10semi (Презентации лекций)

Полупроводниковые материалы-Основные типы полупроводниковых материалов.-Квазихимический формализм описания дефектов.-Полупроводниковая техника.-Гетероструктуры и сверхрешетки.-Квантовые точки.-Термисторы, магнитные полупроводники.-Термоэлектрические явления.-Полупроводниковые лазеры.-Проблемы и тенденции в современной химии итехнологии полупроводников.Лекция 10.

ПолупроводникиОпределенияПолупроводники – материалы (кристаллы, поликристаллические и аморфныематериалы, элементы или соединения) с существованием запрещенной зоны (междузоной проводимости и валентной зоной).Тип п/п ФазаEзапр., эВAIVалмаз5.4Следствие:Si1.1-полупроводники занимаютGe0.67промежуточное положение поAIVBIV SiC3.10электропроводности между металлами3.60AIIIBV GaNи диэлектриками;GaAs1.52InP1.40-электропроводность полупроводниковInSb0.22падает при понижении температурыAIIBVI ZnO3.20(у металлов обычно растет).ZnSe2.80CdTe1.51PbSe0.27Лекция 10. ПолупроводникиЗонная теорияAO – MO – зоны (св., разр.)P(Si)=PSix = PSi•+e’B(Si)=BSix = BSi’+h•Собственная проводимость – проводимость кристалла, обусловленная дрейфом носителей заряда при ихтермическом возбуждении из валентной зоны в зону проводимости (концентрация электронов равнаконцентрации дырок, концентрация зависит от ширины запрещенной зоны: ni=pi=CT-3/2exp(-E/kT)).Проводимость за счет свободных носителей, делокализованных с примесных центров - примесная (n илиp=2(NNc)1/2exp(-E’/kT), N – общая концентрация примесных центров, Nc – плотность состояний в зонепроводимости (для электронов, в валентной зоне – для дырок), E’ – энергия ионизации доноров/акцепторов ~0.01-0.1 эВ).Лекция 10.

ПолупроводникиПроводимость107-1015 см-3Для увеличения протяженности области насыщения (2), в которой свойстваполупроводников наименее чувствительны к температурным колебаниям, припрактическом использовании полупроводников-выбирают материалы с широкой запрещенной зоной,-выбирают легирующие добавки, для которых донорные (акцепторные) уровнинаходятся вблизи края валентной зоны (зоны проводимости).Лекция 10. ПолупроводникиУровни ФермиЛекция 10.

ПолупроводникиЭффект Холла (1879 г.)-знак-концентрация-подвижностьЭ.д.с. Холла = (-1/ne)HI/d,d – толщина образцаносителей зарядаЛекция 10. ПолупроводникиКвазихимические приближенияПрописная буква – тип дефекта:A, B, … – атомы, V – вакансия (h – дырка, e – электрон).Нижний индекс – в какой позиции находится дефект:AA – атом в регулярном узле, AB – атом в «чужой» подрешетке, Ai – атомв междоузлии, Vi – свободное междоузлие.Верхний индекс – (эффективный) заряд – заряд атомов или вакансий поотношению к нормальным составляющим решетки:x – нейтральный, • - положительный, ‘ – отрицательный(количество надстрочных индексов соответствует величине заряда)Дефекты рассматриваются как квазичастицы, к которым применимызаконы сохранения заряда, вещества и количества окружающих даннуюпозицию «противо»узлов (образование вакансии катиона должноавтоматически привести к эквивалентным изменениям в анионнойподрешетке и наоборот).Дефекты Шоттки – вакансии (в катионной и анионной подрешктке),дефекты Френкеля – переход атома в междоузлие, антиструктурныедефекты – обмен эквивалентного атомов/ионов между подрешетками.Лекция 10.

