ii semestar (2+2+0) prof. dr dragan pantić, kabinet 337...
TRANSCRIPT
II semestar (2+2+0)
Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337
2019 – Predavanje 9
http://mikro.elfak.ni.ac.rs
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 2
“I only want to design computers. I do not
need to know about atoms and electrons”
Intel Corporation – krajem 2001. godine
napravljen najmanji i najbrži CMOS
tranzistor.
Dimenzije tranzitora su bile 30nm, a oksid
gejta je bio „debeo“ tri sloja atoma.
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 4
32nm Planar Technology (2D)
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 5
22nm 3D TechnologyKako se prave procesori sa ovakvim tranzistorima pogledajte na:
http://www.intel.com/content/www/us/en/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 6
22nm Tri-Gate Technology
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 7
14nm Tri-Gate Technology
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 8
Kvantna mehanika!
Neophodna kako bi razumeli i dizajnirali
poluprovodničke materijale željenih
električnih i optičkih karakteristika.
Neophodna kako bi razumeli princip rada i
projektovali: Heterojunction diode,
balističke diode, LED, laser diode, neke
vrste solarnih ćelija, fotodetektore, neke
BJT, neke MOSFET, MESFET, HEMT,
mikrotalasne tranzistore, ...
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 9
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 10
Kontrola provodnosti materijala
Metali – velika provodnost
Izolatori – mala provodnost
Poluprovodnici – provodnost se menja
nekoliko redova veličina
Mogućnost kontrolisanja provodnosti kod
poluprovodnika ih je učinika korisnim za
realizovanje „current/voltage control
elements“.
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 11
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 12
MetaliSimbol Metal Otpornost
(W·m)
Provodnost
1/(W·m)
Ag srebro 1.59 x 10-8 6.29 x 107
Cu bakar 1.72 x 10-8 5.81 x 107
Au zlato 2.44 x 10-8 4.10 x 107
Al aluminijum 2.82 x 10-8 3.55 x 107
W tungsten
(volfram)
5.60 x 10-8 1.8 x 107
Pt platina 1.1x 10-7 9.1 x 106
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 13
LegureSimbol Legura Otpornost
(W·m)
Provodnost
1/(W·m)
konstantan 4.9 x 10-7 2.0 x 106
nihrom 1.5 x 10-6 6.7 x 105
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 14
PoluprovodniciSimbol Poluprovodnik Otpornost
(W·m)
Provodnost
1/(W·m)
C ugljenik 3.5 x 10-5 2.9 x 104
Ge germanijum 0.46 2.2
Si silicijum 640 1.6 x 10-3
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 15
IzolatoriSimbol Izolator Otpornost
(W·m)
Provodnost
1/(W·m)
drvo 108 - 1011 10-8 - 10-11
guma 1013 10-13
ćilibar 5.0 x 1014 2.0 x 10-15
staklo 1010 - 1014 10-10 - 10-
14
kvarc 7.5 x 1017 1.3 x 10-18
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 16
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 17
18 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
19 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 20
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 21
22 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici u
periodnom sistemu elemenata
23 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Kristalna struktura elementarnih poluprovodnika
– dijamantska (C, Si, Ge)
Kristalna struktura dijamanta
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 24
Kristalna struktura silicijuma
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 25
mc-Si
a-Si
26 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Šematski prikaz Si atoma u ravni (atomski broj silicijuma je 14 - 1s22s22p63s23p2)
27 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
28 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
29 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
U savršenom Si 4 elektrona iz poslednje orbite su povezana sa elektronima susednih atoma (kovalentna veza)
Si se ponaša kao izolator –nema “slobodnih” nosilaca naelektrisanja
Na sobnoj temperaturi, usled termičkih vibracija kristalne rešetke neki elektroni povećavaju svoju energiju, raskidaju kovalentnu vezu i postaju slobodni elektroni
Atom Si koji izgubi jedan elektron postaje električno pozitivan
30 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Generacija/Rekombinacija
31 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
32 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Sopstvena
koncentracija nosilaca
naelektrisanja ni
Slobodni elektroni n0 i
šupljine p0
Uticaj temperature na
generisanje nosilaca i
rekombinaciju
Na svakoj temperaturi se
uspostavlja ravnoteža
Kod “čistog” Si uvek važi
da je n0 = p0 = ni
ni = 1.13 1010 cm-3 na
T=300K
33 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
34 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
35 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 36
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 37
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 38
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 39
40 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Energetske zone duž jednog pravca u
“čistom” (sopstvenom) Si na T = 0K
41 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
42 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Širina zabranjene zone Provodna i valentna zona
su razdvojene nizom
energetskih nivoa koje
elektron ne može zauzeti
– zabranjena zona
Predstavlja najmanju
energiju koju je potrebno
dovesti elektronu u
valentnoj zoni da bi on
“prešao” u provodnu zonu
Širina zabranjene zone
se smanjuje sa
povećanjem temperature
43 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
44 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Primesni poluprovodnici
Električna svojstva poluprovodnika u najvećoj meri zavise od prisustva nekih stranih elemenata, primesa.
