Föreläsning 2 - Halvledare

Relevanta dokument
Föreläsning 2 - Halvledare

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

Om inget annan anges gäller det rumstemperatur, d.v.s. T =300K, termisk jämvikt och värden som inte ges i uppgiften hämtas från formelsamlingen.

Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Hålltider --- Ellära: Elektriska fält, potentialer och strömmar

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Med ett materials elektriska egenskaper förstår man helt allmänt dess ledningsförmåga, konduktans, och resistans Ohms lag:

Allmänt Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur. l A Allmänt. 8.1.

Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur

Tentamen i Komponentfysik ESS030, ETI240/0601 och FFF090

Välkomna till kursen i elektroniska material!

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

Om inget annan anges gäller det rumstemperatur, d.v.s. T =300K, termisk jämvikt och värden som inte ges i uppgiften hämtas från formelsamlingen.

Ett materials förmåga att leda elektrisk ström beror på två förutsättningar:

Föreläsning 13 Fälteffekttransistor III

Välkomna till kursen i elektroniska material! Martin Leijnse

Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II

Lösningar Tenta

Föreläsning 11 Fälteffekttransistor II

HALVLEDARE. Inledning

Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II

Lecture 6 Atomer och Material

Elektronik 2018 EITA35

Formelsamling för komponentfysik. eller I = G U = σ A U L Småsignalresistans: R = du di. där: σ = 1 ρ ; = N D + p n 0

Tentamen i komponentfysik

HALVLEDARES ELEKTRISKA KONDUKTIVITET

Formelsamling för komponentfysik

Elektronik 2015 ESS010

Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Varför Komponentfysik? Hålltider --- Ellära, Elektriska fält och potentialer

Föreläsning 3 Extrinsiska Halvledare

Vad är elektricitet?

Halvledare. Periodiska systemet (åtminstone den del som är viktig för en halvledarfysiker)

Utredande uppgifter. 2: Räkna ut utsträckningen av rymdladdningsområdet i de tre fallen i 1 för n-sidan, p-sidan och den totala utsträckningen.

Beskrivande uppgifter: I: Vad skiljer det linjära området och mättnadsområdet i termer av inversionskanal?

Atomer, ledare och halvledare. Kapitel 40-41

Halvledare och funktionella material i vår vardag. Mikael Syväjärvi. Linköpings universitet Underlag för sommarkurs juni-augusti 2007.

2: Räkna ut utsträckningen av rymdladdningsområdet i de två fallen i 1 för n-sidan, p-sidan och den totala utsträckningen.

Physics to Go! Part 1. 2:a på Android

3.8. Halvledare. [Understanding Physics: ] Den moderna fysikens grunder, Tom Sundius

Vad är elektricitet?

Föreläsning 8 Bipolära Transistorer I

1. (a) (1 poäng) Rita i figuren en translationsvektor T som överför mönstret på sig själv.

Föreläsning 8 Bipolära Transistorer I

Föreläsning 3 Extrinsiska Halvledare

3.9. Övergångar... (forts: Halvledare i kontakt)

I princip gäller det att mäta ström-spänningssambandet, vilket tillsammans med kännedom om provets geometriska dimensioner ger sambandet.

Om inget annat anges så gäller det kisel och rumstemperatur (300K)

Introduktion till halvledarteknik

Mätning av Halleffekten och elektriska ledningsförmågan som funktion av temperaturen hos halvledarna InSb / Ge.

3.4. Energifördelningen vid 0 K

Strålningsfält och fotoner. Kapitel 23: Faradays lag

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Onsdagen den 30 maj, Teoridel Ê Á Ê. B B T Ë k B T Ê. exp m BBˆ.

TENTAMEN I FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK F3/KF3 FFY011

Nanoelektronik. FAFA10 Kvantfenomen och nanostrukturer HT Martin Magnusson.

Elektronik. Lars-Erik Cederlöf

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. e m Et. m dv dt = ee v(t) =v(0) 1 2 mv2 th = 3 2 kt. Likafördelningslagen:

Föreläsning 13: Opto- komponenter

8-10 Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss

( ) = B 0 samt att B z ( ) måste vara begränsad. Detta ger

Kap 2. Elektroner som partikel

Miljöfysik. Föreläsning 6. Solel Solcellsanläggningar Halvledare En pn-övergång I-U karakteristik för solceller

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. l = v th =1/ Materialegenskaper

Laboration: Optokomponenter

Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

Lågtemperaturfysik. Maria Ekström. November Första utgåvan

Introduktion till halvledarteknik

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. e m Et. m dv dt = ee v(t) =v(0) 1 2 mv2 th = 3 2 kt. Likafördelningslagen:

I: Beskriv strömmarna i en npn-transistor i normal mod i de neutrala delarna av transistorn.