ПолупроводникиОценка концентрации дефектов (1)Бинарный кристалл MX, находящийся вравновесии с газовой фазой, в которойпри T=const изменяется парциальноедавление неметалла (и доминируютдефекты по Шоттке – «0»):0 = VMx + VXx (1), [VMx][VXx] = KsVMx = VM’ + h• (2), [VM’]*p*[VMx]-1 = KaVXx = VX• + e’ (3), [VX•]*n*[VXx] = Kb0 = e’ + h• (4), n*p = Ki(n, p – концентрации электронов и дырок,s, a, b, i - константы равновесияпроцессов разупорядочения по Шоттки,по акцепторному, донорному типам исобственного электронногоразупорядочения.)(1)-(3): 0 = VM’ + VX• (5), [VM’][VX•] = Ks’Электронейтральность и баланс узлов:n + [VM’] = p + [VX•] (6)δ = [MMx] - [Xxx] = [VXx] + [VX•] – [VMx] –[VM’] (7), δ - отклонение от стехиометрииЛекция 10. ПолупроводникиОценкаконцентрациидефектов(2)Равновесие кристалла с газовой фазой:½ X2 = XXx + VMx (9), [XXx][VXx]/pX21/2 = [VMx]/pX21/2 = Kx2vПо методу апроксимации Броуэра строят графики зависимостей ln(i)=f(lnR) и lnδ =f(lnR) (10), где i – концентрация того или иного типа дефектов, R = Kx2v*pX21/2Предположим, что кристалл - ионный полупроводник.

При низких парциальныхдавлениях неметалла [VMx] ~0, a [VXx] – велика (ур. 1). Поэтому велики также (ур. 3) иконцентрации VX• и электронов.Уравнение электронейтральности можно апроксимировать как n=[VX•].Следовательно, выполняются следующие соотношения:[VXx] ~ R-1n ~ R-1/4(уменьшаются)p ~ R1/2[VMx] ~ R1/2[VM’] ~ R(возрастают)При увеличении R [VM’]=n, а затем >n. Уравнение электронейтральности затем можноапроксимировать как [VM’]=[VX•].♦Изменение типа проводимости бинарного кристалла с изменением его состава (и/илисостава газовой атмосферы). При низком pX2 – электронная проводимость, а привысоком – дырочная.Лекция 10. ПолупроводникиОценка концентрации дефектов (3)Лекция 10.

ПолупроводникиКонтакт с металлом и p-n-p переходОдносторонняя проводимостьконтактов металл- полупроводник –полупроводниковые выпрямители.... При контакте полупроводников p- иn- типов проводимость возможна тожев одном направлении –полупроводниковый диод.В эмиттере транзистора (Э)концентрация дырок ~ в 100 развыше, чем в концентрация электроновв базе (Б). База – управляемая частьтранзистора, определяющая ток наколлекторе (К).Лекция 10. ПолупроводникиП/п лазерыПолучение стимулированного излучениявозможно лишь при достиженииинверсной заселенности уровней(отрицательная температура):-нарушение внутризонного равновесия(перевод электронов из нижней части зоныпроводимости в верхнюю, рекомбинацияза 10-13 c)-нарушение межзонного равновесия(перевод электронов в валентную зону,рекомбинация за 10-3 – 10-9 с)Ж.Алферов (Иоффе ФТИ) –Нобелевская премия 2001Накачки:-оптическая,-электронно-лучевая,-инжекция электронов и дырок через p-nпереход (при приложении напряжения,снимающего протенциальный барьерперехода электронов между донорной иакцепторной частями, GaAs, InAs, InSb).Рекомбинация сопровождаетсяинтенсивным излучением фотонов.Лекция 10.

ПолупроводникиУстройство «светодиода»Лекция 10. ПолупроводникиФотоэлементыФототокIф=eRL,R- количествоэлектронов,создаваемых светомв 1 с., L – диффузионная длинадырок.-энергия квантов должна бытьдостаточна для генерации парe-h,-расстояние p-n перехода отосвещенной поверхности меньшедиффузионной длины дырок.Ток утечки:Iv=Is(e(eVф/kT)-1)КПД ~ 10-30%Холостой ход фотоэлемента(стационарное состояние):Vф=(kT/e)ln(1+eRL/Is)Лекция 10. ПолупроводникиПреобразование солнечной энергииhttp://acre.murdoch.edu.au/refiles/pv/text.htmlЛекция 10.