Primese su uvek prisutne u poluprovodniku
Od posebnog značaja su primese koje mi u poluprovodnik unosimo kontrolisano
Koncentracije primesa su u opsegu od 1014cm-3
do 1022cm-3
Primese su najčešće trovalentni ili petovalentni atomi.
45 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Poluprovodnici n-tipa Dodajemo petovalentne atome
P, As, Sb
Ove primese “daju” elektrone pa se zato nazivaju donorske primese ili donori
ND koncentracija donora
Koncentracija šupljina je daleko manja
n0 je približno jednako ND
Elektroni su većinski a šupljine manjinski nosioci naelektrisanja u n-tipu poluprovodnika
ED donorki nivo u blizini dna provodne zone
46 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
47 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Poluprovodnici p-tipa Dodajemo trovalentne atome
B, Al, Ga, In
Ove primese “primaju” elektrone kako bi dopunili kovalentnu vezu pa se zato nazivaju akceptorske primeseili akceptori
NA koncentracija akceptora
Koncentracija šupljina je daleko manja
p0 je približno jednako NA
Šupljine su većinski a elektroni manjinski nosioci naelektrisanja u p-tipu poluprovodnika
EA akceptorski nivo u blizini vrha valentne zone
48 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
49 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri
termodinamičkoj ravnoteži
Sopstveni i slabo dopiran poluprovodnik
Koncentracija elektrona
Koncentracija šupljina
Sopstveni poluprovodnik
Primesni poluprovodnik
Sopstveni poluprovodnik –
poluprovodnik bez primesa (čist
poluprovodnik)
Slabo dopirani poluprovodnik –
nedegenerisani poluprovodnik,
koncentracija primesa je < 1017cm-3
Jako dopirani poluprovodnik –
degenerisani poluprovodnik kod koga je
koncentracija primesa > 1017cm-3
Sopstveni i slabo dopiran
poluprovodnik
U jednoj zoni ima onoliko energetskih nivoa koliko ima nosilaca naelektrisanja
Paulijev princip – jedan energetski nivo jedan elektron
Koncentracija nosilaca je proporcionalna verovatnoći da energetski nivo E u provodnoj zoni bude zauzet na temperaturi T
Raspodela elektrona i šupljina po energetskim nivoima podleže Fermi-Dirakovoj funkciji raspodele
Fermi-Dirakova funkcija
f(E) – verovatnoća da je energetski nivo E zauzet
k – Bolcmanova konstanta (k = 1.38 10-23J/K ili k = 8.62 10-5 eV/K)
EF – energija Fermijevog nivoa
kT = 0.026 eV (T = 300K)
Ukupan broj stanja
Broj zauzetih stanja
Fermi-Dirakova funkcija
raspodele za T=0K
Diskretna energetska stanja za T=0K
Fermi-Dirakova funkcija
raspodele za T>0K
Diskretna energetska
stanja za T>0K
Koncentracija elektrona
Kada je (E-EF) >> kT
fMB(E)
EC – dno provodne zone
NC – efektivni broj stanja sveden na dno provodne
zone
NC je konstanta i za T = 300K iznosi 2.8 1019cm-3
Na nekoj drugoj temperaturi se određuje uz
pomoć izraza:
kT
EENn FC
c exp0
2/3
19
300108,2
TNc
Primer 1. Izračunati koliko je udaljen Fermijev nivo u odnosu na dno provodne
zone u silicijumu na temperaturama T0=300K i T1=400K, ako je koncentracija
donorskih primesa ND=1016cm-3.
