ELEMENTY ELEKTRONICZNE Wykład (rok I, semestr II) Dr inż. Krzysztof Waczyński Zakład Mikroelektroniki i Biotechnologii Instytut Elektroniki Politechnika Śląska

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Przedstawiona prezentacja jest wyłącznie pomocniczym elementem wykorzystywanym w trakcie wykładu i nie wyczerpuje całości materiału, który obowiązuje do egzaminu. Opanowanie i przyswojenie całości materiału obejmującego zagadnienia budowy i zasady działania elementów elektronicznych wymaga studiowania ogólnie dostępnych pozycji literaturowych z tej dziedziny, ze szczególnym uwzględnieniem tych, które zalecane są przez wykładowcę

ELEMENTY ELEKTRONICZNE LITERATURA: Marciniak W.: „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone” WNT, Warszawa 1979 Marciniak W.: „Modele elementów półprzewodnikowych”, WNT, Warszawa, 1985 Hennel J.: „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, WNT, Warszawa 1995 Kleszczewski Z.: Podstawy fizyczne elektroniki ciała stałego” Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000 Waczyński K.: „Przyrządy półprzewodnikowe – podstawy działania diod i tranzystorów”, Wydawnictwo politechniki Śląskiej, Gliwice, 1997 Skrypt nr 2022 Waczyński K.: „Przyrządy półprzewodnikowe – podstawy działania diod i tranzystorów – zadania”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1998, Skrypt nr 2083 Floyd T.L.: „Electronics Devices” Prentice-Hall Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458, 1999

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) FIZYKA FIZYKA CIAŁA STAŁEGO FIZYKA PÓŁPRZEWODNIKÓW FIZYCZNE PODSTAWY DZIAŁANIA PRZYRZĄDÓW P.P BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODN. ELEMENTY ELEKTRONICZNE

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEMENTY ELEKTRONICZNE podstawowy element do budowy UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Rezystor półprzewodnikowy

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Dioda półprzewodnikowa ANODA KATODA

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Tranzystor bipolarny p-n-p BAZA KOLEKTOR EMITER n-p-n BAZA KOLEKTOR EMITER

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Tranzystor polowy ze złączem p-n p-kanałowy n-kanałowy DREN DREN BRAMKA BRAMKA ŹRÓDŁO ŹRÓDŁO

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Tranzystor polowy z izolowaną bramką z kanałem zubożanym D-MOSFET n-kanałowy p-kanałowy DREN DREN BRAMKA BRAMKA ŹRÓDŁO ŹRÓDŁO

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Tranzystor polowy z izolowaną bramką z kanałem wzbogacanym E-MOSFET n-kanałowy p-kanałowy BRAMKA DREN ŹRÓDŁO

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEMENTY ELEKTRONICZNE MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Materiały półprzewodnikowe GERMAN Ge KRZEM Si ARSENEK GALU GaAs FOSFOREK INDU InP KRZEMOGERMAN SiGe AZOTEK GALU GaN

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PODSTAWOWY MATERIAŁ DO BUDOWY PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I UKŁADÓW SCALONYCH KRZEM Si

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) obecnie ponad: 90% Struktur półprzewodnikowych i układów scalonych realizowanych jest w krzemie

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) skład skorupy ziemskiej (składniki główne) Nr składnik % mol. % mas. 1 Tlen (O) 57.95 47.93 2 Krzem (Si) 18.98 26.95 3 Wodór (H) 8.39 0.44 4 Glin (Al.) 5.59 7.91

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) skład skorupy ziemskiej (składniki główne) Nr składnik % mol. % mas. 5 Sód (Na) 2.30 2.76 6 Wapń (Ca) 1.70 3.54 7 Żelazo (Fe) 1.69 4.87 8 Magnez (Mg) 1.60 2.04

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Postać ciała stałego polikrystaliczne multikrystaliczne amorficzne monokrystaliczne amorficzne Struktury półprzewodnikowe realizowane są przy wykorzystaniu materiałów: amorficznych, poli(multi)krystalicznych, a przede wszystkim monokrystalicznych

ELEMENTY ELEKTRONICZNE Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) BUDOWA ATOMU ATOM JEST ZBUDOWANY Z DODATNIO NAŁADOWANEGO JĄDRA ATOMOWEGO I OTACZAJĄCEJ GO CHMURY ELEKTRONÓW

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRZEMIANY, JAKIM PODLEGAJA STANY ENERGETYCZNE ELEKTRONU W ATOMIE WYGODNIE JEST OPISYWAĆ POSŁUGUJĄC SIĘ LICZBAMI KWANTOWYMI, CHARAKTERYZUJĄCYMI TE STANY DO OPISU PODSTAWOWEGO WYSTARCZĄ 4 LICZBY KWANTOWE Nazwa liczby kwantowej symbol Główna n Orbitalna (poboczna) l Magnetyczna m Spinowa magnetyczna ms

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ZASADA PAULIEGO W ATOMIE NIE MOŻE BYĆ DWÓCH ELEKTRONÓW O JEDNAKOWYCH CZTERECH LICZBACH KWANTOWYCH

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA „n” Przyjmuje wartości dodatnich liczb całkowitych, oznaczających kolejne główne poziomy energetyczne elektronów w atomach (poziomy – powłoki elektronowe)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA Elektrony o jednakowej głównej liczbie kwantowej należą do tej samej powłoki elektronowej Wzrastającej głównej liczbie kwantowej odpowiada wzrost energii potencjalnej elektronu względem jądra

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA Oznaczenie – symbol cyfrowy, literowy Wartość liczby n 1 2 3 4 5 6 7 Symbol literowy powłoki K L M N O P Q

