Halvledare
Halvledare
Halvledare V V V Grupp V: Si, Ge Transistorer, CCD, solceller, indirekt bandgap Grupp -V: GaP, GaAs, ngaasp LED, lasrar, detektorer Grupp -N: GaN, ngan Blå (& vita) LED, UV lasrar Grupp -V: HgCdTe R-kameror 2 3 4 5 6 12 Mg 30 Zn 48 Cd 80 Hg 5 B 13 Al 31 Ga 49 n 6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb 7 N 15 P 33 As 51 Sb 8 O 16 S 34 Se 52 Te Periodiska systemet (åtminstone den del som är viktig för en halvledarfysiker)
ntroduktion till halvledarfysik Energinivåer Ljus ut Energiband Tomt på elektroner Flöde av elektroner Ljus ut 1 atom 2 atomer Många atomer Fullt med elektroner Fullt med elektroner LED Flöde av elektroner (eller hål )
ntroduktion till halvledarfysik Absorption Ledningsband ( conduction band ) med elektroner Bandgap E g Valensband med hål
Absorption Ljusabsorption 10 54 3 2 1.5 Wavelength Ao (p,m) 1.00.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 np 10L..--...---L..-----l...-----L...l...--...--...--1...L..-..L..----L_----...--_-----'----L..-...L-- ----' o 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Photon energy hv (ev) Kisels bandgap Galliumnitrids bandgap Saleh, Teich: Fundamentals of photonics, Wiley
Absorption Solcell Fotonenergi utöver bandgapet blir värme Kostnad Livslängd Miljö Solspektrum Andel som blir elektricitet för solcell av kisel Fotoner med energi mindre än bandgapet absorberas inte R Last http://solarcellcentral.com
Absorption Kamerasensor Miljontals pixlar med filter för rött, grönt eller blått Varje pixel har en fotodiod som detekterar ljuset (och ett antal transistorer) C U
ntroduktion till halvledarfysik Absorption Ledningsband med elektroner Bandgap E g Valensband med hål Spontan emission
Spontan emission Lysdiod, LED, light emitting diode Olika halvledare har olika bandgap och därmed olika färg V http://www.lpi.usra.edu/education/products/spectrometer/
Spontan emission Lysdiod, LED, light emitting diode Halvledare har stort brytningsindex n. Hög reflektivitet mot luft samt total internreflektion gör det svårt att få ut ljuset. http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_7/advanced/t7_1_2.html V
Hur fungerar vita lysdioder? Blå lysdiod gör blå9 ljus mha elektricitet Lyspulver gör om en del blå9 ljus?ll grönt, gult och rö9 Lyspulver Blå lysdiod 300 400 500 600 700 800 900 1000 Våglängd/nm
Nobelpriset i fysik 2014
ntroduktion till halvledarfysik Absorption Stimulerad emission Ledningsband med elektroner Bandgap E g Spontan emission Valensband med hål
Stimulerad emission Diodlaser Stimulerad emission (laser) kräver: - Många elektroner och hål => stor ström - Mycket ljus => speglar (men klyvd yta räcker ofta) V www.newport.com
Dopning V V V 2 5 B 6 C 7 N 8 O 3 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S - 4 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 5 48 Cd 49 n 50 Sn 51 Sb 52 Te Si:P Fosfor i kisel => extra elektron (och proton!); n-typ 6 80 Hg 82 Pb Gallium i kisel => brist på elektron (och proton!); p-typ Periodiska systemet (åtminstone den del som är viktig för en halvledarfysiker)
Plattkondensator - Fälteffekt-transistor (MOSFET) Gate (metall) Transistorn används ofta som strömbrytare U gs =1V gs =0V U gs =2V U gs =3V Source Drain p-typ halvledare Joniserade acceptoratomer Hål Elektroner
EC Kamerasensor EV RLast G Solceller S D Halvledare Transistor EC EC EV EV LED Diodlaser V
Diod = pn-övergång E F di usion rekombination rekombination di usion p-typ n-typ E F n-typ: innehåller donatorer, dvs atomer med en extra elektron och en extra proton. Elektronerna diffunderar iväg och lämnar efter sig ett överskott av protoner. p-typ: innehåller acceptorer, dvs atomer som saknar en elektron och en proton. Hål diffunderar iväg och lämnar efter sig ett underskott av protoner. Därmed uppkommer ett elektriskt fält som hindrar fler elektroner och hål från att diffundera över till andra sidan. De upplever ett potentialsteg
