P łprzewodniki - mif.pg.gda.pl · Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego. Półprzewodniki samoistne Półprzewodniki posiadają przerwę energetyczną do około 34 eV.

Półprzewodnikii elementyz półprzewodnikówhomogenicznych

Ryszard J. Barczyński, 2016Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała StałegoMateriały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Półprzewodnikisamoistne

Półprzewodniki posiadają przerwę energetyczną do około 3­4 eV.Na przykład przerwa energetyczna w krzemie to około 1.2 eV. Inne

często spotykane półprzewodniki to Ge, GaAs, GaP, InP, InSb, CdS, ...

Półprzewodnikisamoistne

Na skutek generacji termicznejpowstają ruchliwe nośnikiładunku: elektrony i dziury.

Ustala się równowaga między termiczną generacją par elektron-dziurai ich rekombinacją.

Półprzewodniki samoistnekoncentracja nośników

Koncentracja nośników samoistnych(zarówno elektronów jak i dziur) wynosi

Na przykład w temperaturze pokojowejdla Si (E

g0 = 1.2 eV) koncentracja wynosi około 1.5*1010 cm-3,

a dla GaAs (Eg0

= 1.38 eV) wynosi około 1.8*106 cm-3

ni T =AT32exp

−Eg0

2kT

Półprzewodniki samoistneruchliwość nośników

Dla niewielkich pól elektrycznychruchliwość jest stała. Zależy onaod temperatury (na skutek rozpraszananośników na drganiach atomów sieci)

Stała k wynosi około 1.5. Poza tum na ruchliwość mają wpływ domieszki,defekty struktury krystalicznej, a przy dużej koncentracji nośników

oddziaływania pomiędzy nimi.

=BT−

Półprzewodnikidomieszkowane

Donory:P, As, Sb...

Akceptory:B, Al, Ga, In...

Również i w półprzewodnikach domieszkowanych równowaga międzytermiczną generacją par i rekombinacją jest dynamiczna. Gdy domieszki zwiększają

koncentracją jednego typu nośników, to koncentracja drugiego typu maleje.

Półprzewodniki domieszkowanekoncentracja nośników

Wychodzimy z obojętności elektrycznej:

Oraz z równowagi dynamicznej (dla półprzewodników niezdegenerowanych)

Otrzymujemy

qp−nNd−Na=0

np=ni2

n=Nd−Na

2[ni

2Nd−Na

2

2

]

12 p=

Na−Nd

2[ni

2Na−Nd

2

2

]

12

Półprzewodnik typu n

Gdy mamy tylko donory i ichkoncentracja jest duża w porównaniuz koncentracją nośników samoistnych

Typowe koncentracje to 1012 .. 1020 cm-3, czyli dosyć silne domieszkowanie.Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach

podobnych do właściwości metali.

Nd≫ni

n≈Nd

p≈ni2

Nd

Półprzewodnik typu p

Gdy mamy tylko akceptory i ichkoncentracja jest duża w porównaniuz koncentracją nośników samoistnych

Typowe koncentracje to 1012 .. 1020 cm-3, czyli dosyć silne domieszkowanie.Górna granica to półprzewodniki zdegenerowane, o właściwościach

podobnych do właściwości metali.

Na≫ni

p≈Na

n≈ni2

Na

Ruch nośników w półprzewodniku

O trzeciej przyczynie przepływu prądu, termodyfuzji, nie będziemy terazmówić...

jdn=qDndnd x

jdp=−qDpdpd x

Pierwszą przyczyną przepływu prądujest dyfuzja. Jej składowe możemy zapisaćtak (D

p i D

n to stałe dyfuzji):

“Normalny” przepływ prądu pod wpływem pola elektrycznego nazywa sięprądem unoszenia. E oznacza natężenie pola elektrycznego, a ruchliwośćnośników:

jun=qnnE jup=qppE

Ruch nośników w półprzewodnikuRównanie Einsteina

W temperaturze pokojowej UT wynosi około 25.8mV.

Dla obu rodzajów nośników współczynnik dyfuzji i ruchliwość są związanerównaniem Einsteina:

D=kTq

D=UT

Parametry typowychpółprzewodników

struktura diamentu

struktura blendy cynkowej

Zależność przewodnictwaod temperatury Zależności przewodnictwa

półprzewodnika od temperaturyma bardzo duże znaczenie praktyczne.

Przy zmianach temperatury zmieniają sięn=n(T), p=p(T), 

n=

n(T), 

p=

p(T)

W półprzewodniku samoistnym koncentracja zmienia się z temperaturąbardzo silnie (eksponent!)  i przewodnictwo 

i=q n

i

n

p

rośnie ze wzrostem temperatury praktycznie tak, jak rośnie koncentracja

Zależność przewodnictwaod temperatury

Przy małym zakresie zmian temperatury używa się często względnegowspółczynnika zmian koncentracji (i przewodnictwa) wyważonego w %/K

niT =AT

3

2 exp−Eg

2 k T

przy temperaturze 300K dla krzemu współczynnik ten wynosi około 8.3%/K

d niT

d T

ni

=1

T1.5

Eg

2 k T

Zależność przewodnictwa półprzewodnikówdomieszkowanych od temperatury

ln()

1/T

częściowajonizacjadomieszek

domieszkizjonizowane

nośniki samoistneprzeważają

1/500K 1/10K

Przykład zależności przewodnictwa półprzewodnika domieszkowanegood odwrotności temperatury.  

Termistor NTC(Negative Temperature Coefficient)

Termistory NTCcharakteryzują się tym,

że z wzrostem temperaturyich rezystancja spada

Termistor NTCTypowe materiały:● Termistory manganowo – niklowe: NiO + Mn

2O

3 + SiO

2

● Termistory manganowo – kobaltowe: CoO + Mn2O

3 + Bi

2O

3

Typowe zastosowania:

Termistor NTCTypowe zastosowania:

Termistor NTCTypowe zastosowania:

Termistor PTC(Positive Temperature Coefficient)

Termistory PTCcharakteryzują się tym,

że z wzrostem temperaturyich rezystancja rośnie

Termistor PTCTypowe materiały:● BaTiO3 + domieszki tlenków La, Bi, Sb● NbBaTiO3 + SrTiO3+ domieszki tlenków La, Bi, Sb

Typowe zastosowania:

Termistory ­ zastosowania:

● Układy pomiarowe● Stabilizatory temperatury● Układy zabezpieczające obwody elektroniczne● Stabilizacja punktu pracy układów elektronicznych● Układy opóźniające● Układy startowe silników● Odmagnesowania kineskopów● ...

TermistoryZastosowania

● Liniowość i precyzja półprzewodnikowych mierników temperatury   pozostawia sporo do życzenia. Zaletą jest za to ich duża czułość.● Istnieją układy scalone zawierające wbudowany półprzewodnikowy   czujnik temperatury wraz z układami linearyzującymi, wzmacniaczami   a nawet przetwornikami analogowo­cyfrowymi. 

Bibliografia

  ●  Witold J. Stepowicz, Elementy półprzewodnikowe i układy scalone, Wydawnictwo PG, Gdańsk 1995.●   Michał Polowczyk, Eugeniusz Klugmann, Przyrządy półprzewodnikowe, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2001.●   Ben G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe. Podstawy fizyczne..., WNT

Źródła ilustracji wykorzystanych w prezentacji:● http://commons.wikimedia.org/● KLS Electronics http://www.cnkls.com/english/● AMWEI Thermistor http://www.amwei.com/