S obzirom da su već na sobnoj temperaturi T0 sve primese jonizovane, to znači
n0(T0) ≈ n0(T1) ≈ ND = 1016 cm-3
kT
EENn FC
c exp0
D
cFC
N
T
T
T
TkT
n
NkTEE
2/3
0
19
0
0
0
108,2
lnln
16
19
010
108,2ln026,0)(
TEE FC
≈ 0.206 eV
16
2/3
19
110
300
400108,2
ln300
400026,0)(
TEE FC≈ 0.29 eV
T0 = 300K
T1 = 400K
Koncentracija šupljina
Broj šupljina u valentnoj zoni je jednak broju umanjenja valentnih elektrona
Verovatnoća da se na nekom nivou nalazi šupljina je jednaka verovatnoći da na tom nivou nema elektrona
fh(E,T) = 1 f(E,T)
EV – vrh valentne zone
NV – efektivni broj stanja sveden na vrh valentne
zone
NV je konstanta i za T = 300K iznosi 1.08 1019cm-3
Na nekoj drugoj temperaturi se određuje uz
pomoć izraza:
kT
EENp VF
v exp0
2/3
19
3001008,1
TN c
Primer 2. Izračunati koliko je udaljen Fermijev nivo u odnosu na vrh valentne
zone u silicijumu na temperaturama T0=300K i T1=400K, ako je koncentracija
donorskih primesa NA=1016cm-3.
S obzirom da su već na sobnoj temperaturi T0 sve primese jonizovane, to znači
p0(T0) ≈ p0(T1) ≈ NA = 1016 cm-3
≈ 0.182 eV
≈ 0.257 eV
T0 = 300K
T1 = 400K
kT
EENp VF
v exp0
A
vVF
N
T
T
T
TkT
p
NkTEE
2/3
0
19
0
0
0
1008,1
lnln
16
19
010
1008,1ln026,0)(
TEE VF
16
2/3
19
110
300
4001008,1
ln300
400026,0)(
TEE VF
Sopstveni poluprovodnik
Broj slobodnih elektrona n0 je jednak broju
slobodnih šupljina p0
n0 = p0 = ni = pi
kT
EEN
kT
EENn VFi
vFiC
ci expexp
Korišćenjem prethodnih izraza može se
odrediti položaj Fermijevog nivoa u
sopstvenom poluprovodniku:
8,2
08,1ln
22ln
22
kTEE
N
NkTEEEE vC
c
vVC
iFi
22
g
V
g
CiFi
EE
EEEE
Fermijev nivo se nalazi približno na sredini zabranjene zone!!
22
g
V
g
CiFi
EE
EEEE
kT
EENn FC
c exp0
kT
EENp VF
v exp0
kT
ENn
g
ci2
exp
kT
ENp
g
vi2
exp
2 expg
i i i c v
En p n N N
kT
kT
EENN
kT
EENN
kT
ENNn Vi
vciC
vc
g
vci expexp2
exp
Zavisnost sopstvene koncentracije nosilaca od temperature
exp2
g
i c v
En N N
kT
Sopstvena koncentracija
nosilaca raste sa
povećanjem temperature!!
Šira zabranjena zona
Manja sopstvena
Koncentracija nosilaca
T
Primer 3. Ako je na temperaturama od T0=300K i T1=400K širina zabranjene
zone Eg(300K) = 1.1eV i Eg(400K) = 1.09eV, respektivno, izračunati koncentracije
sopstvenih nosilaca naelektrisanja na tim temperaturama.
