Föreläsning 3 Extrinsiska Halvledare

Transkript

1 Föreläsig 3 xtrisiska Halvledare ergibad Driftström Dopig xtrisisk halvledare ffekt av temperatur Fermi-ivå 1

2 Kompoetfysik - Kursöversikt Bipolära Trasistorer Optokompoeter p-övergåg: strömmar och kapacitaser Mie: Flash, DRAM MOSFT: strömmar MOSFT: laddigar p-övergåg: Ibyggd späig och rymdladdigsområde Dopig: -och p-typ material Laddigsbärare: lektroer, hål och fermiivåer Halvledarfysik: badstruktur och badgap llära: elektriska fält, potetialer och strömmar

3 z U(x) ergibad Potetial lektriska Fält Relatio mella elektrisk potetial och potetiell eergi: pot x eu x e c eu(x) v dx dx x 3

4 ergi (ev) ergibad kietisk och potetiell eergi Ledigsbad ki mev Potetiell ergi ki pot c g Badgap pot v ki Valesbad ki mhv 4 x

5 Driftström i e halvledare ohms lag J J p J J qp ε Hålströmtäthet (A/m ) p q ε J p lektroströmtäthet (A/m ) Strömtäthet (A/m ) e I : elektrokocetratio (m -3 ) µ : elektromobilitet (m /Vs) p: hålkocetratio (m -3 ) µ p : hålmobilitet (m /Vs) +U e p 1 e p p p Både elektroer och hål bidrager till koduktivitete! C V 5

6 Halvledare - laddigar Hur styr vi /p? /p - oberoede av temperatur? -typ halvledare: >> p P-Typ halvledare: p >> 6

7 Itrisisk / xtrisisk halvledare Itrisisk (helt re) halvledare: =p= i Sätter de lägsta (teoretiska) laddigskocetratioe Termistor. R(T) xtrisisk halvledare: Vi vill sätta e viss bestämd eller p Helst oberoede av temperatur Görs geom dopig Halvledare har seda >> p : kallas -typ p >> : kallas P-typ 7

8 Dopig med doatoratomer: -typ e c +1 v III IV V x P atom 5 valeselektroer B Al C Si P xtra elektro till ledigsbadet (rörlig) Joiserad atom positivt laddad (sitter fast) Ga I Ge S As Sb 8

9 Dopig med acceptoratomer p-typ c -1 v III IV V x Al atom 3 valeselektroer extra elektro egativt laddad atom xtra hål till valesbadet (rörlig) Joiserad atom egativt laddad (sitter fast) B Al Ga I C Si Ge S P As Sb 9

10 Beteckigar dopig: D : atal doator-atomer (m -3 ) Varje doatoratom skapar e fri elektro () Lämar e fast positivt laddad jo ( D+ ) A : atal acceptor-atomer (m -3 ) Varje acceptor-atom skapar ett fritt hål (p) Lämar e egativt fast laddad jo ( A- ) Dopar ma samtidigt med A och D : effektiv dopig eff = D - A 10

11 1 miuts övig As Ga P Vilke typ av material blir de olika områdera? -typ eller P-typ? III IV V Si dopat med As Si dopat med Ga Si dopat med P B Al C Si P Itrisiskt Si Ga I Ge S As Sb 11

12 Majoritet/mioritetsladdigsbärare I termisk jämvikt: Fler elektroer färre hål Fler hål färre elektroer Massverkas lag: p i p i p c v exp( F exp( kt kt v c F ) ) -typ: Fler elektroer är hål P-typ: Fler elektroer är hål Majoritetsladdigsbärare 0 p p0 Jämvikt Mioritetsladdigsbärare p 0 p0 1

13 Atal fria elektroer / hål D : atal doator-atomer (m -3 ) A : atal doator-atomer (m -3 ) o D 4 D i D p po A 4 A i A Om D >> i (10x eller mer) Om A >> i (10x eller mer) Majoritet: o = D Mioritet: p o = i / D << 0 p po = A po = i / A << p p0 13

14 xtrisisk Halvledare Itrisisk halvledare =p= i Ädras med temperature xtrisisk Halvledare -typ 0 >>p 0 xtrisisk Halvledare P-typ p p0 >> p0 C C C F F F V V V 14

15 xtrisisk halvledare: -typ material Fria laddigsbärare lektroer c -typ material: 0 = D +p 0 0 p 0 = i g y Hål v Joiserade doator-atomer Positivt laddade! lektro egativt laddad Hål positivt laddad x Doatoratom positivt laddad 15

16 Temperaturberoede av,p 10 d =10 0 m (m -3 ) 10 0 D 0 (m -3 ) d =10 0 m i i p p0 pp /T (K -1 ) x Temperature (K) o Ökade temperatur D 4 D i kompoet fugerar bara som täkt så läge D >> i Ger begräsig för de högsta operatiostemperature! 16

17 0 (m -3 ) miuter övig Kryogeiska temperaturer Hur borde 0 ädras då T0K?? T=0K T=00K T=600K Temperatur (K) 17

18 Högre T Dyrare, Svårare Högtemperaturelektroik svårt med Si Kisel i begräsar maximala T ~ 300 C Större badgap högre möjlig temperatur! Material med högre badgap SiC.86 ev Ga 3.4 ev Diamat 5.5 ev 18

19 Halvledare - laddigar Hur styr vi /p? /p - oberoede av temperatur? -typ halvledare: >> p P-Typ halvledare: p >> 19

20 Fermiivå för e extrisisk halvledare F F V V g g ktl ktl D i i A -typ: D >> i p-typ: A >> i p c v F exp( kt v exp( kt c F ) ) c F -typ p-typ -typ c c v v v x x x 0

21 Drift+Diffusio = gradiet av F I = Aμ e x ε x + kt d x dx = Aμ x d F x dx ε x = 1 e d c x dx ( x) c exp( F ( x) kt c ( x) ) Jämvikt I =0 d F dx = 0 1

22 Fermi-ivå vid termisk jämvikt Termisk jämvikt: Iga pålagda späigar Ige belysig Kostat temperatur d F dx 0 F kostat! -typ P-typ -typ x Olika dopigar de olika segmete måste få olika potetiell eergi!

23 Sammafattig : ya beteckigar µ p hålmobilitet (m /Vs) 0 : koc. fria elektroer i ett -typ material (m-3) p 0 : koc. fria hål i ett -typ material (m-3) p p0 : koc. fria hål i ett p-typ material (m-3) p0 : koc. fria elektroer i ett p-typ material (m-3) D : koc. doator-atomer (m -3 ) A : koc. acceptor-atomer (m -3 ) 3