Om inget annat anges så gäller det kisel och rumstemperatur (300K)

Fysik TFYA86. Föreläsning 11/11

Fysik TFYA68 (9FY321) Föreläsning 6/15

3.3. Den kvantmekaniska fria elektronmodellen

Föreläsning 12 Bipolära Transistorer II. Funk<on bipolär transistor

9. Molekyl- och fasta tillståndets fysik

Enligt Hunds första regel är spin maximal. Med tvνa elektroner i fem orbitaler tillνater

4.3. Den kvantmekaniska fria elektronmodellen

Föreläsning 7 Fälteffek1ransistor IV

Fysik TFYA68. Föreläsning 5/14

Föreläsning 1. Metall: joner + gas av klassiska elektroner. e m Et. m dv dt = ee v(t) =v(0) 1 2 mv2 th = 3 2 kt. Likafördelningslagen:

a e d) Hur varierar det elektriska fältet när vi går ett varv runt kretsen (medurs) från a till e (med batteriet inkopplat enligt figuren)?

ɛ r m n/m e 0,43 0,60 0,065 m p/m e 0,54 0,28 0,5 µ n (m 2 /Vs) 0,13 0,38 0,85 µ p (m 2 /Vs) 0,05 0,18 0,04

Utredande uppgifter: I: Beskriv de fyra arbetsmoderna för en npn-transistor. II: Vad är orsaken till strömförstärkningen i normal mod?

Laboration: pn-övergången

11. Halvledare. [HH 5, Kittel 8, AM 28]

1. Figur 1 visar en krets med en voltmeter, två amperemetrar och en järnstav som får fungera som resistor.

Kemiska bindningar. Matti Hotokka

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Teoridel

Titandioxid som blockerande lager i inverterade organiska solceller. Anton Sundqvist 34208

Miljöfysik vt2009. Mikael Syväjärvi, IFM

Topologiska material. Kvantmekaniska effekter med stora konsekvenser. Annica Black-Schaffer.

Kvantbrunnar Kvantiserade energier och tillstånd

Föreläsning 11 Bipolära Transistorer I. BJT Bipolar JuncDon Transistor. FunkDon bipolär transistor. DC operadon, strömförstärkning

BANDGAP Inledning

11. Halvledare. 1947, 1 transistor 2012, Intel Westmere, 6.8 miljarder transistorer. [HH 5, Kittel 8, AM 28]

När man förklarar experiment för andra finns det en bra sekvens att följa:

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

12. Kort om modern halvledarteknologi

12. Kort om modern halvledarteknologi

Laborationer i miljöfysik. Solcellen

Transkript:

Föreläsning 2 - Halvledare Historisk definition Atom Molekyl - Kristall Metall-Halvledare-Isolator lektroner Hål Intrinsisk halvledare effekt av temperatur 1

Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer Optokomponenter pn-övergång: strömmar och kapacitanser Minnen: Flash, DRAM MOSFT: strömmar MOSFT: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: lektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap llära: elektriska fält, potentialer och strömmar 2

Metall: ρ < 10-5 Ωm Isolator: ρ > 10 6 Ωm Halvledare skumt namn! Historisk definition från resistiviteten ρ = 1 eµ n n Halvledare varierande ρ från olika n 3

Vad är en kisel-kristall? Kiselatomer sitter ordnat i ett gitter. 1 m 3 stor kiselbit: 5 10 28 atomer ~ 10 30 m -3 elektroner varför är den inte metallisk? 4

Vad är en halvledare? Hur kan vi förstå: Var skiljer en atom från en kristall? Hur beter sig en elektron i en halvledare Varför är inte alla material metalliska? Band: Ledningsband, Valensband Fria laddningsbärare: lektroner, Hål Temperatur Intrinsisk laddningskoncentration L M N K 5

Atom skal och energier N M Kvantmekanisk beskrivning: lektronmoln runt om atomkärnan M L K L K N x 0.1 nm 0.1 nm 6

2-atomig molekyl - Pauliprincipen Valenselektronerna delas mellan båda atomerna! 0.2 nm Valenselektroner överlappar! x x x 7 0.1 nm 0.2 nm 0.1 nm