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ORBITALNA (POBOCZNA) LICZBA KWANTOWA „l” Rozróżnia stany energetyczne elektronów na tej samej powłoce (o tej samej głównej liczbie kwantowej)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ORBITALNA (POBOCZNA) LICZBA KWANTOWA Przyjmuje wartości od 0 do n-1 n – wartość głównej liczby kwantowej np: dla n=5 l= 0, 1, 2, 3, 4

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ORBITALNA (POBOCZNA) LICZBA KWANTOWA Oznaczenie – symbol cyfrowy, literowy Wartość liczby l 1 2 3 4 Symbol literowy podpowłoki s p d f g

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ORBITALNA (POBOCZNA) LICZBA KWANTOWA Elektrony, charakteryzujące się tą samą główną i orbitalną liczbą kwantową należą do tej samej podpowłoki czyli do „orbitalu” tego samego typu: Orbital typu: s, p, d, f

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA „m” Magnetyczna liczba kwantowa charakteryzuje niewielkie różnice energetyczne między elektronami jednej podpowłoki Różnice te ujawniają się w widmie emisyjnym atomu umieszczonego w zewnętrznym polu elektrycznym lub magnetycznym

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA Dla danej wartości „l” (oznaczającej wartość orbitalnej, pobocznej liczby kwantowej) wartość „m” może przyjmować wartości: -l, 0, +l

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA W sumie 2l+1 Wartość l Wartości liczby kwant. m ( -l, 0, +l ) 1 -1, 0, +1 2 -2, -1, 0, +1, +2

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA Elektrony nie różniące się między sobą żadną z wymienionych liczb kwantowych (główną, poboczną i magnetyczną) należą do : jednego orbitalu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) SPINOWA MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA „ms” Umożliwia rozróżnienie elektronów należących do jednego orbitalu (to znaczy mających tą samą: główną, poboczną i magnetyczną liczbę kwantową)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) SPINOWA MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA W dużym uproszczeniu, można powiedzieć, że: nieznaczne różnice stanu elektronów o tych samych liczbach n, l, m wynikają z ruchu obrotowego elektronu wokół osi

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) SPINOWA MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA Oznaczenie dwóch kierunków obrotu elektronów wokół osi: +1/2 i –1/2

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) SPINOWA MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA elektron opisany liczbami kwantowymi n, l, m +1/2 -1/2

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Liczby kwantowe i rozkład elektronów w atomie n sym. pow. l typ orbitalu m liczba orbitali ms liczba el podpowł powłoki 1 K s +1/2,-1/2 2 L p -1,0,1 3 6 8 M d -2,-1,0,1,2 5 10 18 4 N f -3,-2,-1,0,1,2,3 7 14 32

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Każdej głównej liczbie kwantowej odpowiada maksymalnie: różnych kombinacji liczb kwantowych Jest to maksymalna liczba elektronów na powłoce 2n 2

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Wszystkie elektrony w niewzbudzonym atomie lokalizują się na możliwie najniższych poziomach energetycznych (na poziomach o możliwie najniższej energii)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU REGUŁA HUNDA (MAKSYMALNEJ RÓŻNORODNOŚCI) W ramach każdej podpowłoki kolejne elektrony obsadzają pojedynczo poszczególne orbitale, a dopiero później na orbitalach tych umieszczane są drugie elektrony o przeciwnych liczbach spinowych

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach pierwiastków układu okresowego 1s 2p 2s 3d 3s 3p

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach pierwiastków układu okresowego n l 1 2 3 4 1 1s 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s... 2 2s 2p 3 3s 3p 3d 4 4s 4p 4d 4f Orbitale niezapeł-nione w znanych pierwiast-kach 5 5s 5p 5d 5f 5g 6 6s 6p 6d 6f 6g 7 7s 7p 7d 7f 8 8s 8p 8d

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych w atomach pierwiastków układu okresowego 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s ... 2 2 6 2 6 2 10 6 2 10 2 6 14 10 6 2

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Węgiel C (6) 1s 2s 2p 1s 2s 2p 2 2 2 Cztery elektrony na ostatniej orbicie

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Krzem Si (14) 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 6 2 2 1s 2s 2p 3s 3p Cztery elektrony na ostatniej orbicie

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Bor (5) 1s 2s 2p 1s 2s 2p 2 2 1 Trzy elektrony na ostatniej orbicie

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Fosfor P (15) 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 6 2 3 1s 2s 2p 3s 3p Pięć elektronów na ostatniej orbicie

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Zewnętrzna obsadzona przez elektrony orbita Wewnętrzne orbity atomu wraz z jądrem atomowym

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU cztery elektrony na ostatniej orbicie WĘGIEL KRZEM

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU trzy elektrony na ostatniej orbicie pięć elektronów na ostatniej orbicie BOR FOSFOR

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Definicje: POZIOM WALENCYJNY Najwyższy dozwolony poziom energetyczny obsadzony przez elektrony w T=0K POZIOM WZBUDZENIA (POZIOM PRZEWODNICTWA) Kolejny, wyższy poziom energetyczny nie zajęty przez elektrony w T=0K

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMU Definicje: JONIZACJA Proces wywołany „ucieczką” elektronu (elektron swobodny) z atomu z czym związany jest zanik oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy jądrem atomu a elektronem

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Do tej pory omawiano widma energetyczne atomów jednego pierwiastka Jak zmieni się widmo energetyczne pojedynczego atomu przy zbliżaniu wielu atomów do siebie?

