Download - ELEMENTY ELEKTRONICZNE
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
Wykład (rok I, semestr II)Wykład (rok I, semestr II)
Dr inż. Krzysztof WaczyńskiDr inż. Krzysztof Waczyński
Zakład Mikroelektroniki i Zakład Mikroelektroniki i BiotechnologiiBiotechnologii
Instytut Elektroniki Instytut Elektroniki
Politechnika ŚląskaPolitechnika Śląska
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
Przedstawiona prezentacja jest wyłącznie pomocniczym elementem wykorzystywanym w trakcie wykładu i nie
wyczerpuje całości materiału, który obowiązuje do egzaminu. Opanowanie i przyswojenie całości materiału
obejmującego zagadnienia budowy i zasady działania elementów elektronicznych wymaga studiowania ogólnie
dostępnych pozycji literaturowych z tej dziedziny, ze szczególnym uwzględnieniem tych, które zalecane są przez
wykładowcę
ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEMENTY ELEKTRONICZNELITERATURA:
1. Marciniak W.: „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone” WNT, Warszawa 1979
2. Marciniak W.: „Modele elementów półprzewodnikowych”, WNT, Warszawa, 1985
3. Hennel J.: „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, WNT, Warszawa 1995
4. Kleszczewski Z.: Podstawy fizyczne elektroniki ciała stałego” Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000
5. Waczyński K.: „Przyrządy półprzewodnikowe – podstawy działania diod i tranzystorów”, Wydawnictwo politechniki Śląskiej, Gliwice, 1997 Skrypt nr 2022
6. Waczyński K.: „Przyrządy półprzewodnikowe – podstawy działania diod i tranzystorów – zadania”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1998, Skrypt nr 2083
7. Floyd T.L.: „Electronics Devices” Prentice-Hall Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458, 1999
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
FIZYKAFIZYKA FIZYKA CIAŁA STAŁEGOFIZYKA CIAŁA STAŁEGO FIZYKA PÓŁPRZEWODNIKÓWFIZYKA PÓŁPRZEWODNIKÓW FIZYCZNE PODSTAWY DZIAŁANIA FIZYCZNE PODSTAWY DZIAŁANIA
PRZYRZĄDÓW P.PPRZYRZĄDÓW P.P BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA
PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODN.PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODN. ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEMENTY ELEKTRONICZNE
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEMENTY ELEKTRONICZNE
podstawowy element podstawowy element do budowy do budowy
UKŁADÓW UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCHELEKTRONICZNYCH
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNERezystor półprzewodnikowy
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
Dioda półprzewodnikowa
ANODA KATODA
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
Tranzystor bipolarny
p-n-p
BAZA
KOLEKTOR
EMITER
n-p-n
BAZA
KOLEKTOR
EMITER
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
Tranzystor polowy ze złączem p-n
n-kanałowy p-kanałowy
BRAMKA
ŹRÓDŁO ŹRÓDŁO
DREN DREN
BRAMKA
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
Tranzystor polowy z izolowaną bramką
n-kanałowy p-kanałowy
BRAMKA BRAMKA
DREN DREN
ŹRÓDŁO ŹRÓDŁO
z kanałem zubożanym D-MOSFET
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
Tranzystor polowy z izolowaną bramkąz kanałem wzbogacanym E-MOSFET
n-kanałowy p-kanałowy
BRAMKA BRAMKA
DREN DREN
ŹRÓDŁO ŹRÓDŁO
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNEMateriały półprzewodnikoweMateriały półprzewodnikowe
GERMAN GeGERMAN Ge
KRZEM SiKRZEM Si
ARSENEK GALU GaAsARSENEK GALU GaAs
FOSFOREK INDU InPFOSFOREK INDU InP
KRZEMOGERMAN SiGeKRZEMOGERMAN SiGe
AZOTEK GALU GaNAZOTEK GALU GaN
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
PODSTAWOWY MATERIAŁ DO BUDOWY PODSTAWOWY MATERIAŁ DO BUDOWY PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I
UKŁADÓW SCALONYCH UKŁADÓW SCALONYCH
KRZEM SiKRZEM Si
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
obecnie ponad:obecnie ponad:
90%90%Struktur półprzewodnikowych i układów Struktur półprzewodnikowych i układów
scalonych realizowanych jest scalonych realizowanych jest
w krzemiew krzemie
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
skład skorupy ziemskiej (składniki główne)skład skorupy ziemskiej (składniki główne)
NrNr składnikskładnik % mol.% mol. % mas.% mas.
11 Tlen (O)Tlen (O) 57.9557.95 47.9347.93
22 Krzem (Si)Krzem (Si) 18.9818.98 26.9526.95
33 Wodór (H)Wodór (H) 8.398.39 0.440.44
44 Glin (Al.)Glin (Al.) 5.595.59 7.917.91
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
skład skorupy ziemskiej (składniki główne)skład skorupy ziemskiej (składniki główne)
NrNr składnikskładnik % mol.% mol. % mas.% mas.
55 Sód (Na)Sód (Na) 2.302.30 2.762.76
66 Wapń (Ca)Wapń (Ca) 1.701.70 3.543.54
77 Żelazo (Fe)Żelazo (Fe) 1.691.69 4.874.87
88 Magnez (Mg)Magnez (Mg) 1.601.60 2.042.04
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
amorficzne
Struktury półprzewodnikowe realizowane są przy wykorzystaniu materiałów: amorficznych,
poli(multi)krystalicznych, a przede wszystkim monokrystalicznych
monokrystalicznepolikrystaliczne
multikrystaliczne
Postać ciała stałego
amorficzne
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
ELEMENTY ELEMENTY ELEKTRONICZNEELEKTRONICZNE
ATOM JEST ATOM JEST ZBUDOWANY Z ZBUDOWANY Z DODATNIO DODATNIO NAŁADOWANEGO NAŁADOWANEGO JĄDRA JĄDRA ATOMOWEGO I ATOMOWEGO I OTACZAJĄCEJ GO OTACZAJĄCEJ GO
CHMURY CHMURY ELEKTRONÓWELEKTRONÓW
BUDOWA ATOMU
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
PRZEMIANY, JAKIM PODLEGAJAPRZEMIANY, JAKIM PODLEGAJA
STANY ENERGETYCZNE ELEKTRONUSTANY ENERGETYCZNE ELEKTRONU
W ATOMIE WYGODNIE JEST OPISYWAĆ POSŁUGUJĄC SIĘ LICZBAMI W ATOMIE WYGODNIE JEST OPISYWAĆ POSŁUGUJĄC SIĘ LICZBAMI KWANTOWYMI, CHARAKTERYZUJĄCYMI TE STANYKWANTOWYMI, CHARAKTERYZUJĄCYMI TE STANY
DO OPISU PODSTAWOWEGO DO OPISU PODSTAWOWEGO
WYSTARCZĄ 4 LICZBY KWANTOWEWYSTARCZĄ 4 LICZBY KWANTOWE
Nazwa liczby kwantowejNazwa liczby kwantowej symbolsymbol
Główna Główna nn
Orbitalna (poboczna)Orbitalna (poboczna) ll
Magnetyczna Magnetyczna mm
Spinowa magnetycznaSpinowa magnetyczna msms
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ZASADA PAULIEGOZASADA PAULIEGO
W ATOMIE NIE MOŻE BYĆ DWÓCH W ATOMIE NIE MOŻE BYĆ DWÓCH ELEKTRONÓW O JEDNAKOWYCH ELEKTRONÓW O JEDNAKOWYCH
CZTERECH LICZBACH CZTERECH LICZBACH KWANTOWYCHKWANTOWYCH
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneGŁÓWNA LICZBA KWANTOWA
„n”Przyjmuje wartości dodatnich liczb całkowitych, oznaczających kolejne
główne poziomy energetyczne elektronów w atomach
(poziomy – powłoki elektronowe)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA
1. Elektrony o jednakowej głównej liczbie kwantowej należą do tej samej powłoki elektronowej
2. Wzrastającej głównej liczbie kwantowej odpowiada wzrost energii potencjalnej elektronu względem jądra
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA
Oznaczenie – symbol cyfrowy, literowy
Wartość liczby Wartość liczby nn 11 22 33 44 55 66 77
Symbol literowy powłokiSymbol literowy powłoki KK LL MM NN OO PP QQ
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ORBITALNA (POBOCZNA)LICZBA KWANTOWA
„l”Rozróżnia stany energetyczne elektronów
na tej samej powłoce
(o tej samej głównej liczbie kwantowej)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ORBITALNA (POBOCZNA)LICZBA KWANTOWA
Przyjmuje wartości od 0 do n-1
n – wartość głównej liczby kwantowej
np: dla n=5
l= 0, 1, 2, 3, 4
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ORBITALNA (POBOCZNA)LICZBA KWANTOWA
Oznaczenie – symbol cyfrowy, literowy
Wartość liczby Wartość liczby ll 00 11 22 33 44
