuneliranje elektrona

93

2.4.3. Usporedba lavinskog i tunelskog proboja

Lavinski proboj Zenerov probojkoncentracijaprimjesa niža viša probojni napon viši niži tip PN-prijelaza linearno-postupni skokoviti

vrsta materijala Upr uz EG Upr uz EG (više energije za (viša potencijalna ionizaciju sudarom) barijera)

94


- Upr se smanjuje jer se suženjem energetskog procjepa EG povećava vjerojatnost tuneliranja. TCZ je negativan

Konkretni mehanizam proboja PN-spoja može se odrediti iz razlika temperaturnih koeficijenata lavinskog i Zenerova proboja.

Relativno mala temperaturna promjena napona proboja Upr suprotnog je predznaka za ta dva mehanizma.

- Upr raste jer je obrnuto proporcionalan pokretljivosti nosilaca naboja koja se smanjuje s porastom T. TCL je pozitivan

Lavinskiefekt

Zenerovefekt

TCL, %K–1

TCZ, %K–1

Upr, V2 5 20 50–0,04

0,04

0,08

95


Kod napona Upr između 5 i 6 V mogu istodobno djelovati oba mehanizma proboja pa je u tom području temperaturna ovisnost napona Upr najmanja (suprotno djelovanje TCL i TCZ!).

Ta se pojava upotrebljava za izradu temperaturno stabilnih referentnih dioda.

Zenerov efekt

TCZ<0

Lavinski efekt

TCL>0–I,A

–U,V 5 0

3a. predavanje_poluvodici1

Documents