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO W takim przypadku ZASADĘ PAULIEGO Należy rozciągnąć na cały kryształ: „W zbiorze wzajemnie oddziałujących na siebie atomów nie może być dwóch elektronów o identycznych stanach energetycznych”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Jedyna możliwość: Poziomy energetyczne ulegają „rozszczepieniu” tworząc PASMA DOZWOLONYCH ENERGII

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Pasmo przewodnictwa energia Poziom wzbudzenia przewodnictwa WC WV walencyjny Poziom podstawowy Pasmo walencyjne r0 Odległość między atomami Odległość między atomami w ciele stałym

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO „Rozszczepieniu” ulegają przede wszystkim zewnętrzne poziomy energetyczne. „Rozszczepienie” poziomów głębokich jest niewielkie. W obrębie pasma elektron nie może przyjmować dowolnej energii. Pasmo – ogromna liczba leżących blisko siebie poziomów energetycznych.

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Ilość atomów krzemu w 1cm Typowa szerokość pasma energetycznego 3 Si 22 -3 1 eV 10 cm 1eV -22 Odległość energetyczna pomiędzy podpoziomami 10 eV 22 10

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO pasmo – złożone jest z wielu podpoziomów reprezentujących dozwolone poziomy energii

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Rozpatrzmy rozkład poziomów energetycznych – pasm, w izolowanym atomie sodu i w krysztale sodu Sód (Na)- liczba atomowa 11 1s 2s 2p 3s

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Na energia 3p (0 elektronów) 3s (1 elektron) 2p (6 elektronów) 2s (2 elektrony) 1s (2 elektrony) r0 Odległość między atomami Odległość atomów w krysztale sodu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Przy odległości „r0” orbitale: s i p nakładają się na siebie, co powoduje, że formuje się jedno pasmo częściowo zapełnione

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Powstawanie pasm energetycznych w krzemie Struktura elektronowa ostatniej powłoki pierwiastków IV grupy DIAMENT ... 2s 2p KRZEM ... 3s 3p GERMAN ... 4s 4p 2 2 2 2 2 2

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Struktura elektronowa ostatniej powłoki pierwiastków IV grupy S P

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Wszystkie pierwiastki czwartej grupy krystalizują w strukturze DIAMENTU Podczas tworzenia się kryształów Si, Ge, C Powłoki s i p oddziałując na siebie przeformowują się tworząc tak zwane: HYBRYDOWE POZIOMY sp 3

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO S(2) P(2) P(3) S(1) Jeden elektron z (s) przenoszony jest na poziom (p)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO s(1) p(3) Cztery elektrony każdego atomu mają do obsadzenia 8 poziomów

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO W krysztale formowane się pasm hybrydowych sp(3) prowadzi do powstania wiązań kowalencyjnych Typy wiązań 1 Kowalencyjne, atomowe, homeopolarne 2 Jonowe, heteropolarne 3 Metaliczne

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Wiązanie kowalencyjne: Tworzy się wspólna dla dwóch atomów para elektronów (konfiguracja o minimalnej energii) Jest to najbardziej silna postać wiązania w kryształach

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Każdy atom krzemu, germanu czy diamentu ma cztery elektrony sp(3), które może „rozdzielić” pomiędzy cztery sąsiednie atomy Si Wokół każdego atomu krzemu znajduje się 8 elektronów

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Model monokryształu krzemu Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO W rezultacie tworzą się dwa pasma sp(3), rozdzielone przerwą energetyczną. W każdym pasmie jest połowa wszystkich dostępnych poziomów i w niskiej temperaturze jedno z pasm jest całkowicie wypełnione a drugie całkowicie puste Si CAŁKOWICIE PUSTE ENERGIA sp(3) Wg sp(3) CAŁKOWICIE ZAPEŁNIONE ODLEGŁOŚĆ

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Dwa typy materiałów energia energia Pasmo przewodnictwa Pasmo przewodnictwa WC WV Wg WV WC Pasmo walencyjne Pasmo walencyjne x x Pasma zachodzą na siebie Pasma oddzielone energią wzbronioną

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Co wynika z dotychczasowych rozważań? Opis zachowania się elektronów w pasmach

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO - BRAK ELEKTRONÓW + NIE OBSERWUJEMY PRZEPŁYWU W pasmie, w którym nie ma elektronów nie zaobserwujemy przepływu pradu elektrycznego

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO - WSZYSTKIE POZIOMY ZAJĘTE PRZEZ ELEKTRONY + NIE OBSERWUJEMY PRZEPŁYWU W pasmie, całkowicie zapełnionym elektronami nie zaobserwujemy przepływu prądu elektrycznego

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO - PASMO CZĘŚCIOWO ZAJĘTE PRZEZ ELEKTRONY + OBSERWUJEMY PRZEPŁYW W pasmie, częściowo zapełnionym elektronami jest możliwy przepływ prądu elektrycznego

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO materiały nieprzewodniki przewodniki nieprzewodniki dielektryki półprzewodniki

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Przewodniki energia energia WV Pasmo przewodnictwa WV Pasmo walencyjne WC Pasmo walencyjne x x Do przewodników zaliczają się materiały mające przy dowolnej temperaturze pasma częściowo zapełnione

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Nieprzewodniki Do nieprzewodników (dielektryków) należą materiały mające pewną liczbę pasm zapełnionych całkowicie, przy czym ich pasma puste oddzielone są od pasm zapełnionych przerwą energetyczną (pasmem zabronionym) energia Pasmo przewodnictwa WC Wg WV Pasmo walencyjne x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO 4 grupa układu okresowego pierwiastek Wg [eV] własności C 5.4 dielektryk Si 1.1 półprzewodnik Ge 0.7 Sn 0.08 Pb - przewodnik

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Szerokość przerwy energetycznej Wg maleje wraz z temperaturą -4 Wg=1.204 – 2.8 10 T zależność półempiryczna Wg[eV], T[K]

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Może się zdarzyć sytuacja, że część elektronów z pasma walencyjnego zostanie przeniesiona do pasma przewodnictwa