Symbol literowy podpowłokiSymbol literowy podpowłoki ss pp dd ff gg
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneORBITALNA (POBOCZNA)
LICZBA KWANTOWA
Elektrony, charakteryzujące się tą samą Elektrony, charakteryzujące się tą samą główną i orbitalną liczbą kwantową główną i orbitalną liczbą kwantową
należą do tej samej podpowłoki należą do tej samej podpowłoki czyli do „orbitalu” tego samego typu:czyli do „orbitalu” tego samego typu:
Orbital typu: s, p, d, fOrbital typu: s, p, d, f
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneMAGNETYCZNA
LICZBA KWANTOWA
„m”Magnetyczna liczba kwantowa charakteryzuje
niewielkie różnice energetyczne między elektronami jednej podpowłoki
Różnice te ujawniają się w widmie emisyjnym atomu umieszczonego w zewnętrznym polu
elektrycznym lub magnetycznym
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
MAGNETYCZNALICZBA KWANTOWA
Dla danej wartości „l” (oznaczającej wartość orbitalnej, pobocznej liczby
kwantowej) wartość „m” może przyjmować wartości:
-l, 0, +l
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneMAGNETYCZNA
LICZBA KWANTOWA
W sumie 2l+1
Wartość Wartość ll Wartości liczby kwant. Wartości liczby kwant. mm
( ( -l, -l, 00, +l , +l ))
00 00
11 -1, 0, +1-1, 0, +1
22 -2, -1, 0, +1, +2-2, -1, 0, +1, +2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
MAGNETYCZNALICZBA KWANTOWA
Elektrony nie różniące się między sobą żadną z wymienionych liczb kwantowych
(główną, poboczną i magnetyczną)
należą do :
jednego orbitalu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
SPINOWA MAGNETYCZNALICZBA KWANTOWA
„ms”Umożliwia rozróżnienie elektronów
należących do jednego orbitalu(to znaczy mających tą samą:
główną, poboczną i magnetyczną liczbę kwantową)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
SPINOWA MAGNETYCZNALICZBA KWANTOWAW dużym uproszczeniu,
można powiedzieć, że:
nieznaczne różnice stanu elektronów
o tych samych liczbach n, l, m
wynikają z ruchu obrotowego
elektronu wokół osi
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
SPINOWA MAGNETYCZNALICZBA KWANTOWA
Oznaczenie dwóch kierunków obrotu elektronów wokół osi:
+1/2 i –1/2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
SPINOWA MAGNETYCZNALICZBA KWANTOWA
elektron opisany liczbami kwantowymi
n, l, m
+1/2 -1/2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneLiczby kwantowe i rozkład elektronów w atomieLiczby kwantowe i rozkład elektronów w atomie
nn sym.sym.
pow.pow.
ll typ typ
orbitaluorbitalu
mm liczbaliczba
orbitaliorbitali
mmss liczba elliczba el
podpowłpodpowł
liczba elliczba el
powłokipowłoki
11 KK 00 ss 00 11 +1/2,-1/2+1/2,-1/2 22 22
22 LL
00
11
ss
pp
00
-1,0,1-1,0,1
11
33
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
22
66 88
33 MM
00
11
22
ss
pp
dd
00
-1,0,1-1,0,1
-2,-1,0,1,2-2,-1,0,1,2
11
33
55
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
22
66
1010
1818
44 NN
00
11
22
33
ss
pp
dd
ff
00
-1,0,1-1,0,1
-2,-1,0,1,2-2,-1,0,1,2
-3,-2,-1,0,1,2,3-3,-2,-1,0,1,2,3
11
33
55
77
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
+1/2,-1/2+1/2,-1/2
22
66
1010
1414
3232
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
Każdej głównej liczbie kwantowej Każdej głównej liczbie kwantowej odpowiada maksymalnie:odpowiada maksymalnie:
różnych kombinacji liczb kwantowych różnych kombinacji liczb kwantowych Jest to maksymalna Jest to maksymalna
liczba elektronów na powłoceliczba elektronów na powłoce
2n2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ELEKTRONOWA ELEKTRONOWA
STRUKTURA ATOMUSTRUKTURA ATOMU
Wszystkie elektrony w niewzbudzonym Wszystkie elektrony w niewzbudzonym atomie lokalizują się na możliwie atomie lokalizują się na możliwie
najniższych poziomach energetycznychnajniższych poziomach energetycznych
(na poziomach o możliwie najniższej (na poziomach o możliwie najniższej energii)energii)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA ELEKTRONOWA
STRUKTURA ATOMUSTRUKTURA ATOMU
REGUŁA HUNDAREGUŁA HUNDA(MAKSYMALNEJ RÓŻNORODNOŚCI)(MAKSYMALNEJ RÓŻNORODNOŚCI)
W ramach każdej podpowłoki kolejne W ramach każdej podpowłoki kolejne elektrony obsadzają pojedynczo elektrony obsadzają pojedynczo
poszczególne orbitale, a dopiero później poszczególne orbitale, a dopiero później na orbitalach tych umieszczane są drugie na orbitalach tych umieszczane są drugie
elektrony o przeciwnych liczbach elektrony o przeciwnych liczbach spinowychspinowych
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach pierwiastków układu okresowegopierwiastków układu okresowego
1s
2s
3s
2p
3p 3d
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach pierwiastków układu okresowegopierwiastków układu okresowego
0 1 2 3 412345
678
ln
4p
2s 2p3s
4s
5s
6s
7s
8s
3p
1s
5p6p7p8p
3d4d5d6d7d8d
4f
5f
6f
7f
5g6g
Orbitale niezapeł-nione w znanych
pierwiast-kach
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s...
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach pierwiastków układu okresowegopierwiastków układu okresowego
22 22 6
6
6
6
10
10 10
14
1s 2s 2p 3s 3p 4s
3d 4p 5s 4d 5p 6s
4f 5d 6p 7s ...
2 2
26
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Węgiel C (6)Węgiel C (6)
1s 2s 2p1s 2s 2p
1s 2s 2p1s 2s 2p
2 2 2
Cztery elektrony na ostatniej orbicie
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Krzem Si (14)Krzem Si (14)
1s 2s 2p 3s 3p1s 2s 2p 3s 3p2 6 2
Cztery elektrony na ostatniej orbicie
2 2
1s 2s 2p 3s 3p
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Bor (5)Bor (5)
1s 2s 2p1s 2s 2p
1s 2s 2p1s 2s 2p
2 2 1
Trzy elektrony na ostatniej orbicie
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Fosfor P (15)Fosfor P (15)
1s 2s 2p 3s 3p1s 2s 2p 3s 3p2 6 2
Pięć elektronów na ostatniej orbicie
2 3
1s 2s 2p 3s 3p
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Zewnętrzna obsadzona przez elektrony orbita
Wewnętrzne orbity atomu wraz z
jądrem atomowym
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
WĘGIEL KRZEM
cztery elektrony na ostatniej orbicie
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
BOR FOSFOR
pięć elektronów
na ostatniej orbicie
trzy elektrony
na ostatniej orbicie
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Definicje:Definicje:
POZIOM WALENCYJNYPOZIOM WALENCYJNY Najwyższy dozwolony poziom energetycznyNajwyższy dozwolony poziom energetycznyobsadzony przez elektrony w T=0Kobsadzony przez elektrony w T=0K
POZIOM WZBUDZENIAPOZIOM WZBUDZENIA(POZIOM PRZEWODNICTWA)(POZIOM PRZEWODNICTWA)Kolejny, wyższy poziom energetyczny nie Kolejny, wyższy poziom energetyczny nie
zajęty przez elektrony w T=0Kzajęty przez elektrony w T=0K
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMUELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU
Definicje:Definicje:
JONIZACJAJONIZACJA
Proces wywołany „ucieczką” elektronu Proces wywołany „ucieczką” elektronu (elektron swobodny) z atomu z czym (elektron swobodny) z atomu z czym związany jest zanik oddziaływania związany jest zanik oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy jądrem elektrostatycznego pomiędzy jądrem atomu a elektronematomu a elektronem
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA ELEKTRONOWA
STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOSTRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Do tej pory omawiano widma energetyczne Do tej pory omawiano widma energetyczne atomów jednego pierwiastkaatomów jednego pierwiastka
Jak zmieni się widmo energetyczne Jak zmieni się widmo energetyczne pojedynczego atomu przy zbliżaniu wielu pojedynczego atomu przy zbliżaniu wielu
atomów do siebie?atomów do siebie?
