Półprzewodniki i urządzenia półprzewodnikowe Fizyka współczesna Kamil Abratkiewicz Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Górnictwo i geologia Kraków, 25.04.2016 r. www.agh.edu.pl

Półprzewodniki Półprzewodniki – substancje, najczęściej krystaliczne, których konduktywność może być zmieniana w szerokim zakresie (na przykład od 10-8 do 103 S/cm) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlanie lub inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków. www.agh.edu.pl

Półprzewodniki Wartość oporu półprzewodnika na ogół maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie od 0 do 3 eV (na przykład Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV) Koncentrację nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, regulując temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła, a nawet przez ściskanie lub rozciąganie. www.agh.edu.pl

Rodzaje półprzewodników Samoistne: półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej. Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur. Domieszkowane: domieszkowanie polega na wprowadzeniu i aktywowaniu atomów domieszek do struktury kryształu. Domieszki są atomami pierwiastków niewchodzących w skład półprzewodnika samoistnego.

Półprzewodniki samoistne Atomy półprzewodników (krzem, german) posiadają na zewnętrznej powłoce (walencyjnej) 4 elektrony. Każdy atom poprzez te elektrony łączy się z czterema innymi atomami. Powstaje w ten sposób bardzo trwałe wiązanie kowalencyjne. Przyjmuje się, że w temperaturze 0 kelwinów w paśmie przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w T>0K ma miejsce generacja par elektron-dziura; im wyższa temperatura, tym więcej takich par powstaje. Rekombinacja Generacja Wpr Wc Wv X L W T >0 K Foton

Półprzewodniki domieszkowe Typu n Jeżeli do półprzewodnika (będącego pierwiastkiem grupy 4A) wprowadzimy pierwiastek z grupy 5A nadmiarowe elektrony w strukturze krystalicznej utworzą nowy poziom – poziom donorowy, który znajduje się tuż poniżej pasma przewodnictwa. Elektrony z poziomu donorowego niewielkim kosztem energetycznym mogą przenosić się do pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach typu n główny wkład do przewodnictwa pochodzi od elektronów.

Półprzewodniki domieszkowe Typu p Analogicznie do półprzewodników typu n, jeżeli wprowadzimy pierwiastek grupy 3A to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawia się wolny poziom, zwany akceptorowym. Spontaniczne przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie dziur, które są nośnikiem dominującym.

Złącze p-n Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n.

Złącze p-n Po zetknięciu dwóch kawałków półprzewodnika o różnych rodzajach przewodnictwa zachodzi intensywna dyfuzja nośników w warstwie kontaktowej prowadząca do zubożenia w nośniki warstwy kontaktowej (warstwa zubożona lub zaporowa). Dyfuzji towarzyszy powstanie bariery elektrostatycznej gdyż pozostające jony akceptorów i donorów mają nieskompensowany ładunek.

Urządzenia półprzewodnikowe Diody: Prostownicza Zenera Pojemnościowa Schottky’ego Elektroluminescencyjna – LED Tranzystory Bipolarny Unipolarny Fototranzystor Lasery półprzewodnikowe Hallotron Termistor

Dioda prostownicza Dioda prostownicza – dioda przeznaczona głównie do prostowania prądu przemiennego, jej główną cechą jest możliwość przewodzenia prądu o dużym natężeniu.

Dioda Zenera Odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza p-n. Po przekroczeniu napięcia przebicia ma miejsce nagły, gwałtowny wzrost prądu.

Dioda pojemnościowa Dioda półprzewodnikowa, w której wykorzystuje się zjawisko zmiany pojemności złącza p-n pod wpływem zmiany napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym. Zmiana pojemności diody jest bardzo niewielka, zazwyczaj od 6 pF do 20 pF, przy zmianach napięcia zazwyczaj 2–20 V.

Dioda Schottky’ego Dioda półprzewodnikowa, w której w miejsce złącza p-n zastosowano złącze metal-półprzewodnik. Charakteryzuje się małą pojemnością złącza, dzięki czemu typowy czas przełączania wynosi tylko około 100 ps. Zastosowania: Układy wysokiej częstotliwości (do GHz) -krótki czas przełączania. Zasilacze impulsowe (do MHz).

Dioda LED Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca (ang. light-emitting diode, LED) – dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.

Fotodioda półprzewodnikowa Fotodioda – dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor. Fotodiody wykonane są jako elementy złącza p-n lub p-i-n, z warstwą samoistną (niedomieszkowaną). Fotony padające na złącze są absorbowane (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne) w rezultacie czego elektron zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa i powstaje para elektron-dziura.

Tranzystory Tranzystor – trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Bipolarne: W tranzystorach bipolarnych prąd przepływa przez złącza półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa (n i p). Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o typie przewodnictwa odpowiednio npn lub pnp. Unipolarne: Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe) to takie, w których prąd płynie przez półprzewodnik o jednym typie przewodnictwa. Prąd wyjściowy jest w nich funkcją napięcia sterującego.

Fototranzystor Fototranzystor – element optoelektroniczny złożony z trzech warstw półprzewodnika o kolejno zmieniających się typach przewodnictwa (n-p-n lub p-n-p). Łączy on w sobie właściwości fotodiody i wzmacniające działanie tranzystora.

Laser półprzewodnikowy Laser półprzewodnikowy – nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.

Literatura www.wikipedia.org Massalski J. Fizyka dla inżynierów Część II Fizyka współczesna Freyman R. P., Leighton R. B., Sands M. Freymana wykłady z fizyki Tom 3 D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki Tom 5

Dziękuję za uwagę.