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO hf Półprzewodniki energia energia Pasmo przewodnictwa Pasmo przewodnictwa - - - - - - WC WC Wg Wg WV WV + + + + + + Pasmo walencyjne Pasmo walencyjne x x Energia termiczna Prom. elektromagnetyczne

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ELEKTRONOWA STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO Liczba elektronów w pasmie przewodnictwa zależy od: szerokości pasma zabronionego (Wg), temperatury materiału (T), ilość pochłoniętych kwantów promieniowania elektromagnetycznego (hf>Wg)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI Materiały o własnościach pośrednich pomiędzy własnościami metali i dielektryków Materiały o stosunkowo wąskim pasmie zabronionym, które już w temperaturze pokojowej (300K) mogą wykazywać zjawisko przewodzenia prądu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI Typ materiału półprzewodnik pierwiastki Si, Ge związki AIIIBV GaAs, InP, GaP, GaN, InSb związki AIIBVI ZnS, CdS, ZnSe, CdTe związki wieloskład. CdHgTe,

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI półprzewodniki samoistne domieszkowe

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE Si Si Si energia WC Si Si Si WV Si Si Si x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE hf Si Si Si energia WC Si Si Si WV Si Si Si x T

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE hf ELEKTRON Si Si Si energia ELEKTRON + WC Si Si Si DZIURA WV + + + Si Si DZIURA Si x T

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE W sprzyjających warunkach (absorpcja odpowiednio dużej porcji energii W>Wg) część elektronów z pasma walencyjnego może zostać przeniesiona do pasma przewodnictwa

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) koncentracja (stężenie) - definicja Koncentracja = ilość nośników Jednostka objętości przeliczenie jednostek -3 1cm = 10 m 6 [1/cm ] 3 Przykład: [1/m ] 3 18 -3 24 -3 5 10 cm =5 10 m

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE koncentracja nośników samoistnych 3/2 ni = pi =B(T/T0) exp[-Wg/2kT] i – intrinsic (samoistny) T0 – 300 K, B - współczynnik

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE koncentracja nośników samoistnych 19 2.365 ni = 5.71 10 (T/300) exp(-6733/T) ni[cm ], T[K] T=(200-500)K -3 Zależności półempiryczne 16 3/2 ni = 3.87 10 T exp(-7014/T) ni[cm ], T[K] -3

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE Nośnikami prądu w półprzewodniku są: ELEKTRONY w pasmie przewodnictwa DZIURY w pasmie walencyjnym

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE Elektrony w pasmie przewodnictwa Si Si Si energia WC Si Si Si WV Si Si Si x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE Elektrony w pasmie przewodnictwa E Si Si Si energia WC + Si Si Si WV Si Si Si x E

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE dziury w pasmie walencyjnym Si Si Si energia WC Si Si Si WV + Si Si + + Si x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE dziury w pasmie walencyjnym E Si Si Si energia WC + Si Si Si WV + Si Si + + Si x E

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE dziury w pasmie walencyjnym E Si Si Si energia WC + Si Si Si WV + Si Si + + Si x E

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE Elektrony przechodząc z jednego wiązania kowalencyjnego do drugiego nie są cząstkami swobodnymi Współuczestniczą jednak w przepływie prądu Przemieszczanie się dziury – przemieszczanie się pustego miejsca po elektronie

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE II III IV V VI Si Ge P Se Zn Ga Al B In As Sb

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Si Zn B P Se II III IV V VI

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) Domieszkowanie krzemu atomami fosforu Si P

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) Si P Domieszkowanie krzemu atomami fosforu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) Si P Domieszkowanie krzemu atomami fosforu ND – koncentracja domieszki donorowej

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) Atomy z piątej grupy układu okresowego (fosfor P, arsen As, antymon Sb) posiadające 5 elektronów walencyjnych są donorami, oddającymi elektrony do pasma przewodnictwa półprzewodnika (donor – „dający”)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) Wprowadzenie atomu fosforu P, domieszki z piątej grupy układu okresowego, powoduje pojawienie się zlokalizowanego poziomu domieszkowego o energii jonizacji: Wj = - 0.044 [eV]

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si, Wg=1.1[eV]) pierwiastek Wj[eV] Fosfor (P) -0.044 Arsen (As) -0.049 Antymon(Sb) -0.039 Bizmut (Bi) -0.069 energia pasmo przewodnictwa WC Wj WV pasmo walencyjne x1 x2 x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE ELEKTRONOWYM Si Si Si energia WC Si P Si WV P Si Si x1 x2 x x1 x2 x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE ELEKTRONOWYM Si Si Si energia WC Si P Si + + WV P Si Si x1 x2 x x1 x2 x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE (Si) Si P PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE ELEKTRONOWYM + WC WV x energia x2 x1

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE Jonizacja poziomów domieszkowych (donorowych) + D D + n Dodatnio zjonizowany donor Elektron w pasmie przewodnictwa Donor

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DONOROWE Półprzewodnik o dominującym przewodnictwie elektronowym TYP N Elektron o ładunku ujemnym (n-negative) nn – nośniki większościowe pn – nośniki mniejszościowe

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) Si B Domieszkowanie krzemu atomami boru

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) Si B Domieszkowanie krzemu atomami boru

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) Si B Domieszkowanie krzemu atomami boru NA - koncentracja domieszki akceptorowej

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) Atomy z trzeciej grupy układu okresowego (bor B, ind In, glin Al) posiadające 3 elektrony walencyjne są akceptorami, przyjmującymi elektrony z pasma walencyjnego półprzewodnika (akceptor – „przyjmujący”)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) Wprowadzenie atomu boru B, domieszki z trzeciej grupy układu okresowego, powoduje pojawienie się zlokalizowanego poziomu domieszkowego o energii jonizacji: Wj = +0.045 [eV]