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
W takim przypadkuW takim przypadku
ZASADĘ PAULIEGOZASADĘ PAULIEGO
Należy rozciągnąć na cały kryształ:Należy rozciągnąć na cały kryształ:
„„W zbiorze wzajemnie oddziałujących W zbiorze wzajemnie oddziałujących na siebie atomów nie może być dwóch na siebie atomów nie może być dwóch
elektronów o identycznych stanach elektronów o identycznych stanach energetycznych”energetycznych”
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Jedyna możliwość:Jedyna możliwość:
Poziomy energetyczne ulegają Poziomy energetyczne ulegają „rozszczepieniu” tworząc „rozszczepieniu” tworząc
PASMA PASMA
DOZWOLONYCH DOZWOLONYCH
ENERGIIENERGII
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Poziom wzbudzenia
Poziom podstawowy
przewodnictwa
walencyjny
Pasmo przewodnictwa
Pasmo walencyjne
WC
WV
Odległość między atomamiOdległość między atomami w ciele stałym
r0
ener
gia
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
1.1. „„Rozszczepieniu” ulegają przede Rozszczepieniu” ulegają przede wszystkim zewnętrzne poziomy wszystkim zewnętrzne poziomy energetyczne.energetyczne.
2.2. „„Rozszczepienie” poziomów głębokich Rozszczepienie” poziomów głębokich jest niewielkie.jest niewielkie.
3.3. W obrębie pasma elektron nie może W obrębie pasma elektron nie może przyjmować dowolnej energii. przyjmować dowolnej energii.
4.4. Pasmo – ogromna liczba leżących blisko Pasmo – ogromna liczba leżących blisko siebie poziomów energetycznych.siebie poziomów energetycznych.
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Si
10 cm22 -3 1 eV
Ilość atomów krzemu w 1cm
Typowa szerokość pasma energetycznego
3
Odległość energetyczna
pomiędzy podpoziomami
1eV
10 2210
-22eV
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
pasmo – złożone jest z wielu podpoziomów reprezentujących dozwolone poziomy energii
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Rozpatrzmy rozkład poziomów energetycznych – pasm, w izolowanym
atomie sodu i w krysztale sodu
Sód (Na)- liczba atomowa 11
1s 2s 2p 3s
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
1s2s2p
3s3p
Odległość między atomamiOdległość atomów w krysztale sodur0
ener
gia
(2 elektrony)
(2 elektrony)
(6 elektronów)
(1 elektron)
(0 elektronów)Na
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Przy odległości Przy odległości „r„r00” ” orbitale:orbitale:
s s i i ppnakładają się na siebie, co powoduje, nakładają się na siebie, co powoduje,
że formuje się jedno że formuje się jedno
pasmopasmo
częściowo zapełnioneczęściowo zapełnione
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Powstawanie Powstawanie pasm energetycznych w krzemiepasm energetycznych w krzemie
Struktura elektronowa ostatniej powłoki Struktura elektronowa ostatniej powłoki pierwiastków IV grupypierwiastków IV grupy
DIAMENT ... 2s 2pDIAMENT ... 2s 2p KRZEM ... 3s 3pKRZEM ... 3s 3p GERMAN ... 4s 4pGERMAN ... 4s 4p
2 2
2 2
2 2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Struktura elektronowa ostatniej Struktura elektronowa ostatniej powłoki pierwiastków IV grupypowłoki pierwiastków IV grupy
S P
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Wszystkie pierwiastki czwartej grupy krystalizują w strukturze Wszystkie pierwiastki czwartej grupy krystalizują w strukturze
DIAMENTUDIAMENTU
Podczas tworzenia się kryształów Podczas tworzenia się kryształów
Si, Ge, CSi, Ge, C
Powłoki Powłoki ss i i pp oddziałując na siebie oddziałując na siebie przeformowują się tworząc tak zwane:przeformowują się tworząc tak zwane:
HYBRYDOWE POZIOMY HYBRYDOWE POZIOMY
spsp3
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Jeden elektron z (s) przenoszony jest na poziom (p)
S(2)
S(1)
P(2)
P(3)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Cztery elektrony każdego atomu mają do obsadzenia 8 poziomów
s(1) p(3)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
W krysztale formowane się pasm W krysztale formowane się pasm hybrydowych hybrydowych spsp(3) prowadzi do (3) prowadzi do
powstania wiązań kowalencyjnychpowstania wiązań kowalencyjnych
Typy wiązańTypy wiązań
11 Kowalencyjne, atomowe, homeopolarneKowalencyjne, atomowe, homeopolarne
22 Jonowe, heteropolarneJonowe, heteropolarne
33 Metaliczne Metaliczne
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Wiązanie kowalencyjne:
Tworzy się wspólna dla dwóch atomów
para elektronów (konfiguracja o
minimalnej energii)
Jest to najbardziej silna postać wiązania
w kryształach
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Każdy atom krzemu, germanu czy diamentu ma cztery elektrony sp(3), które może „rozdzielić” pomiędzy cztery sąsiednie atomy
Si
Si
SiSi
Si
Wokół każdego
atomu krzemu znajduje się 8 elektronów
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Model monokryształu krzemu
Si Si Si Si
Si Si
SiSi
Si Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si Si
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
W rezultacie tworzą się dwa pasma sp(3), rozdzielone przerwą energetyczną. W każdym pasmie jest połowa wszystkich dostępnych
poziomów i w niskiej temperaturze jedno z pasm jest całkowicie wypełnione a drugie całkowicie puste
CAŁKOWICIE ZAPEŁNIONE
CAŁKOWICIE
PUSTE sp(3)
sp(3)
EN
ER
GI A
ODLEGŁOŚĆ
Si
Wg
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
Dwa typy materiałów
ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Pasmo przewodnictwa
Pasmo walencyjne
WC
WV WC
WV
Pasmo przewodnictwa
Pasmo walencyjne
Pasma zachodzą na siebie
Pasma oddzielone energią wzbronioną
Wg
x x
ener
gia
ener
gia
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Co wynika z dotychczasowych Co wynika z dotychczasowych rozważań?rozważań?