16-atomig molekyl Valenselektronerna delas mellan alla atomerna! 0.4 nm 0.4 nm x x x,y 2012-03-02 Föreläsning 2, Komponentfysik 2011 8 0.1 nm 0.4 nm

10 23 -atomig molekyl energiband Valenselektronerna delas mellan alla atomerna i kristallen! ~ 10 23 nivåer 1 cm x,y,z x 1 cm 9 0.1 nm

Valens- och ledningsband Ledningsband Valensband: Det högsta bandet som har elektroner Valensband Ledningsband: Nästa högre band Metall: Valensbandet halvfullt med elektroner Halvledare / Isolator: Valensbandet fullt med elektroner x,y,z 10

Ström kräver rörliga elektroner Tomt band inga elektroner nergi (ev) Fullt band alla platser upptagna Pauliprincipen Tomt band Ingen ström Fullt band Ingen ström x 11

Metall Isolator/Halvledare Metall halvfyllt valensband Lediga platser Kan gå ström nergi (ev) Halvledare / Isolator Pauliprincipen Fullt band Ingen ström x 12

Metall Halvledare - Isolator nergi (ev) Ledningsband Metall Ledningsband g Halvledare 0 < g < 4 ev Si: g =1.12 ev Ge: g =0.67 ev GaN: g =3.42 ev Ledningsband Ledningsband Isolator g > 4eV SiO 2 : g =9 ev Diamant (C): g =5.5 ev g Valensband Valensband Valensband Valensband 13 x

Vilka material är halvledare? två-atomig bas (4 atomer runtomkring) 8 elektroner i valensskalet! 4+1 4=8 3+5=8 III B Al Ga In IV C Si Ge Sn V N P As Sb C GaP Si Ge InAs Sn (Tenn) g 5.5 ev 2.24 ev 1.12 ev 0.67 ev 0.34 ev 0 Typ Isolator Hal vle da re Metall 2012-03-02 Föreläsning 2, Komponentfysik 2011 14

Fria laddningar lektroner och hål Fria elektroner i ledningsbandet - - - = - - + + Fria hål i ledningsbandet + + + x 15

Varför varierar en halvledares ledningsförmåga??? Om T=0K Inga defekter i halvledaren Koncentration av (fria) elektroner och hål: n=p=0 Vi kan generera fria elektroner/hål via: Termisk energi (värme) Ljus (Opto-komponenter) Dopning (nästa föreläsning) 16

Termisk xcitation Varje elektron får i genomsnitt kin =3/2kT nergi (ev) g n elektron kan slumpvis exciteras till ledningsbandet Högre T fler elektroner Vi får i genomsnitt n (m -3 ) i ledningsbandet 10 24 - n elektroner i valensbandet p (m -3 ): (hål) n=p 17

Termisk xcitation - Fermienergi Sannolikheten att en energinivå har en elektron: Fermi-Dirac fördelningen nergi (ev) g C F Högre T större sannolikhet att en nivå har en elektron Fermi-Dirac är symmetrisk kring: F Fermi-energi. V Sätts så att halvledaren är laddningsneutral. 0 1 Sannolikhet 18

Termisk xcitation antal elektroner nergi (ev) f FD = f ( i, F ) i 4 3 2 1 C 0 0.1 Sannolikhet 19

Termisk xcitation - Fermienergi nergi (ev) g F C V n p = = N N c v exp( F exp( v kt kt N C, N V effektiva tillståndstätheter hur tätt sitter 1, 2, 3 Materialparametrar! c F ) ) Antal elektroner & hål funktion av F, T! Intrinsiskt halvledare: n=p=n i F sitter ungefär mitt i bandgapet 20

Intrinsisk halvledare antal elektroner & hål Varje elektron som lyfts från valensbandet till ledningsbandet ger en elektron n = p = n i = N n i c N v exp 2kT g T=300K Kisel: n i =1 10 16 m -3 g =1.11eV Ge: n i = 2 10 19 m -3 g =0.67 ev 21

Sammanfattning g : Bandgap (ev) (J) c : Ledningsbandets undre kant (ev) v : Valensbandets övre kant (ev) n: elektronkoncentration (m -3 ) p: hålkoncentration (m -3 ) n i : Intrinsisk hål/elektronkoncentration (m -3 ) F : Fermienergi (ev) nergier anges oftast i ev. 1 ev = e 1 J nergier anges alltid i referens till något annat ex. f - c, v - f 22