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si, Wg=1.1[eV]) pierwiastek Wj[eV] Bor (B) +0.045 Glin (Al) +0.057 Gal (Ga) +0.067 Ind (In) +0.160 energia pasmo przewodnictwa WC WV Wj pasmo walencyjne x1 x2 x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE DZIUROWYM Si Si Si energia WC Si B Si WV B Si Si x1 x2 x x1 x2 x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE DZIUROWYM Si Si Si energia + WC Si B Si - - WV B Si + + + Si x1 x2 x x1 x2 x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE (Si) Si B PÓŁPRZEWODNIK O DOMINUJĄCYM PRZEWODNICTWIE DZIUROWYM + x x2 x1 - WC WV energia

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE Jonizacja poziomów domieszkowych (akceptorowych) - - A + e A + p akceptor ujemnie zjonizowany akceptor Dziura w pasmie walencyjnym Elektron z pasma walencyjnego

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI AKCEPTOROWE Półprzewodnik o dominującym przewodnictwie dziurowym TYP P dziura o ładunku dodatnim (p-positive) pp – nośniki większościowe np – nośniki mniejszościowe

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE NOŚNIKI WIĘKSZOŚCIOWE Jonizacja poziomów domieszkowych NOŚNIKI MNIEJSZOŚCIOWE Generacja par elektron-dziura przez pasmo

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Domieszki amfoteryczne (Si, Wg=1.1[eV]) pierwiastek Wj[eV] Złoto (Au) -0.54, +0.35 Cynk (Zn) -0.55, +0.31 Srebro (Ag) -0.33, +0.31 Żelazo (Fe) -0.55, +0.40 pasmo przewodnictwa energia WC Wj WV Wj pasmo walencyjne x1 x2 x Au Au

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Domieszki amfoteryczne (Si) Amfoteryczne poziomy domieszkowe są istotne z punktu widzenia procesów generacyjno -rekombinacyjnych energia pasmo przewodnictwa rekombinacja generacja pasmo walencyjne x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) USTALANIE TYPU PRZEWODNICTWA

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Ustalanie typu przewodnictwa B Si Akceptory (bor) o koncentracji NA

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Ustalanie typu przewodnictwa Akceptory – „wychwytują” elektrony z pasma walencyjnego pozostawiając w pasmie walencyjnym puste miejsca po elektronach, czyli dziury. Półprzewodnik akceptorowy – materiał o dominującym przewodnictwie dziurowym Typ P

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Obliczanie koncentracji nośników większościowych dziura B pp=NA 1 atom boru wbudowany w sieć krystaliczną krzemu „wychwytuje” 1 elektron z pasma walencyjnego, co generuje pojawienie się 1 dziury

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Obliczanie koncentracji nośników mniejszościowych

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Ustalanie typu przewodnictwa P Si Donory (fosfor) o koncentracji ND

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Ustalanie typu przewodnictwa Donory – „oddają” elektrony do pasma przewodnictwa. Półprzewodnik donorowy – materiał o dominującym przewodnictwie elektronowym Typ N

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Obliczanie koncentracji nośników większościowych elektron P nn=ND 1 atom fosforu wbudowany w sieć krystaliczną krzemu „oddaje” 1 elektron do pasma przewodnictwa

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Obliczanie koncentracji nośników mniejszościowych

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Ustalanie typu przewodnictwa P B Si Akceptory (bor) o koncentracji NA Donory (fosfor) o koncentracji ND

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Obliczanie koncentracji nośników większościowych Jeżeli: półprzewodnik typu p W przypadku gdy:

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Obliczanie koncentracji nośników większościowych Jeżeli: N > N półprzewodnik typu n D A W przypadku gdy:

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Obliczanie koncentracji nośników mniejszościowych Typ p Typ n

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Ustalanie typu przewodnictwa B Al Si P As Akceptory: (bor) o koncentracji NA(B), (glin) o koncentacji NA(Al.) Donory: (fosfor) o koncentr. ND(P), arsen o koncentr. ND(As)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE Ustalanie typu przewodnictwa Typ P Typ N

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) OBSADZANIE POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH PRZEZ NOŚNIKI

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW Przewodnictwo elektryczne półprzewodników zależy od: koncentracji elektronów w pasmie przewodnictwa, koncentacji dziur w pasmie walencyjnym.

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW ZAGADNIENIA Jak wygląda rozkład poziomów energetycznych do obsadzenia przez elektrony i dziury w odpowiednio w pasmach przewodnictwa i walencyjnym? Jakie jest prawdopodobieństwo zajęcia przez elektron i dziurę danego poziomu odpowiednio w pasmie przewodnictwa i walencyjnym ?

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW Gęstość stanów energetycznych dla elektronów w pasmie przewodnictwa Wartość energii na dnie pasma przewodnictwa mająca sens fizyczny energii potencjalnej spoczywającego elektronu przewodnictwa Energia kinetyczna elektronu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW Gęstość stanów energetycznych dla elektronów w pasmie przewodnictwa NC NC =f(W) WC Energia (W)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW Gęstość stanów energetycznych dla dziur w pasmie walencyjnym Wartość energii w wierzchołku pasma walencyjnego mająca sens fizyczny energii potencjalnej spoczywającej dziury Energia kinetyczna dziury

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW Gęstość stanów energetycznych dla dziur w pasmie walencyjnym NV NV =f(W) Energia (W) WC

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Odpowiedź na pytanie o prawdopodobieństwo obsadzeń poziomów energetycznych o danej energii przez nośnik dana jest przez: STATYSTYKĘ OBSADZEŃ

