PEE Moduł 11

Slajd 1. Podstawy fizyczne działania elementów półprzewodnikowych.

---

Wprowadzenie Większość materiałów stosowanych w elektronice to materiały krystaliczne, które ze względu na zdolność przewodzenia prądu elektrycznego można zakwalifikować do jednej z grup: izolatory, półprzewodniki i przewodniki. Izolatory praktycznie nie przewodzą prądu elektrycznego. Półprzewodniki i przewodniki przewodzą.

---

W przewodnikach zjawisko przewodzenia prądu jest wyłącznie wynikiem ruchu ładunku ujemnego. W półprzewodnikach przewodzenie prądu odbywa się wskutek działania dwóch różnych i niezależnych od siebie mechanizmów poruszania się elektronów. Jeden z tych mechanizmów może być opisany jako ruch ładunku ujemnego, a drugi należy rozpatrywać jako ruch ładunku dodatniego

---

Budowa krystaliczna ciał, swobodne elektrony, dziury Podstawowym materiałem do produkcji współczesnych przyrządów półprzewodnikowych jest krzem. Każdy atom krzemu ma 14 elektronów. Na pierwszej orbicie jest 2 elektrony, na drugiej 8 elektronów. Orbita pierwsza i druga są w pełni obsadzone. Na orbicie trzeciej jest tylko 4 elektrony na 8 możliwych do obsadzenia miejsc. Te cztery elektrony nazywane są elektronami walencyjnymi. Decydują one o aktywności chemicznej i właściwościach elektrycznych krzemu. W tym stanie atom jest obojętny elektrycznie. Aby zmienić ten stan należy do atomu doprowadzić z zewnątrz energię, przy czym najłatwiej jest oderwać od atomu elektrony walencyjne, a najtrudniej te położone blisko jądra.

---

W elektronice stosuje się krzem o strukturze krystalicznej, w której wszystkie atomy w całej objętości materiału są uporządkowane i związane ze sobą siłami wiązań atomowych tzw. kowalencyjnych i tworzą tzw. siatkę krystaliczną. Strukturę krystaliczną krzemu, którą często nazywamy strukturą diamentu przedstawiono na slajdzie 5. Dla temperatury zera bezwzględnego, kiedy siatka krystaliczna nie wykonuje żadnych ruchów w każdym narożniku sześcianu o boku około Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle 5,4•Ǻ (1 Ǻ = 10^{-10 m})} są umieszczone nieruchome jądra atomów. Pomiędzy sąsiadującymi ze sobą jądrami krążą pary elektronów tworząc bardzo trwałe wiązanie atomowe przy czym, ponieważ w każdej chwili czasowej z każdym jądrem są związane cztery elektrony walencyjne struktura ta jest elektrycznie obojętna. Aby rozerwać wiązanie atomowe utworzone przez cztery elektrony walencyjne należy dostarczyć do siatki krystalicznej znacznej energii tzw. energii jonizacji.

---

Są trzy podstawowe mechanizmy jonizacji: podgrzanie (promieniowanie cieplne) – generacja termiczna, naświetlenie (promieniowanie świetlne w zakresie fal widzialnych i niewidzialne) – fotogeneracja, przyspieszenie nośników ładunku w polu elektrycznym i nadanie im takiej energii, że są one w stanie wybić z siatki krystalicznej kolejne elektrony, a te następne itd. tak, że proces ten rozwija się lawinowo – jonizacja zderzeniowa.

---

Elementy półprzewodnikowe na ogół pracują w temperaturze otoczenia około 300 K. Zatem do siatki krystalicznej w sposób naturalny jest dostarczana energia cieplna. Energia ta powoduje, że zarówno jądra atomów, jak i elektrony drgają wokół swoich położeń spoczynkowych (dla T = 0 K) co jest źródłem dodatkowych naprężeń mechanicznych w siatce krystalicznej. Jeżeli doprowadzona energia jonizacji (np. energia cieplna) jest dostatecznie duża to powstające siły zrywają wiązania atomowe i uwolnione w ten sposób elektrony mogą się swobodnie poruszać w krysztale. Te elektrony nazywamy elektronami swobodnymi. Po każdym uwolnionym elektronie pozostaje w siatce krystalicznej dodatnio naładowany jon związany z jądrem atomu. Nazywamy go dziurą. Dziura może przemieszczać się, podobnie jak elektrony swobodne w całej objętości kryształu. Ponieważ uzupełnienie brakującego na orbicie elektronu może odbywać się kosztem wolnych elektronów lub elektronów walencyjnych związanych z sąsiednimi atomami ruch ten jest niezależny od ruch elektronów swobodnych.

---

Można zatem w półprzewodniku wyróżnić prąd elektronowy związany z poruszającym się ładunkiem ujemnym wytworzony przez swobodne elektrony i prąd dziurowy związany z ładunkiem dodatnim wytworzonym przez poruszające się dziury.