69 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
Transport nosilaca naelektrisanja(obradićemo direktno na p-n spoju!)
Drift nosilaca naelektrisanja
Specifična otpornost i provodnost
homogenih poluprovodnika; driftovska
struja
Difuzija u poluprovodnicima; difuziona
struja
Ukupna struja; Ajnštajnova relacija
71 5/2/2019
Osnovne osobine
poluprovodnika
Osnovne osobine poluprovodnika
Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja
Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima
Energetske zone
Primesni poluprovodnici
Koncentracije nosilaca naelektrisanja pri termodinamičkoj ravnoteži
Transport nosilaca naelektrisanja
Rekombinacija u poluprovodnicima
Osnovne osobine Ge, Si, GaAs i SiO2
Rekombinacija u poluprovodnicima
Rekombinacija elektrona i šupljina je proces u kojem
dolazi do anihilacije oba nosioca, tj. elektron zauzima u
jednom, ili iz više koraka upražnjeno mesto.
Usled razlike u energiji koju elektron ima pre i posle
procesa, ovaj proces je praćen emisijom energije i u
zavisnosti od toga kakva je ta emisija procesi
rekombinacije se mogu podeliti na radijativne, kod kojih
dolazi do emisije fotona, i neradijativne kod kojih se
oslobodjena energija u vidu kinetičke energije predaje
drugom elektronu.
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 73
SRH
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 74
Zašto silicijum? Prvi materijal koji je korišćen u poluprovodničkoj industriji
je bio germanijum (Ge).
Si činenice Ime je dobio od latinske reči “silex” ili “silicis” što znaći kvarc (“flint”)
Si je 2nd najzastupljeniji element (25.7% ukupne težine) (1st je kiseonik)
Zašto Si?
Širina zabranene zone i radna temperatura
• Si (1.12 ev), Ge (0.66 eV)
• Si do ~ 150 °C a Ge do ~ 100 °C.
Lakše formiranje pasivizacionog sloja
• GeO2 – teško se formira, rastvorljiv u vodi i disocira na 800 °C.
• SiO2 – lako se formira i hemijski je stabilan
Cena
• Si ima dosta i jeftiniji je (~ 10 puta jeftiniji od Ge)
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 76
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 77
5/2/2019
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 78
Osnovni termini koje razumemo?
Atom
Proton
Elektron
Šupljina
Valentnost
Jonizacija
Slobodni elektroni
Silicijum
Kristalna struktura
Izolatori
Provodnici
Poluprovodnici
Dopiranje
Drift
Difuzija
Rekombinacija
Pitanja na koja znam da odgovorim?
Opiši atom. Šta je elektron, šta valentni elektron, a šta slobodni elektron?
Kako se formira jon?
Koja je osnovna razlika između izolatora i provodnika?
Po čemu se poluprovodnici razlikuju od izolatora i provodnika?
Koliko valentnih elektrona ima bakar?
Navedi bar tri najbolja provodnika.
Koliko valentnih elektrona imaju poluprovodnici?
Koji se poluprovodnik najčešće koristi i zašto?
nastavak!
Kako se formiraju kovalentne veze?
Šta znači termin “sopstveni” poluprovodnik?
Šta je monokristalni silicijum?
Koliko valentnih elektrona imaju Si i Ge?
Da li se slobodni elektroni nalaze u valentnoj ili provodnoj zoni?
Koji su elektroni “odgovorni” za pojavu struje u materijalu?
Šta su šupljine?
Definiši dopiranje
Koja je razlika između petovalentnit i trovalentnih atoma i kako se oni drugačije nazivaju?
nastavak!
Kako se formira n-tip poluprovodnika?
Kako se formira p-tip poluprovodnika?
Šta su većinski nosioci naelektrisanja u n-tipu poluprovodnika?
Šta su većinski nosioci naelektrisanja u p-tipu poluprovodnika?
Kojim procesom se formiraju većinski nosioci naelektrisanja?
Kojim procesom se vormiraju manjinski nosioci naelektrisanja?
Koja je razlika između “inrinsic” i “extrinsic” poluprovodnika?