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) STATYSTYKA OBSADZEŃ Rozkład dwóch cząstek w dwóch komórkach wg teorii: MAXWELLA-BOLTZMANNA Statystyka przydatna do opisu klasycznego niekwantowego gazu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) STATYSTYKA OBSADZEŃ Rozkład dwóch cząstek w dwóch komórkach wg teorii: BOSEGO - EINSTEINA Statystyka przydatna do opisu bozonów, cząstek o spinie 0 lub całkowitym

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) STATYSTYKA OBSADZEŃ Rozkład dwóch cząstek w dwóch komórkach wg teorii: FERMIEGO-DIRACA Statystyka przydatna do opisu fermionów, cząstek o spinie 1/2

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA Cząstki podlegające statystyce Fermiego-Diraca to FERMIONY Fermiony – wszystkie cząstki o spinie połówkowym bariony proton, neutron leptony elektron

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA Dla fermionów charakterystyczne jest to, że nigdy nie zajmują stanu już zajętego przez inną cząstkę Fermiony – „indywidualiści”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o energii „W” - poziom (energia) Fermiego

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD BOSEGO-EINSTEINA Cząstki podlegające statystyce Bosego-Einsteina to BOZONY Bozony – wszystkie cząstki o spinie zerowym lub całkowitym fotony fonony

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD BOSEGO-EINSTEINA Dla bozonów charakterystyczne jest to, że prawdopodobieństwo pojawienia się cząstki w stanie, w którym już znajduje się „n” cząstek jest proporcjonalna do „n” Bozony – „kolektywiści”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD BOSEGO-EINSTEINA Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o energii „W” - poziom (energia) Fermiego

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD MAXWELLA-BOLTZMANNA Rozkład został wyprowadzony przez Maxwella dla klasycznego, czyli niekwantowego gazu. W statystyce zakłada się, że każdy poziom energetyczny może być obsadzony przez nieograniczoną liczbę cząstek

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD MAXWELLA-BOLTZMANNA Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o energii „W”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) STATYSTYKA OBSADZEŃ ROZKŁAD F-D ROZKŁAD B-E oba rozkłady „przechodzą” w rozkład Maxwella-Boltzmanna ROZKŁAD M-B

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA 1 T0=0K 0.5 PRAWDOPODOBIEŃSTWO f(W) WF ENERGIA W

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA 1 T0=0K T1 0.5 PRAWDOPODOBIEŃSTWO f(W) WF ENERGIA W

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA 1 T0=0K T1 0.5 PRAWDOPODOBIEŃSTWO f(W) T2 WF ENERGIA W

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA 1 T0=0K T1 0.5 PRAWDOPODOBIEŃSTWO f(W) T2 T3 WF ENERGIA W

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA Poziom Fermiego (energia Fermiego) WF Jest charakterystyczną energią, która jest ważnym parametrem pozwalającym na opis właśności materiałów w fizyce półprzewodników. (WF - ma sens potencjału chemicznego –średnia energia elektronów liczona na jeden elektron)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA Energia Fermiego jest to poziom energetyczny powyżej którego prawdopodobieństwo obsadzenia poziomów energetycznych w T=0K jest równe 0 Dla T>0K i dla W=WF f(W)=0.5

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA 1 2 3 WF W<<WF W>>WF f(W) 0.5 1 2 3

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA Poziomy o energiach znacznie poniżej energii Fermiego są prawie całkowicie zapełnione f(W)=1 Poziomy o energiach znacznie powyżej energii Fermiego są prawie całkowicie puste f(W)=0 Prawdopodobieństwo zajęcia poziomu o energii W=WF wynosi f(W)=0.5

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA 1 0.5 PRAWDOPODOBIEŃSTWO f(W) Prawdopodobieństwo obsadzenia poziomu o energii „W” przez elektron W WF ENERGIA W

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ROZKŁAD FERMIEGO-DIRACA 1 Prawdopodobiestwo „braku elektronu” na poziomie o energii „W” czyli pojawienia się dziury 0.5 PRAWDOPODOBIEŃSTWO f(W) Prawdopodobieństwo obsadzenia poziomu o energii „W” przez elektron W WF ENERGIA W

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) KONCENTRACJA NOŚNIKÓW Koncentracja elektronów Koncentracja dziur

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) KONCENTRACJA NOŚNIKÓW (pp. samoistny) Niewielkie prawdopodobieństwo znalezienia: W W pasmo elektronu dziury W przewodnictwa WC WC WC Wi WF WF WF Wi WV WV WV pasmo walencyjne 1 0.5 f(W) N(W) f(W)N(W)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) KONCENTRACJA NOŚNIKÓW (typ N) wzrost prawdopodobieństwa znalezienia: Poziomy donorowe W W W pasmo elektronu przewodnictwa WC WC WC WF WF WF WF W Wi Wi WV WV WV pasmo walencyjne 1 0.5 f(W) N(W) f(W)N(W)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) KONCENTRACJA NOŚNIKÓW (typ P) Wzrost prawdopodobieństwa znalezienia: Poziomy akceptorowe W W pasmo dziury W przewodnictwa WC WC WC Wi Wi W WF WF WF WF WV WV WV pasmo walencyjne 1 0.5 f(W) N(W) f(W)N(W)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) KONCENTRACJA NOŚNIKÓW-POZIOM FERMIEGO W „Przesunięcie” poziomu Fermiego – efekt pojawiania się wysokoenergetycznych elektronów w pasmie przewodnictwa WC WF W Wi Przesunięcie poziomu Fermiego WV x TYP N

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) KONCENTRACJA NOŚNIKÓW-POZIOM FERMIEGO W „Przesunięcie” poziomu Fermiego – efekt wychwytywania elektronów o najwyższych energiach z pasma walencyjnego WC Przesunięcie poziomu Fermiego Wi W WF WV x TYP P

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Potencjał Fermiego inna postać zależności