ПолупроводникиТипы фотоэлементов-Монокристаллические-Поликристаллические-альфа-кремнийконцентраторы⇒Лекция 10. ПолупроводникиКвантовые точкиЛекция 10. ПолупроводникиЭффект ПельтьеПри пропускании электрическоготока в определенном направлениина границе двух разнородныхпроводников выделяется теплота(или поглощается в зависимости отнаправления пропускания тока) –электроны переходят из одногопроводника в другой, пока невозникнет эдс, препятствующаядальнейшему переходу (разныеположения уровней Ферми).Лекция 10. ПолупроводникиНаличие градиентатемпературы вдольоднородного проводникаприводит к эдс – из-заразности распределенийэлектронов проводимостипо энергиям на холодном игорячих концахпроводника.ТермопарыВ обоих контактах (измерительный и холодный спаи)возникает как эдс Пелтье, так и эдс Томсона(различны температуры и температурные градиенты).Результирующая по всему контуру эдс равна ихалгебраической сумме и, как правило, отлична отнуля. В результате по контуру будет идти ток,зависящий от разности температур спаев (эффектЗеебека).Лекция 10.

ПолупроводникиПолучение полупроводников• Рост монокристаллов методом Чохральскогоили Бриджмена, механическая обработка(полупроводниковая техника)• Напыление тонких и толстых пленок(фотоэлементы, солнечные источники тока)• Фотолитография и CVD (большиеинтегральные схемы – компьютерная техника)• Жидкофазная эпитаксия (элементы солнечныхбатарей)• ...Лекция 10. ПолупроводникиПрименение-Транзисторы-БИС-Термисторы-Фотоэлементы-Фотодиоды-П/п лазеры-Преобразование солнечной энергии в электрическуюЛекция 10. ПолупроводникиКонтрольные вопросы1.2.3.4.5.6.7.8.9.Какие основные параметры / свойства отличают полупроводники от металлов идиэлектриков?Какие легирующие добавки вызовут в германии образование донорных иакцепторных уровней? Опишите это с помошью квазихимических символов.Какой уровень легирующих добавок обычно используется вполупроводниковой технике и какова чистота обычно используемыхматериалов?Что такое p-n-p переход и почему он произвел в свое время переворот вэлектронике? Существуют ли устройства с «n-p-n переходом» и почему?В каких случаях собственная проводимость полупроводника может быть вышепримесной и наоборот?Как с помошью эффекта Холла измеряют концентрацию и подвижностьносителей заряда?На каком принципе работают фотоэлементы? Как управлять их спектральнойчувствительностью?Какие максимальные КПД достигнуты сейчас для преобразования солнечнойэнергии в электрическую и как можно повысить этот коэффициент?За счет чего в полупроводниковых лазерах достигается «отрицательная»абсолютная температура (почему говорят об «отрицательной» температуре)?Опишите устройство термопары (кратко).

На каких принципах основаноизмерение температуры с помошью термопар? Приведите наиболее типичныекомбинации сплавов, используемых для низко- и высокотемпературныхтермопар.Лекция 10. ПолупроводникиЛитература1.2.3.4.5.А.Вест, Химия твердого тела, т.2Современная кристаллография, т.4Ю.Д.Третьяков, Химия нестехиометрическихокислов, М.:МГУ, 1974, 363 с.Ю.Д.Третьяков, Твердофазные реакции, М.:Химия,1978, 359 с.Ф.Крегер, Химия несовершенных кристаллов,М.:Мир, 1969, 654 с.Лекция 10. Полупроводники.