Opis zachowania się Opis zachowania się
elektronów w pasmachelektronów w pasmach
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
+
-
W pasmie, w którym nie ma elektronów nie zaobserwujemy przepływu pradu elektrycznego
BRAK ELEKTRONÓWNIE
OBSERWUJEMY PRZEPŁYWU
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
+
-
W pasmie, całkowicie zapełnionym elektronami nie zaobserwujemy przepływu prądu elektrycznego
WSZYSTKIE POZIOMY ZAJĘTE PRZEZ
ELEKTRONY
NIE OBSERWUJEMY
PRZEPŁYWU
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
+
-
W pasmie, częściowo zapełnionym elektronami
jest możliwy przepływ prądu elektrycznego
PASMO CZĘŚCIOWO ZAJĘTE PRZEZ
ELEKTRONY OBSERWUJEMY
PRZEPŁYW
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
materiały
przewodniki nieprzewodnikinieprzewodniki
dielektryki
półprzewodniki
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
Przewodniki
ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Pasmo przewodnictwa
Pasmo walencyjne
WC
WV
WV
Pasmo walencyjne
Do przewodników zaliczają się materiały mające przy dowolnej temperaturze pasma częściowo zapełnione
ener
gia
ener
gia
x x
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
WC
WV
Pasmo przewodnictwa
Pasmo walencyjne
Wg
x
ener
gia
Nieprzewodniki
Do nieprzewodników (dielektryków) należą
materiały mające pewną liczbę pasm
zapełnionych całkowicie, przy czym
ich pasma puste oddzielone są od pasm zapełnionych przerwą
energetyczną (pasmem zabronionym)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
4 grupa układu okresowego4 grupa układu okresowego
pierwiastekpierwiastek Wg Wg [eV][eV] własnościwłasności
CC 5.45.4 dielektrykdielektryk
SiSi 1.11.1 półprzewodnikpółprzewodnik
GeGe 0.70.7 półprzewodnikpółprzewodnik
SnSn 0.080.08 półprzewodnikpółprzewodnik
PbPb -- przewodnikprzewodnik
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Szerokość przerwy energetycznej Wg
maleje wraz z temperaturą
Wg=1.204 – 2.8 10 T-4
zależność półempiryczna Wg[eV], T[K]
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Może się zdarzyć sytuacja, że część Może się zdarzyć sytuacja, że część elektronów z pasma walencyjnego elektronów z pasma walencyjnego
zostanie przeniesiona do pasma zostanie przeniesiona do pasma przewodnictwaprzewodnictwa
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
Półprzewodniki
ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Pasmo przewodnictwa
Pasmo walencyjne
WC
WV
WC
WV
Pasmo przewodnictwa
Pasmo walencyjne
Wg
x x
ener
gia
ener
gia
Wg
+++ +++
- - - - - -
Energia termiczna Prom. elektromagnetyczne
hf
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGOELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO
Liczba elektronów w pasmie Liczba elektronów w pasmie przewodnictwa zależy od:przewodnictwa zależy od:
- szerokości pasma zabronionego szerokości pasma zabronionego (Wg(Wg)),,- temperatury materiału (temperatury materiału (TT)),,- ilość pochłoniętych kwantów ilość pochłoniętych kwantów
promieniowania elektromagnetycznegopromieniowania elektromagnetycznego
((hf>Wghf>Wg))
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKIPÓŁPRZEWODNIKI
Materiały o własnościach pośrednich pomiędzy własnościami metali i dielektryków
Materiały o stosunkowo wąskim pasmie zabronionym, które już w temperaturze
pokojowej (300K) mogą wykazywać zjawisko przewodzenia prądu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKIPÓŁPRZEWODNIKI
Typ materiałuTyp materiału półprzewodnikpółprzewodnik
pierwiastkipierwiastki Si, GeSi, Ge
związki Azwiązki AIIIIIIBBVV GaAs, InP, GaP, GaN, InSbGaAs, InP, GaP, GaN, InSb
związki Azwiązki AIIIIBBVIVI ZnS, CdS, ZnSe, CdTeZnS, CdS, ZnSe, CdTe
związki wieloskład.związki wieloskład. CdHgTe, CdHgTe,
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
półprzewodniki
samoistne domieszkowe
PÓŁPRZEWODNIKIPÓŁPRZEWODNIKI
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
WC
WV
x
ener
gia
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
WC
WV
x
ener
gia
T
hf
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
ELEKTRON
+DZIURA
+ + +
ELEKTRON
DZIURA
WC
WV
x
ener
gia
T
hf
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
W sprzyjających warunkach
(absorpcja odpowiednio dużej
porcji energii W>Wg)
część elektronów z pasma walencyjnego
może zostać przeniesiona do pasma przewodnictwa
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektronicznekoncentracja (stężenie) - definicja
Koncentracja =ilość nośników
Jednostka objętości
[1/cm ]3
[1/m ]3
przeliczenie jednostek-3
1cm = 10 m -36
Przykład:
5 10 cm =5 10 m-3 -318 24
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
koncentracja nośników samoistnych
ni = pi =B(T/T0) exp[-Wg/2kT]i – intrinsic (samoistny)
T0 – 300 K, B - współczynnik
3/2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
koncentracja nośników samoistnych
Zal
eżno
ści p
ółem
piry
czne
ni = 5.71 10 (T/300) exp(-6733/T)
ni[cm ], T[K] T=(200-500)K
19 2.365
-3
ni = 3.87 10 T exp(-7014/T)
ni[cm ], T[K]
3/216
-3
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Nośnikami prądu w półprzewodniku są:
- ELEKTRONY w pasmie przewodnictwa- DZIURY w pasmie walencyjnym
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
Elektrony w pasmie przewodnictwa
WC
WV
x
ener
gia
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
Elektrony w pasmie przewodnictwa
WC
WV
x
ener
gia
+
E
E
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
dziury w pasmie walencyjnym
WC
WV
x
ener
gia
++
+
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
dziury w pasmie walencyjnym
WC
WV
x
ener
gia
+
E
E
++
+
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Si
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
dziury w pasmie walencyjnym
WC
WV
x
ener
gia
+
E
E
++
+
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNEPÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Elektrony przechodząc z jednego wiązania kowalencyjnego do drugiego nie są
cząstkami swobodnymi
Współuczestniczą jednak w przepływie prądu
Przemieszczanie się dziury
– przemieszczanie się pustego miejsca po elektronie
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
II III IV V VI
Si
Ge
P
SeZn Ga
Al
B
In
As
Sb
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
SiZn B P Se
II III IV V VI
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (SiSi))
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Domieszkowanie krzemu atomami
fosforu
Si Si Si Si Si
Si Si Si
P
P
PP
SiP
Si
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (SiSi))
Si Si Si Si Si
Si Si Si Si
P
P
P
PP
P P
Domieszkowanie krzemu atomami
fosforu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (SiSi))
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Si Si Si Si Si
Si Si Si
P
P
PP
SiPDomieszkowanie krzemu atomami
fosforu
ND – koncentracja domieszki donorowej
Si
P
P
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWEPÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE
(Si)
Atomy z piątej grupy układu okresowego
(fosfor P, arsen As, antymon Sb)
posiadające 5 elektronów walencyjnych są donorami, oddającymi elektrony do
pasma przewodnictwa półprzewodnika
(donor – „dający”)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (SiSi))
Wprowadzenie atomu fosforu P, domieszki z piątej grupy układu okresowego,
powoduje pojawienie się zlokalizowanego poziomu domieszkowego o energii
jonizacji:
Wj = - 0.044 [eV]
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si, WSi, Wgg=1.1[eV])=1.1[eV])
pierwiastekpierwiastek WWjj[eV][eV]
Fosfor (P)Fosfor (P) -0.044-0.044
Arsen (As)Arsen (As) -0.049-0.049
Antymon(Sb)Antymon(Sb) -0.039-0.039
Bizmut (Bi)Bizmut (Bi) -0.069-0.069
WC
WV
Wj
ener
gia
xx2x1
pasmo przewodnictwa
pasmo walencyjne
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (SiSi))
Si
P
Si
Si
P
Si
SiSi
Si
PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE ELEKTRONOWYM
WC
WV
x
ener
gia
xx2x1 x2x1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (SiSi))
Si
P
Si
Si
P
Si
SiSi
Si
PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE ELEKTRONOWYM
+
WC
WV
x
ener
gia
+
xx2x1 x2x1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (SiSi))
Si
P
Si
Si
P
Si
SiSi
Si
PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE ELEKTRONOWYM
+
+
+
WC
WV
x
ener
gia
+
xx2x1 x2x1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWEPÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE
Jonizacja poziomów domieszkowych (donorowych)
D D + n+
DonorDodatnio
zjonizowany donor
Elektron w pasmie
przewodnictwa
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DONOROWEPÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE
Półprzewodnik o dominującym przewodnictwie elektronowym
TYP N Elektron o ładunku ujemnym (n-negative)
nn – nośniki większościowe
pn – nośniki mniejszościowe
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Si Si Si Si Si
Si Si Si
BB
B B
BB
Domieszkowanie krzemu atomami boru
Si
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Si Si Si Si Si
Si Si Si
BB
B BB
B
B
Domieszkowanie krzemu atomami boru
Si B
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Si Si Si Si
Si Si
BB
B B
B
B
Domieszkowanie krzemu atomami boru
NA - koncentracja domieszki akceptorowej
B
B
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Atomy z trzeciej grupy układu okresowego
(bor B, ind In, glin Al)
posiadające 3 elektrony walencyjne są akceptorami, przyjmującymi elektrony z
pasma walencyjnego półprzewodnika
(akceptor – „przyjmujący”)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Wprowadzenie atomu boru B, domieszki z trzeciej grupy układu okresowego,
powoduje pojawienie się zlokalizowanego poziomu domieszkowego o energii
jonizacji:
Wj = +0.045 [eV]
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si, WSi, Wgg=1.1[eV])=1.1[eV])
pierwiastekpierwiastek WWjj[eV][eV]
Bor (B)Bor (B) +0.045+0.045
Glin (Al)Glin (Al) +0.057+0.057
Gal (Ga)Gal (Ga) +0.067+0.067
Ind (In)Ind (In) +0.160+0.160
WC
WVWjen
ergi
a
xx2x1
pasmo przewodnictwa
pasmo walencyjne
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Si
B
Si
Si
B
Si
SiSi
Si
PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE DZIUROWYM
xx2x1
WC
WV
x
ener
gia
x2x1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Si
B
Si
Si
B
Si
SiSi
Si
PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE DZIUROWYM
xx2x1
+
+
+-
WC
WV
x
ener
gia
-
x2x1
+
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (SiSi))
Si
B
Si
Si
B
Si
SiSi
Si
PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE DZIUROWYM
+
xx2x1
+
+
+-
+
WC
WV
x
ener
gia
-
x2x1
+
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWEPÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE
Jonizacja poziomów domieszkowych (akceptorowych)
A + e A + p-
akceptorujemnie
zjonizowany akceptor
Dziura w pasmie
walencyjnym
-
Elektron z pasma
walencyjnego
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWEPÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE
Półprzewodnik o dominującym przewodnictwie dziurowym
TYP P dziura o ładunku dodatnim (p-positive)
pp – nośniki większościowe
np – nośniki mniejszościowe
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
NOŚNIKI WIĘKSZOŚCIOWE
Jonizacja poziomów domieszkowych
NOŚNIKI MNIEJSZOŚCIOWE
Generacja par elektron-dziura przez pasmo
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Domieszki amfoteryczne (Si, Wg=1.1[eV])
WC
WVen
ergi
a
xx2x1
pasmo przewodnictwa
pasmo walencyjne
Wj
Wj
pierwiastekpierwiastek WWjj[eV][eV]
Złoto (Au)Złoto (Au) -0.54, +0.35-0.54, +0.35
Cynk (Zn)Cynk (Zn) -0.55, +0.31-0.55, +0.31
Srebro (Ag)Srebro (Ag) -0.33, +0.31-0.33, +0.31
Żelazo (Fe)Żelazo (Fe) -0.55, +0.40-0.55, +0.40
Au Au
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Domieszki amfoteryczne (Si)
Amfoteryczne poziomy
domieszkowe są istotne z punktu
widzenia procesów
generacyjno -rekombinacyjnych
x
ener
gia
rek
omb
inac
ja
gen
erac
ja
pasmo przewodnictwa
pasmo walencyjne
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
USTALANIE TYPU
PRZEWODNICTWA
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Ustalanie typu przewodnictwaUstalanie typu przewodnictwa
Akceptory (bor) o koncentracji NA
BB
B Si
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Ustalanie typu przewodnictwaUstalanie typu przewodnictwa
Akceptory – „wychwytują” elektrony z Akceptory – „wychwytują” elektrony z pasma walencyjnego pozostawiając w pasma walencyjnego pozostawiając w pasmie walencyjnym puste miejsca po pasmie walencyjnym puste miejsca po
elektronach, czyli dziury. Półprzewodnik elektronach, czyli dziury. Półprzewodnik akceptorowy – materiał o dominującym akceptorowy – materiał o dominującym
przewodnictwie dziurowymprzewodnictwie dziurowym
Typ PTyp P
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Obliczanie koncentracji nośników większościowych
1 atom boru wbudowany w sieć krystaliczną krzemu „wychwytuje” 1 elektron z pasma walencyjnego, co generuje
pojawienie się 1 dziury
pp=NA
dziura
B
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Obliczanie koncentracji nośników mniejszościowych
p
ip
ipp
p
nn
nnp2
2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Ustalanie typu przewodnictwaUstalanie typu przewodnictwa
Donory (fosfor) o koncentracji ND
Si
P
P
P P
P
P
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Ustalanie typu przewodnictwaUstalanie typu przewodnictwa
Donory – „oddają” elektrony do pasma Donory – „oddają” elektrony do pasma przewodnictwa. Półprzewodnik przewodnictwa. Półprzewodnik
donorowy – materiał o dominującym donorowy – materiał o dominującym przewodnictwie elektronowymprzewodnictwie elektronowym
Typ NTyp N
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Obliczanie koncentracji nośników większościowych
P
1 atom fosforu wbudowany w sieć krystaliczną krzemu „oddaje” 1 elektron do pasma przewodnictwa
nn=ND
elektron
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Obliczanie koncentracji nośników mniejszościowych
n
in
inn
n
np
npn2
2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Ustalanie typu przewodnictwaUstalanie typu przewodnictwa
Akceptory (bor) o koncentracji NA
BB
B Si
P
P
P P
P
P
Donory (fosfor) o koncentracji ND
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Obliczanie koncentracji nośników większościowych
DA NN
22
22 iDADA
p nNNNN
p
2ip np
DAp NNp
Jeżeli:
W przypadku gdy:
półprzewodnik typu p
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Obliczanie koncentracji nośników większościowych
AD NN
22
22 iADAD
n nNNNN
n
2in nn
ADn NNn
Jeżeli:
W przypadku gdy:
półprzewodnik typu n
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Obliczanie koncentracji nośników mniejszościowych
n
in n
np
2
Typ p
Typ n
p
ip p
nn
2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Ustalanie typu przewodnictwaUstalanie typu przewodnictwa
(bor) o koncentracji NA(B), (glin) o koncentacji NA(Al.)
BB
Al Si
PP P
As
P
(fosfor) o koncentr. ND(P), arsen o koncentr. ND(As)
Akceptory:
Donory:
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWEPÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Ustalanie typu przewodnictwa
)()( AlABAAw NNN
)()( AsDPDDw NNN
DwAw NN Typ P
AwDw NN Typ N
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
OBSAOBSADZANIEDZANIE
POZIOMÓW POZIOMÓW ENERGETYCZNYCHENERGETYCZNYCH
PRZEZ NOŚNIKIPRZEZ NOŚNIKI
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓWPRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW
Przewodnictwo elektryczne półprzewodników Przewodnictwo elektryczne półprzewodników zależy od:zależy od:
- koncentracji elektronów w pasmie koncentracji elektronów w pasmie przewodnictwa,przewodnictwa,
- koncentacji dziur w pasmie walencyjnym.koncentacji dziur w pasmie walencyjnym.
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓWPRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW
ZAGADNIENIAZAGADNIENIA1.1. Jak wygląda rozkład poziomów Jak wygląda rozkład poziomów
energetycznych do obsadzenia przez energetycznych do obsadzenia przez elektrony i dziury w odpowiednio w elektrony i dziury w odpowiednio w pasmach przewodnictwa i walencyjnym?pasmach przewodnictwa i walencyjnym?
2.2. Jakie jest prawdopodobieństwo zajęcia Jakie jest prawdopodobieństwo zajęcia przez elektron i dziurę danego poziomu przez elektron i dziurę danego poziomu odpowiednio w pasmie przewodnictwa i odpowiednio w pasmie przewodnictwa i walencyjnym ?walencyjnym ?