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Nośniki w półprzewodniku mogą przemieszczać się w wyniku: pola elektrycznego E (unoszenie) gradientu koncentracji dn/dx (dyfuzja)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU UNOSZENIE

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE E W półprzewodniku nośnikami prądu elektrycznego są elektrony i dziury

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE Nośniki (elektrony i dziury) w półprzewodniku są to nośniki „swobodne”. Oznacza to, że nie są związane z określonymi węzłami sieci krystalicznej

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE Wpływ sieci krystalicznej na ruch nośników Masa elektronu (dziury) różni się od masy elektronu w próżni

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE Anoda Ruch elektronu w próżni Vwyp. Katoda żarzona m0 Dioda próżniowa

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. - UNOSZENIE Ruch elektronu w ciele stałym vth Drgania cieplne sieci oraz wszelkiego rodzaju defekty (domieszki, nieregularności sieci) powodują rozpraszanie elektronów

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE „Rozpraszanie elektronów” Rozpraszanie elektronów polega na zderzaniu się nośników z węzłami sieci, domieszkami, nieregularnościami budowy „Średni czas pomiędzy zderzeniami – tzd ” Okres czasu pomiędzy zderzeniami, uśredniony dla wszystkich elektronów

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE „Średnia prędkość termiczna elektronów - vth” Elektrony w krysztale przemieszczają się z wypadkowymi prędkościami wynikającymi z aktualnej temperatury ciała stałego. Średnia prędkość termiczna elektronów związana jest z temperaturą:

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE y (1/2)kT z Na każdy kierunek ruchu elektronu (w osi x, y, z) przypada energia równa (1/2)kT (1/2)kT x (1/2)kT

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE W warunkach równowagi termodynamicznej temperatura „gazu elektronowego” powinna być równa temperaturze jonów sieci. Oznacza to, że: „średnio nie następuje przekazywanie energii ani od elektronów do sieci ani od sieci do elektronów”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE Chaotyczny ruch elektronów nie może wywołać prądu elektrycznego, który charakteryzuje się przenoszeniem ładunku przez pewien przekrój Dla wytworzenia prądu konieczny jest ruch elektronów wywołany polem elektrycznym

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE potencjał wyższy „+” ładunek próbny „q” E siła działająca na ładunek próbny „F” NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO potencjał niższy „-”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE Ruch elektronu i dziury w polu elektrycznym E E vu – prędkość unoszenia vu dziura vu elektron

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE Prędkość unoszenia (w typowym zakresie stosowanych pól elektrycznych) jest znacznie niższa od prędkości termicznej elektronu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE miejsce „rozproszenia” elektronu vth vth

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE E vu miejsce „rozproszenia” elektronu vth vwyp vwyp vth vu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE mn * F=(-q)E v1 v2 tzd v2-v1=vu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE mn * F=(-q)E v1 v2 tzd v2-v1=vu

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE prędkość unoszenia jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego Definicja pojęcia „ruchliwości” elektronu:

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE Dla elektronów Dla dziur Ruchliwość elektronów Ruchliwość dziur

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE Ruchliwość – ważny parametr charakteryzujący własności elektryczne półprzewodników wartość ruchliwość zależy od: typu nośnika, rodzaju materiału półprzewodnikowego, koncentracji sumarycznej domieszek, temperatury

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE Ruchliwość elektronów i dziur dla Si, Ge, GaAs materiał Krzem (Si) 1500 450 German (Ge) 4000 400 Arsenek Galu (GaAs) 8500

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE 1000 1500 500 koncentracja domieszki [cm ] 10 16 12 14 18 20 -3 Si

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Zależność prędkości unoszenia elektronu w funkcji natężenia pola elektrycznego dla Si i GaAs 4 8 12 16 20 24 6 14 18 22 26 Pole elektryczne E (kV/cm) GaAs Si vs =2.2 10 cm/s 7 Prędkość elektronu v x(10 cm/s)

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PP. – UNOSZENIE Przedstawiona zależność: obowiązuje dla krzemu w ograniczonym zakresie. Przy wysokich wartościach pól elektrycznych prędkość unoszenia przestaje wzrastać proporcjonalnie do wzrostu natężenia pola elektrycznego, osiągając, dla wysokich pól elektrycznych, wartość prędkości nasycenia

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU PRĄD UNOSZENIA

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄD UNOSZENIA Ładunek w próbce E l A Wartość prądu w próbce Koncentracja elektronów „n” Koncentracja dziur „p” ilość elektronów nV ilość dziur pV

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄD UNOSZENIA E Droga przebywana przez nośnik w próbce l A Wartość prądu w próbce

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄD UNOSZENIA E Gęstość prądu w próbce l A Gęstość prądu w próbce Ponieważ:

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄD UNOSZENIA Konduktywność, rezystywność

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄD UNOSZENIA Konduktywność, rezystywność gęstość prądu konduktywność pole elektryczne rezystywność

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄD UNOSZENIA E Prawo Ohma: l A Gęstość prądu w próbce

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄD UNOSZENIA E Całkowita gęstość prądu:

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) konduktywność składowa elektronowa konduktywności składowa dziurowa konduktywności

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) konduktywność Zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury wzrost temperatury 1/T Półprzewodnik samoistny Półprzewodnik domieszkowy 1 2 3

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) konduktywność Zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury 3 1 + WC WV x Generacja przez pasmo T2 T2>T1 Jonizacja poziomów domieszkowych energia energia WC + + - - WV + + x T1

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) konduktywność Zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury 3 2 1 Wzrost konduktywności wywołany wzrostem koncentracji nośników uwalnianych z poziomów domieszkowych 1 wzrost temperatury 1/T Półprzewodnik samoistny Półprzewodnik domieszkowy 2 Niewielki spadek konduktywności wywołany spadkiem ruchliwości nośników Szybki wzrost konduktywności wywołany generacją termiczną, przez pasmo zabronione, pary elektron-dziura 3