Det elektriska fältet E kan relateras till en elektrisk potential - fältet är gradienten av potentialen. till p-området där 0 n2i 3 = 109 m KAPTE om N x n NA x n =n 174 Diod =E pn-övergång F p -xp p0 EF 16 m 3 vid rum eftersom (i kisel) n 10 i di usion Vi antar vidare att temperaturen är såda området till p-området varierar laddning Den elektriska potentialen ger potentiell e 0 joniserade, dvs n = ND i n-typ området energi för en laddning q via Epot = så typiskt med ca 10 tiopotenser. F När vi nu har två olika områden indikera q. rekombination Bandkanterna visar potentiell E enerρ EC gi för elektroner, alltså ges de av e. p-typ elektroner ler med området ett indexrekombinerar n eller p. EF Elektronkon rekombination En elektron vid ledningsbandskanten på nnd fler än vi vad genom lägge massv skriver dåtermisk som npjämvikt, vid Ejämvikt E F måste tillföras energi för att befinna sidan Fi hål. n n-typ området rekombinerar håle x skriver sig vid ledningsbandskanten på p-sidan p0. NA potentiell den har där högre EV systemet at di usion energi. bination är här ett sätt för När vi, i vårt tankeexperiment, tar bort området kring övergången minskar d Figur 7.2: Elektroner och hål n-typ Därmed elektriskt fält somatt partik p-typ tar viuppkommer oss enligtettstatistisk fysik majoritetsladdningsbärare, vi får ett uta diffunderar och rekombinerar. E hindrar fler elektroner och hål från att att röra sig från området med högre E De joniserade störatomerna (donatorer diffundera över till andra sidan. De upplever ett Elektriskt fält Ekvar sker genom att elektroner diff F. Detta och eftersom de i utarmningsområd potentialsteg hög elektronkoncentration till p-sidan m laddningsbärare får vi nettoladdningar. tidigt då hålen i motsatt rik därfördiffunderar även rymdladdningsområde. Här Nära övergången uppvisar ju både elek väsentligen av störatomernas koncentr centrationsgradienter som driver diffusi Figur 7.3: Vid övergången finns
Diod = pn-övergång Genombrott modifierar 185 den ideala diodkarakteristiken 7.4. PN-ÖVERGÅNGEN MED PÅLAGD SPÄNNNG enligt figur 8.36 e( 0 E = -e(-u) -U ) U e( 0 -U ) 7.6. GENERATON OCH REKOMBNATON Ugenombrott ÅLAGD SPÄNNNG -U ) Framspänd 185 U/V E = -e U Rekombinationsströmmens -20-19 -2-1 spänningsberoende 1 trycket Figur 7.12: Vänster: då pn-övergången är framspänd (U > 0) minskar eu/2kt barriärhöjden. Höger: då pn-övergången är backspänd (U < 0) ökar bar e, rec Backspänd Figur 8.36 Vid genombrottsspänningen ökar backströmmen drariärhöjden. matiskt. Vid framspänning minskar potentialsteget, vid och därmed får viökar den totala strömmen genom backspänning det. Därmed börjar det flyta betydligt många fler elektroner från n-sidan kan nu passeratill barriä nationsströmmen den ideala diodströmmen. en ström: e( 0 -U ) ren medan elektronflödet från p-sidan förblir detsamma. Övergångdenna generaliserade diodekvation på formen en är framspänd och bristområdets vidd minskar. Exempel: eu/ kt Byter vi polaritet på spänningen, U < 0, minskar elektronernas = e 1, (1 2) U 0 E = -e U en pn-övergång i kisel ökar är dopkoncentrationerna potentiella energi på n-sidan relativt p-sidan. Barriärhöjden då och endast det lilla elektronflödet p-sidan (som ger läckdärfrån är den så kallade idealitetsfaktorn. Figur 23 m 3 22 m 3, N = 10 och N = 10 A finns kvar. BarriärD strömmen pn-övergången eller dioden) n är framspänd (U >genom 0) minskar 7
EC Kamerasensor EV RLast G Solceller S D Transistor Halvledare Band av möjliga energier separerade av bandgapet Elektronerna delas av alla atomer => kan leda ström Dopning ger två typer av kontakter EC EC EV EV LED Diodlaser V