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓWPRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW
Gęstość stanów energetycznych dla Gęstość stanów energetycznych dla elektronów w pasmie przewodnictwaelektronów w pasmie przewodnictwa
2/12/3
32
4CnC WWm
hWN
CW
CWW
Wartość energii na dnie pasma przewodnictwa mająca sens fizyczny energii potencjalnej spoczywającego elektronu przewodnictwa
Energia kinetyczna elektronu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓWPRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW
Energia (W)
NC
WC
NC =f(W)
Gęstość stanów energetycznych dla Gęstość stanów energetycznych dla elektronów w pasmie przewodnictwaelektronów w pasmie przewodnictwa
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓWPRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW
Gęstość stanów energetycznych dla dziur w Gęstość stanów energetycznych dla dziur w pasmie walencyjnympasmie walencyjnym
2/12/3
32
4WWm
hWN VpV
VW
WWV
Wartość energii w wierzchołku pasma walencyjnego mająca sens fizyczny energii potencjalnej spoczywającej dziury
Energia kinetyczna dziury
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓWPRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW
Energia (W)
NV
WC
NV =f(W)
Gęstość stanów energetycznych dla Gęstość stanów energetycznych dla dziur w pasmie walencyjnymdziur w pasmie walencyjnym
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
Odpowiedź na pytanie o Odpowiedź na pytanie o prawdopodobieństwo obsadzeń prawdopodobieństwo obsadzeń
poziomów energetycznych o danej energii poziomów energetycznych o danej energii przez nośnik dana jest przez:przez nośnik dana jest przez:
STATYSTYKĘSTATYSTYKĘ
OBSADZEŃOBSADZEŃ
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneSTATYSTYKA OBSADZEŃ
Rozkład dwóch cząstek w dwóch komórkach wg teorii:
MAXWELLA-BOLTZMANNA
Statystyka przydatna do opisu klasycznego niekwantowego gazu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneSTATYSTYKA OBSADZEŃ
Rozkład dwóch cząstek w dwóch komórkach wg teorii:
BOSEGO - EINSTEINA
Statystyka przydatna do opisu bozonów, cząstek o spinie 0 lub całkowitym
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneSTATYSTYKA OBSADZEŃ
Rozkład dwóch cząstek w dwóch komórkach wg teorii:
FERMIEGO-DIRACA
Statystyka przydatna do opisu fermionów, cząstek o spinie 1/2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
Cząstki podlegające statystyce
Fermiego-Diraca to FERMIONY
Fermiony – wszystkie cząstki o spinie połówkowym
barionybariony proton, neutronproton, neutron
leptony leptony elektronelektron
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
Dla fermionów charakterystyczne jest to, że nigdy nie zajmują stanu już zajętego
przez inną cząstkę
Fermiony – „indywidualiści”
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o energii „W”
1exp
1
kT
WWWf
F
FW - poziom (energia) Fermiego
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD BOSEGO-EINSTEINA
Cząstki podlegające statystyce
Bosego-Einsteina to BOZONY
Bozony – wszystkie cząstki o spinie zerowym lub całkowitym
fotonyfotony
fononyfonony
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD BOSEGO-EINSTEINA
Dla bozonów charakterystyczne jest to,
że prawdopodobieństwo pojawienia się cząstki w stanie, w którym już znajduje się „n” cząstek jest proporcjonalna do
„n”
Bozony – „kolektywiści”
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD BOSEGO-EINSTEINA
Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o energii „W”
1exp
1
kTWW
WfF
FW - poziom (energia) Fermiego
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD MAXWELLA-BOLTZMANNA
Rozkład został wyprowadzony przez Maxwella dla klasycznego, czyli
niekwantowego gazu.
W statystyce zakłada się, że każdy
poziom energetyczny może być
obsadzony przez nieograniczoną
liczbę cząstek
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD MAXWELLA-BOLTZMANNA
Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o energii „W”
kT
WconstWf exp
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneSTATYSTYKA OBSADZEŃ
1exp
1
kT
WWWf
F
1exp
1
kT
WWWf
F
ROZKŁAD F-D ROZKŁAD B-E
kTWW F
oba rozkłady „przechodzą” w rozkład Maxwella-Boltzmanna
ROZKŁAD M-B
kT
WconstWf exp
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
ENERGIA W
PR
AW
DO
PO
DO
BIE
ŃS
TW
O f
(W)
1
0.5
WF
T0=0K 1exp
1
kT
WWWf
F
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
ENERGIA W
PR
AW
DO
PO
DO
BIE
ŃS
TW
O f
(W)
1
0.5
WF
T0=0KT1
1exp
1
kT
WWWf
F
KT 01
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
ENERGIA W
PR
AW
DO
PO
DO
BIE
ŃS
TW
O f
(W)
1
0.5
WF
T0=0KT1
T2
1exp
1
kT
WWWf
F
12 TT
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
ENERGIA W
PR
AW
DO
PO
DO
BIE
ŃS
TW
O f
(W)
1
0.5
WF
T0=0KT1
T2
T3
1exp
1
kT
WWWf
F
123 TTT
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
Poziom Fermiego (energia Fermiego)
WF
Jest charakterystyczną energią, która jest ważnym parametrem pozwalającym na opis
właśności materiałów w fizyce półprzewodników.
(WF - ma sens potencjału chemicznego –średnia energia elektronów liczona na jeden elektron)
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
Energia Fermiego jest to poziom energetyczny powyżej którego
prawdopodobieństwo obsadzenia poziomów energetycznych
w T=0K jest równe 0
Dla T>0K i dla W=WF
f(W)=0.5
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
11exp
1
kTW
Wf
WW
F
F
01exp
1
kTW
Wf
WW
F
F
2
1
10exp
1
Wf
WW F
1
2
3
1 23
WFW<<WF W>>WF
f (W
)
1
0.5
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
1. Poziomy o energiach znacznie poniżej energii Fermiego są prawie całkowicie zapełnione f(W)=1
2. Poziomy o energiach znacznie powyżej energii Fermiego są prawie całkowicie puste f(W)=0
3. Prawdopodobieństwo zajęcia poziomu o energii W=WF wynosi f(W)=0.5
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
ENERGIA W
PR
AW
DO
PO
DO
BIE
ŃS
TW
O f
(W)
1
0.5
WF
Prawdopodobieństwo obsadzenia poziomu o energii
„W” przez elektron
Wfn
W
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA
ENERGIA W
PR
AW
DO
PO
DO
BIE
ŃS
TW
O f
(W)
1
0.5
WF
Prawdopodobieństwo obsadzenia poziomu o energii
„W” przez elektron
Prawdopodobiestwo „braku elektronu” na poziomie o
energii „W” czyli pojawienia się dziury
WfWf np 1
Wfn
W
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneKONCENTRACJA NOŚNIKÓW
Koncentracja elektronów
Koncentracja dziur
CW
Cn dWWNWfn
VW
Vp dWWNWfp0
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneKONCENTRACJA NOŚNIKÓW (pp. samoistny)
W W W
WC WC WC
WV WVWV
WF WF WF WiWi
f(W) N(W) f(W)N(W)0.51
pasmo
pasmo
przewodnictwa
walencyjne
Niewielkie prawdopodobieństwo
znalezienia: elektronu
dziury
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneKONCENTRACJA NOŚNIKÓW (typ N)
W W W
WC WC WC
WV WVWV
WF WF WF
WiWi
f(W) N(W) f(W)N(W)0.51
pasmo
pasmo
przewodnictwa
walencyjne
wzrost prawdopodobieństwa
znalezienia: elektronu
WF
Poziomy donorowe
W
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneKONCENTRACJA NOŚNIKÓW (typ P)
W W W
WC WC WC
WV WVWVWF WF WF
WiWi
f(W) N(W) f(W)N(W)0.51
pasmo
pasmo
przewodnictwa
walencyjne
Wzrost prawdopodobieństwa
znalezienia: dziury
WF
Poziomy akceptorowe
W
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneKONCENTRACJA NOŚNIKÓW-POZIOM FERMIEGO
Przesunięcie poziomu Fermiego
WWC
WF
Wi
WV
xTYP N
W
kT
WWnn iF
i exp
„Przesunięcie” poziomu Fermiego – efekt pojawiania
się wysokoenergetycznych elektronów w pasmie
przewodnictwa
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneKONCENTRACJA NOŚNIKÓW-POZIOM FERMIEGO
Przesunięcie poziomu
Fermiego
WWC
WF
Wi
WV
xTYP P
W
kT
WWpp Fi
i exp
„Przesunięcie” poziomu Fermiego – efekt
wychwytywania elektronów o najwyższych energiach z
pasma walencyjnego
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
q
WW FiF
kT
WWpp Fi
i exp
kT
WWnn iF
i exp
kT
qnn F
i
exp
kT
qpp F
i
exp
Potencjał Fermiego
inna postać zależności
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
TRANSPORTTRANSPORT
NOŚNIKÓWNOŚNIKÓW
W PÓŁPRZEWODNIKUW PÓŁPRZEWODNIKU
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
Nośniki w półprzewodniku mogą Nośniki w półprzewodniku mogą przemieszczać się w wyniku:przemieszczać się w wyniku:
- pola elektrycznego pola elektrycznego E E ((unoszenieunoszenie))
- gradientu koncentracji gradientu koncentracji dn/dx dn/dx ((dyfuzjadyfuzja))
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
TRANSPORTTRANSPORT
NOŚNIKÓWNOŚNIKÓW
W PÓŁPRZEWODNIKUW PÓŁPRZEWODNIKU
UNOSZENIEUNOSZENIE
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE
E
W półprzewodniku nośnikami prądu elektrycznego są elektrony i dziury
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE
Nośniki (elektrony i dziury) w półprzewodniku są to nośniki
„swobodne”.