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU PRĄD DYFUZJI

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) Dyfuzja – zjawisko powszechne w przyrodzie opisane I i II prawem Ficka

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek” t0 t0 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek” t1 t1 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek” t2 t2 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – ograniczona ilość dyfundujących „cząstek” t3 t3 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0 t0 t0 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0 t1 t1 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0 t2 t2 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA Dyfuzja – stała koncentracja w punkcie x=0 t3 t3 koncentracja elektronów x x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU n p Gradient koncentracji Gradient koncentracji koncentracja elektronów koncentracja dziur x x I prawo Ficka

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU n p Strumień elektronów Strumień dziur Gradient koncentracji Gradient koncentracji koncentracja elektronów koncentracja dziur x x I prawo Ficka

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU n p Strumień elektronów Strumień dziur Gradient koncentracji Gradient koncentracji koncentracja elektronów koncentracja dziur Umowny kierunek prądu Umowny kierunek prądu x x I prawo Ficka

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DYFUZJA NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU I PRAWO FICKA Strumień dyfundujących cząstek jest proporcjonalny do gradientu koncentracji a współczynnikiem proporcjonalności jest „współczynnik dyfuzji”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄDY DYFUZJI W PÓŁPRZEWODNIKU Gęstość dyfuzyjnego prądu elektronowego Gęstość dyfuzyjnego prądu dziurowego

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU PRĄDY UNOSZENIA I DYFUZJI

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) PRĄDY UNOSZENIA I DYFUZJI

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) TRANSPORT NOŚNIKÓW W PÓŁPRZEWODNIKU ZALEŻNOŚĆ EINSTEINA

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) RUCHLIWOŚĆ – WSPÓŁCZYNNIK DYFUZJI Parametr opisujący przemieszczanie się nośników pod wpływem pola elektrycznego Parametr opisujący przemieszczanie się nośników pod wpływem gradientu koncentracji E dn/dx ruchliwość nośników współczynnik dyfuzji

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) ZALEŻNOŚĆ EINSTEINA (kT/q) – potencjał termiczny, dla 300K (kT/q)=25.8mV

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE PÓŁPRZEWODNIK NIERÓWNOMIERNIE DOMIESZKOWANY

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE Obszar półprzewodnika o nierównomiernym rozkładzie koncentracji domieszek ND Koncentracja donorów ND Koncentracja elektronów n n x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE Dyfuzja nośników wywołana gradientem koncentracji ND Koncentracja donorów ND Koncentracja elektronów n n dyfuzja dn/dx x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE Zmiana rozkładu koncentracji nośników wywołana dyfuzją ND Koncentracja donorów ND Koncentracja elektronów n n Nieskompen-sowane dodatnio zjonizowane donory dyfuzja Nadmiarowe elektrony dn/dx x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE W wyniku „rozseparowania” ładunku elektrycznego pojawia się pole elektryczne o natężeniu E ND Koncentracja donorów ND Koncentracja elektronów n n E x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE Pod wpływem pola elektrycznego o natężeniu E elektrony są „unoszone” w kierunku przeciwnym do kierunku pola E ND Koncentracja donorów ND Koncentracja elektronów n n E x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE W konsekwencji: strumień dyfundujących elektronów jest kompensowany przez strumień elektronów przemieszczających się pod wpływem pola elektrycznego E ND Koncentracja donorów ND n E Jnu Jnd dn/dx x

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE W półprzewodniku będącym w stanie równowagi termodynamicznej wypadkowy prąd elektronowy i dziurowy muszą być równe zero – stąd:

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE W BAZIE TRANZYSTORA DRYFTOWEGO EMITER BAZA KOLEKTOR Nierównomierny rozkład koncentracji akceptorów Pole w obszarze złącza baza-kolektor n p n

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE W BAZIE TRANZYSTORA DRYFTOWEGO EMITER BAZA KOLEKTOR Nierównomierny rozkład koncentracji akceptorów Pole w obszarze złącza baza-kolektor Pole wbudowane w obszarze bazy n p n Ujemnie zjonizowane akceptory Nadmiarowe dziury

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) POLE WBUDOWANE W BAZIE TRANZYSTORA DRYFTOWEGO EMITER BAZA KOLEKTOR Nierównomierny rozkład koncentracji akceptorów Pole w obszarze złącza baza-kolektor Pole wbudowane w obszarze bazy n p n Ujemnie zjonizowane akceptory Nadmiarowe dziury

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) rezystor półprzewodnikowy, dioda półprzewodnikowa, tranzystor bipolarny, tranzystor polowy ze złączem p-n, tranzystor polowy z izolowaną bramką

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) REZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) REZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY A Si Obszar typu n Obszar typu p Kontakt metalowy l w

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) REZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY Ścieżka rezystywna Si p n A-A Pole kontaktowe d

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) REZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY I l w d Materiał o rezystywności

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DEFINICJA REZYSTANCJI WARSTWOWEJ rezystancja na kwadrat, rezystancja powierzchniowa liczba „kwadratów”

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) DEFINICJA REZYSTANCJI WARSTWOWEJ l w d I

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) REZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY I l w d Materiał o rezystywności

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) REZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY l w d Si n p

Elementy Elektroniczne Dr inż. Krzysztof Waczyński, Instytut Elektroniki, Politechnika Śląska, Akademicka 16, 44-100 Gliwice (email: Krzysztof.Waczynski@polsl.pl) REZYSTOR PÓŁPRZEWODNIKOWY d1 d2 l1 l2 w1 w2 l1=w1, l2=w2