Föreläsning 3 – Extrinsiska Halvledare

En presentation över ämnet: "Föreläsning 3 – Extrinsiska Halvledare"— Presentationens avskrift:

1 Föreläsning 3 – Extrinsiska Halvledare
Energiband Driftström Dopning Extrinsisk halvledare Effekt av temperatur Fermi-nivån Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

2 Komponentfysik - Kursöversikt
Bipolära Transistorer Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar och kapacitanser MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

3 Energiband – Potential – Elektriska Fält
Relation mellan elektrisk potential och potentiell energi: e Ec Ev ++++++ -eU(x) z U(x) x Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

4 Energiband – kinetisk och potentiell energi
Ledningsband Potentiell Energi Epot Ekin Ec Energi (eV) Eg Bandgap Epot Ev Ekin Valensband x Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

5 Driftström i en halvledare – ohms lag
Hålströmtäthet (A/m2) Elektronströmtäthet (A/m2) Strömtäthet (A/m2) n: elektronkoncentration (m-3) µn: elektronmobilitet (m2/Vs) p: hålkoncentration (m-3) µp: hålmobilitet (m2/Vs) +U EC Både elektroner och hål bidrager till konduktiviteten! EV Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

6 Halvledare - laddningar
Hur styr vi n/p? n/p - oberoende av temperatur? N-typ halvledare: n >> p P-Typ halvledare: p >> n Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

7 Intrinsisk / Extrinsisk halvledare
Vi vill sätta en viss bestämd n eller p Helst oberoende av temperatur Görs genom dopning Halvledaren har sedan n >> p : kallas N-typ p >> n: kallas P-typ Intrinsisk (helt ren) halvledare: n=p=ni Sätter den lägsta (teoretiska) laddningskoncentrationen Termistor. R(T) Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

8 Dopning med donatoratomer: n-typ
Ec +1 Ev x C Si Ge N P As B Al Ga In Sb Sn IV V III P – atom 5 valenselektroner Extra elektron till ledningsbandet (rörlig) Joniserad atom – positivt laddad (sitter fast) Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

9 Dopning med acceptoratomer – p-typ -1
Ec -1 Ev x C Si Ge N P As B Al Ga In Sb Sn IV V III Al – atom 3 valenselektroner En extra elektron – negativt laddad atom Extra hål till valensbandet (rörlig) Joniserad atom – negativt laddad (sitter fast) Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

10 Beteckningar dopning:
ND: antal donator-atomer (m-3) Varje donatoratom skapar en fri elektron (n) Lämnar en fast positivt laddad jon (ND+) NA: antal acceptor-atomer (m-3) Varje acceptor-atom skapar ett fritt hål (p) Lämnar en negativt fast laddad jon (NA-) Dopar man samtidigt med NA och ND: effektiv dopning Neff=|ND-NA| Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

11 Föreläsning 3, Komponentfysik 2014
1 minuts övning As Ga P Vilken typ av material blir de olika områderna? N-typ eller P-typ? Intrinsiskt Si Si dopat med As Si dopat med Ga Si dopat med P C Si Ge N P As B Al Ga In Sb Sn IV V III Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

12 Majoritet/minoritetsladdningsbärare
I termisk jämvikt: Fler elektroner – färre hål Fler hål – färre elektroner Massverkans lag: P-typ: Fler elektroner är hål N-typ: Fler elektroner är hål Jämvikt Majoritetsladdnings-bärare Minoritetsladdnings-bärare Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

13 Antal fria elektroner / hål
ND: antal donator-atomer (m-3) NA: antal donator-atomer (m-3) Om ND >> ni (10x eller mer) Majoritet: nno=ND Minoritet: pno=ni2/ND << nn0 Om NA >> ni (10x eller mer) ppo=NA npo=ni2/NA << pp0 Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

14 n=p=ni nn0>>pn0 pp0>>np0 P-typ Extrinsisk Halvledare N-typ
Intrinsisk halvledare n=p=ni Ändras med temperaturen Extrinsisk Halvledare N-typ nn0>>pn0 Extrinsisk Halvledare P-typ pp0>>np0 EC EC EC EF EF EF EV EV EV Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

15 Extrinsisk halvledare: N-typ material
Fria laddningsbärare n-typ material: nn0=ND+pn0 nn0∙pn0=ni2 Elektroner Ec Eg Joniserade donator-atomer Positivt laddade! Ev Hål y Elektron – negativt laddad Hål– positivt laddad Donatoratom – positivt laddad x Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

16 Temperaturberoende av n,p
Nd=1020 m-3 nn0 nn0 ND Nd=1020 m-3 ni ni pp0 pp0 Ökande temperatur En komponent fungerar bara som tänkt så länge ND >> ni Ger begränsning för den högsta operationstemperaturen! Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

17 2 minuter övning – Kryogeniska temperaturer
Hur borde nn0 ändras då T0K? ? nn0 (m-3) Temperatur (K) T=0K T=200K T=600K Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

18 Högtemperaturelektronik – svårt med Si
Kisel – ni begränsar maximala T ~ 300°C Större bandgap – högre möjlig temperatur! Material med högre bandgap SiC – 2.86 eV GaN – 3.4 eV Diamant – 5.5 eV Dyrare, Svårare Högre T Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

19 Halvledare - laddningar
Hur styr vi n/p? n/p - oberoende av temperatur? N-typ halvledare: n >> p P-Typ halvledare: p >> n Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

20 Ferminivå för en extrinsisk halvledare
n-typ: ND >> ni p-typ: NA >> ni E E E n-typ p-typ n-typ Ec Ec Ec EF Ev Ev Ev x x x Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

21 Drift+Diffusion = gradient av EF
𝐼 𝑛 =𝐴 𝜇 𝑛 𝑒𝑛 𝑥 𝜀 𝑥 +𝑘𝑇 𝑑𝑛 𝑥 𝑑𝑥 =𝐴 𝜇 𝑛 𝑛 𝑥 𝑑 𝐸 𝐹 𝑥 𝑑𝑥 𝜀 𝑥 = 1 𝑒 𝑑 𝐸 𝑐 𝑥 𝑑𝑥 𝑑 𝐸 𝐹 𝑑𝑥 =0 Jämvikt – In=0 Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

22 Fermi-nivå vid termisk jämvikt
Termisk jämvikt: Inga pålagda spänningar Ingen belysning Konstant temperatur EF konstant! N-typ P-typ N-typ E x Olika dopningar – de olika segmenten måste få olika potentiell energi! Föreläsning 3, Komponentfysik 2014

23 Sammanfattning : nya beteckningar
µp – hålmobilitet (m2/Vs) nn0: konc. fria elektroner i ett n-typ material (m-3) pn0: konc. fria hål i ett n-typ material (m-3) pp0: konc. fria hål i ett p-typ material (m-3) np0: konc. fria elektroner i ett p-typ material (m-3) ND: konc. donator-atomer (m-3) NA: konc. acceptor-atomer (m-3) Föreläsning 3, Komponentfysik 2014