---

Zgodnie z teorią Nielsa Bohra elektrony krążące po orbicie kołowej wokół jądra atomu o ściśle określonym promieniu mają określoną energię. Mówimy, że odpowiada im określony stan energetyczny. W przypadku atomu odosobnionego energia całkowita elektronu wyraża się zależnością: $W=\frac{Z\cdot e^4\cdot m_e}{8n^2\cdot h^2\cdot {ϵ}_0^2}$ gdzie: $W$ – całkowita energia elektronu $Z$ – liczba atomowa pierwiastka $(dlakrzemuZ=14)$ $e$ – ładunek elementarny Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle (1,6•10^{-19} C)} $m_e$ – masa elektronu Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle (1,78•10^{-31} kg)} $n$ – numer orbity $h$ – stała Plancka Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle (6,625•10-34 J•s)} ${ϵ}_0$ – przenikalność elektryczna próżni Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle (8,854•10^{-12} F/m)}

---

Z równania 11.1 wynika, że elektron poruszający się po n – tej orbicie ma określoną energię. Przejście z orbity na orbitę związane jest ze zmiana energii i może odbywać się tylko w sposób skokowy. Mówimy w tym wypadku o zjawisku kwantowania orbit. Jeżeli atom nie jest odosobniony i wchodzi w skład siatki krystalicznej to ruch elektronów jest bardziej złożony i energia całkowita każdego z nich na poszczególnych orbitach nieznacznie różni się od energii podanej zależnością 11.1. Mówimy w tym wypadku o rozszczepieniu dyskretnego poziomu energetycznego. Rozszczepione poziomy energetyczne tworzą tzw. pasma energetyczne, a elektrony będące na określonej orbicie mogą przyjmować każdą wartość energii, która mieści się wewnątrz pasma. Takie pasma nazywamy dozwolonymi w odróżnieniu od pasm zabronionych, które zawierają takie poziomy energetyczne, których żaden elektron nie może obsadzić.

---

W temperaturze zera bezwzględnego (T = 0 K) wszystkie elektrony walencyjne są związane z jądrem atomu i zajmują w modelu pasmowym półprzewodnika tzw. pasmo walencyjne. Po dostarczeniu odpowiednio dużej energii jonizacji elektrony te są wyrywane z siatki krystalicznej, ich energia całkowita rośnie i przechodzą one do pasma przewodnictwa. Te swobodne elektrony są nośnikami ujemnego ładunku elektrycznego i tworzą w materiale półprzewodnika prąd elektronowy. Różnica pomiędzy poziomem energii pasma walencyjnego i przewodnictwa Wg wyznacza szerokość pasma zabronionego. Wartość Wg określa minimalną energię, jaka musi być dostarczona do elektronu walencyjnego, aby został on wyrwany z wiązań siatki krystalicznej.

---

Rodzaje materiałów krystalicznych Analizując wzajemne usytuowanie pasma walencyjnego i przewodnictwa w modelu pasmowym ciał można wyróżnić trzy podstawowe grupy materiałów krystalicznych: izolatory, półprzewodniki i przewodniki. W izolatorach szerokość pasma zabronionego jest bardzo duża rzędu 10 eV i więcej, a zatem przeskok elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa jest bardzo trudny w realizacji ponieważ wymaga dostarczenia do elektronu dużej energii. W izolatorach tylko znikoma ilość elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa i tworzy prąd elektryczny dlatego rezystywność izolatorów jest bardzo wielka rzędu Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle 10^{10} – 10^{20} \Omega\cdot m} . Półprzewodniki, które w temperaturze T = 0 K są izolatorami, w temperaturze otoczenia 300 K wykazują właściwości przewodzące, ponieważ w tej temperaturze niektóre elektrony walencyjne przeskakują do pasma przewodzenia i tworzą prąd elektryczny. Ponieważ koncentracja atomów w ciałach stałych jest mniej więcej stała i porównywalna z liczbą Avogadra tzn. w $1c{m}^3$ jest około $6\cdot 10^2{}^3$ atomów, to w temperaturze 300 K tylko jeden na $6\cdot 10^1{}^2$ atomów półprzewodnika jest zjonizowany. Oznacza to, że w paśmie przewodnictwa jest w $1c{m}^3$ około $10^1{}^4$ elektronów swobodnych, które tworzą prąd elektryczny. Rezystywność ma w tym wypadku wartość około Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle 10 – 10^5 \Omega\cdot m} i silnie zależy od temperatury. W metalach pasmo walencyjne i przewodnictwa nakładają się na siebie. Oznacza to, że w metalu nawet bez dostarczania energii z zewnątrz istnieją elektrony swobodne. Ponieważ koncentracja atomów w przewodnikach jest podobnie jak w półprzewodnikach rzędu $6\cdot 10^2{}^3$, a z jednego atomu jeden lub dwa elektrony walencyjne znajdują się w paśmie przewodnictwa to ładunek swobodny tworzący prąd elektryczny w przewodniku jest związany z ruchem bardzo wielkiej rzędu $10^2{}^4$ w $1c{m}^3$ ilości elektronów. W tym wypadku rezystywność jest bardzo mała rzędu $10^{-}{}^8\mathrm{\Omega }\cdot m$.

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---