Oznacza to, że nie są związane z określonymi węzłami sieci krystalicznej
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE
Wpływ sieci krystalicznej na ruch nośników
Masa elektronu (dziury) różni się od masy elektronu w próżni
026.0 mmn
038.0 mm p
kgm 310 1011.9
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE
m0
Vwyp.
Ruch elektronu w próżni
Anoda
Katoda żarzona
Dioda próżniowa
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE
vth
vth
vth
vth
Ruch elektronu w ciele stałym
Drgania cieplne sieci oraz wszelkiego rodzaju defekty (domieszki,
nieregularności sieci) powodują rozpraszanie
elektronów
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
„„Rozpraszanie elektronów”Rozpraszanie elektronów”
Rozpraszanie elektronów polega na Rozpraszanie elektronów polega na zderzaniu się nośników z węzłami sieci, zderzaniu się nośników z węzłami sieci, domieszkami, nieregularnościami domieszkami, nieregularnościami budowybudowy
„„Średni czas pomiędzy zderzeniami – tŚredni czas pomiędzy zderzeniami – tzdzd ” ”
Okres czasu pomiędzy zderzeniami, Okres czasu pomiędzy zderzeniami, uśredniony dla wszystkich elektronówuśredniony dla wszystkich elektronów
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
„Średnia prędkość termiczna elektronów - vth”
Elektrony w krysztale przemieszczają się z wypadkowymi prędkościami wynikającymi z aktualnej temperatury ciała stałego. Średnia
prędkość termiczna elektronów związana jest z temperaturą:
kTvm thn
2
3
2
2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
kTvm thn
2
3
2
2
x
y
z
(1/2)kT
(1/2)kT(1/2
)kT
Na każdy kierunek ruchu elektronu (w osi x,
y, z) przypada energia równa (1/2)kT
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
W warunkach równowagi termodynamicznej temperatura „gazu
elektronowego” powinna być równa temperaturze jonów sieci. Oznacza to, że:
„średnio nie następuje przekazywanie energii ani od
elektronów do sieci ani od sieci do elektronów”
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
Chaotyczny ruch elektronów nie może wywołać prądu elektrycznego, który
charakteryzuje się przenoszeniem ładunku przez pewien przekrój
Dla wytworzenia prądu konieczny jest ruch elektronów wywołany
polem elektrycznym
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
potencjał wyższy „+”
potencjał niższy „-”
ładunek próbny „q”
Eq
FE
NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO
siła działająca na ładunek próbny „F”
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
Ruch elektronu i dziury w polu elektrycznym E
EqF
EqF
vu
vu
E
dziura
elektron
vu – prędkość unoszenia
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
Prędkość unoszenia (w typowym zakresie stosowanych pól
elektrycznych) jest znacznie niższa od prędkości termicznej elektronu
uth vv
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
vth vth
miejsce „rozproszenia”
elektronu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
vth
vth
vu
vu
vwyp vwyp
E
miejsce „rozproszenia”
elektronu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
mn*
F=(-q)E
v1
v2
tzd
v2-v1=vu 12
12
vvmtF
t
vvmF
maF
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
mn*
F=(-q)E
v1
v2
tzd
v2-v1=vu
E
m
tqv
vmtEq
vvmtF
n
zdu
unzd
12
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
E
m
tqv
n
zdu
prędkość unoszenia jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego
Definicja pojęcia „ruchliwości” elektronu:
n
zdn m
tq
sV
cm
sV
m
jednostka22
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
Dla elektronów
Dla dziur
Ev nun
Ev pup
Ruchliwość elektronów
Ruchliwość dziur
np
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
Ruchliwość – ważny parametr charakteryzujący własności elektryczne półprzewodników
..., domieszkiNTf
wartość ruchliwość zależy od: typu nośnika, rodzaju materiału półprzewodnikowego, koncentracji
sumarycznej domieszek, temperatury
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
materiałmateriał
Krzem (Si)Krzem (Si) 15001500 450450
German (Ge)German (Ge) 40004000 400400
Arsenek Galu (GaAs)Arsenek Galu (GaAs) 85008500 400400
sV
cmn
2
sV
cmp
2
Ruchliwość elektronów i dziur dla Si, Ge, GaAs
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
1000
1500
500
koncentracja domieszki [cm ]10
1610 1010 10
12 14 18 20
-3
Sin
p
sV
cm 2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePrę
dkość
ele
ktro
nu
v x
(10
cm
/s)
0
4
8
12
16
20
246
0 4 8 12 14 18 22 26
Pole elektryczne E (kV/cm)
GaAs
Si
vs =2.2 10 cm/s7
Zależność prędkości unoszenia elektronu w funkcji natężenia pola elektrycznego dla Si i GaAs
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneTRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE
Przedstawiona zależność:
obowiązuje dla krzemu w ograniczonym zakresie. Przy wysokich wartościach pól
elektrycznych prędkość unoszenia przestaje wzrastać proporcjonalnie do wzrostu natężenia pola elektrycznego, osiągając, dla wysokich pól
elektrycznych, wartość prędkości nasycenia
Ev nun
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
TRANSPORTTRANSPORT
NOŚNIKÓWNOŚNIKÓW
W PÓŁPRZEWODNIKUW PÓŁPRZEWODNIKU
PRĄD UNOSZENIAPRĄD UNOSZENIA
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄD UNOSZENIA
E
l
A
Koncentracja elektronów „n”Koncentracja dziur „p”
ilość elektronów nVilość dziur pV
Ładunek w próbce dziuryqVpQ
elektronyqVnQ
Wartość prądu w próbce
dziury
t
lApq
t
Vpq
t
QI
elektrt
lAnq
t
Vnq
t
QI
up
un
.
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄD UNOSZENIA
E
l
A
Droga przebywana przez nośnik w próbce
dziurytl
elektronytl
up
un
Wartość prądu w próbce
dziuryApqt
tApqI
elektronyAnqt
tAnqI
upup
p
unun
n
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄD UNOSZENIA
E
l
A
Gęstość prądu w próbce
dziurypqA
IJ
elektronynqA
IJ
upp
up
unn
un
Gęstość prądu w próbce
dziuryE
elektronyE
pup
nun
Ponieważ:
dziuryEpqJ
elektronyEnqJ
pup
nun
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄD UNOSZENIA
Konduktywność, rezystywność
EJ
m
V
mm
A
mVA
UR
I
1
11
1
2
2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄD UNOSZENIA
Konduktywność, rezystywność
EJ mVE
m
mAJ
/
/1
/ 2
gęstość prądu
konduktywnośćpole elektryczne
1 m rezystywność
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄD UNOSZENIA
E
l
A
Prawo Ohma:
EJ
Gęstość prądu w próbce
dziuryEEpqJ
elektronyEEnqJ
ppup
nnun
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄD UNOSZENIA
ECałkowita gęstość prądu:
upunuc JJJ
ppnn
pnuc
pqnq
EEJ
,
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektronicznekonduktywność
n składowa elektronowa konduktywności
składowa dziurowa konduktywnościp
pnc
pnc
pnq
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektronicznekonduktywność
Zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury
wzrost temperatury 1/T
Półprzewodnik samoistny
Półprzewodnik domieszkowy
123
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektronicznekonduktywność
Zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury
ener
gia
+-
+WC
WV
x
ener
gia
-
+
+
Jonizacja poziomów domieszkowych
T1
++
WC
WV
x
+
Generacja przez pasmo
T2 T2>T1
13
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektronicznekonduktywność
Zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury
wzrost temperatury1/T
Półprzewod
nik samoistny
Półprzewodnik domieszkowy
Wzrost konduktywności wywołany wzrostem koncentracji nośników uwalnianych z poziomów domieszkowych
Niewielki spadek konduktywności wywołany spadkiem ruchliwości nośników
Szybki wzrost konduktywności wywołany generacją termiczną, przez pasmo zabronione, pary elektron-dziura
1
2
3
123
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
TRANSPORTTRANSPORT
NOŚNIKÓWNOŚNIKÓW
W PÓŁPRZEWODNIKUW PÓŁPRZEWODNIKU
PRĄD DYFUZJIPRĄD DYFUZJI
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDyfuzja – zjawisko powszechne w przyrodzie
opisane I i II prawem Ficka
dx
dCDJ
2
2
x
C
t
C
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek”
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt0 t0
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek”
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt1 t1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek”
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt2 t2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek”
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt3 t3
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt0 t0
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt1 t1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt2 t2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA
Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0
xxko
nce
ntr
acja
ele
ktro
nówt3 t3
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU
dx
dCDnosnikowstrum .
x x
I prawo Ficka
pn
Gradient koncentracji
Gradient koncentracji
kon
cen
trac
ja e
lekt
ron
ów
kon
cen
trac
ja d
ziu
r
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU
dx
dCDnosnikowstrum .
Strumień elektronów
Strumień dziur
x x
I prawo Ficka
pn
Gradient koncentracji
Gradient koncentracji
kon
cen
trac
ja e
lekt
ron
ów
kon
cen
trac
ja d
ziu
r
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU
dx
dCDnosnikowstrum .
Strumień elektronów
Strumień dziur
x x
I prawo Ficka
pn
Gradient koncentracji
Gradient koncentracji
Umowny kierunek prądu Umowny kierunek prądukon
cen
trac
ja e
lekt
ron
ów
kon
cen
trac
ja d
ziu
r
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU
I PRAWO FICKA
Strumień dyfundujących cząstek jest proporcjonalny do gradientu koncentracji a
współczynnikiem proporcjonalności jest „współczynnik dyfuzji”
jikoncentracgradientdxdC
dyfuzjiikwspolczynnDdx
dCDnosnikowstrum
/
.
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄDY DYFUZJI W PÓŁPRZEWODNIKU
Gęstość dyfuzyjnego prądu elektronowego
Gęstość dyfuzyjnego prądu dziurowego
dx
dnqDJ
dx
dnDqJ
nD
nD
dx
dpqDJ
dx
dpDqJ
pD
pD
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
TRANSPORTTRANSPORT
NOŚNIKÓWNOŚNIKÓW
W PÓŁPRZEWODNIKUW PÓŁPRZEWODNIKU
PRĄDY PRĄDY
UNOSZENIA I DYFUZJIUNOSZENIA I DYFUZJI
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePRĄDY UNOSZENIA I DYFUZJI
dx
dnqDEqnJ nnn
dx
dpqDEqpJ ppp
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
TRANSPORTTRANSPORT
NOŚNIKÓWNOŚNIKÓW
W PÓŁPRZEWODNIKUW PÓŁPRZEWODNIKU
ZALEŻNOŚĆ EINSTEINAZALEŻNOŚĆ EINSTEINA
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneRUCHLIWOŚĆ – WSPÓŁCZYNNIK DYFUZJI
Parametr opisujący przemieszczanie się nośników pod
wpływem pola elektrycznego
Parametr opisujący przemieszczanie się nośników pod wpływem gradientu koncentracji
E dn/dx
sV
m2
s
mD
2
ruchliwość nośników współczynnik dyfuzji
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneZALEŻNOŚĆ EINSTEINA
q
kTD
(kT/q) – potencjał termiczny,
dla 300K (kT/q)=25.8mV
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
POLE WBUDOWANEPOLE WBUDOWANE
PÓŁPRZEWODNIK PÓŁPRZEWODNIK NIERÓWNOMIERNIE NIERÓWNOMIERNIE DOMIESZKOWANYDOMIESZKOWANY
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
Obszar półprzewodnika o nierównomiernym rozkładzie koncentracji domieszek
Koncentracja donorów NDKoncentracja elektronów n
x
ND
n
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
Dyfuzja nośników wywołana gradientem koncentracji
Koncentracja donorów NDKoncentracja elektronów n
x
ND
n
dn/dx
dyfuzja
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
Zmiana rozkładu koncentracji nośników wywołana dyfuzją
Koncentracja donorów NDKoncentracja elektronów n
x
ND
n
dn/dx
dyfuzjaNieskompen-sowane dodatnio
zjonizowane donory
Nadmiarowe elektrony
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
W wyniku „rozseparowania” ładunku elektrycznego pojawia się pole elektryczne o natężeniu E
Koncentracja donorów NDKoncentracja elektronów n
x
ND
nE
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
Pod wpływem pola elektrycznego o natężeniu E elektrony są „unoszone” w kierunku przeciwnym do kierunku pola E
Koncentracja donorów NDKoncentracja elektronów n
x
ND
nE
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
W konsekwencji: strumień dyfundujących elektronów jest kompensowany przez strumień elektronów przemieszczających
się pod wpływem pola elektrycznego E
Koncentracja donorów ND
x
ND
nE
dn/dx
Jnd
Jnu
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
W półprzewodniku będącym w stanie równowagi termodynamicznej wypadkowy
prąd elektronowy i dziurowy muszą być równe zero – stąd:
0
0
p
n
J
J
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
0
0
dx
dpDEpqJ
dx
dnDEnqJ
pxpp
nxnn
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
dx
dpDEp
dx
dnDEn
pxp
nxn
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
q
kTD
q
kTD
pp
nn
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
dx
dp
q
kTEp
dx
dn
q
kTEn
pxp
nxn
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE
dx
dp
pq
kTE
dx
dn
nq
kTE
x
x
1
1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE W BAZIE TRANZYSTORA DRYFTOWEGO
EMITER BAZA KOLEKTOR
Pole w obszarze złącza baza-kolektor
Nierównomierny rozkład
koncentracji akceptorów
n np
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE W BAZIE TRANZYSTORA DRYFTOWEGO
EMITER BAZA KOLEKTOR
Pole wbudowane w obszarze bazy
Pole w obszarze złącza baza-kolektor
Nierównomierny rozkład
koncentracji akceptorów
n npUjemnie zjonizowane
akceptory Nadmiarowe dziury
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektronicznePOLE WBUDOWANE W BAZIE TRANZYSTORA DRYFTOWEGO
EMITER BAZA KOLEKTOR
Pole wbudowane w obszarze bazy
Pole w obszarze złącza baza-kolektor
Nierównomierny rozkład
koncentracji akceptorów
n npUjemnie zjonizowane
akceptory Nadmiarowe dziury
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
- rezystor półprzewodnikowy,- dioda półprzewodnikowa,- tranzystor bipolarny,- tranzystor polowy ze złączem p-n,- tranzystor polowy z izolowaną
bramką
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy Elektroniczne
REZYSTOR
PÓŁPRZEWODNIKOWY
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneREZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY
A A
Si Si
Obszar typu n
Obszar typu p
Kontakt metalowy
lw
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneREZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY
Ścieżka rezystywna
Sipn
A-A Pole kontaktowe
d
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneREZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY
I I
l w
d
dw
l
S
lR
Materiał o rezystywności
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDEFINICJA REZYSTANCJI WARSTWOWEJ
w
ln
dR
w
l
ddw
lR
rezystancja na kwadrat, rezystancja powierzchniowa
liczba „kwadratów”
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneDEFINICJA REZYSTANCJI WARSTWOWEJ
l
pn pnq
1
w
d 1
I I
ddR
1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneREZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY
I I
l w
dMateriał o rezystywności
nRR w
l
dR
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneREZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY
l
w
d
Si
n
p
nRRw
ln
dpnqR
dR
pn
1
1
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])
Elementy ElektroniczneElementy ElektroniczneREZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY
d1 d2
l1
l2
w1
w2
RRnRR
RRnRR
dd
1
1
,
22
11
2121
l1=w1, l2=w2
Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: [email protected])