Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektronske komponente
Poluprovodnicka svojstva silicijuma
Univerzitet u Nišu, Elektronski fakultetKatedra za mikroelektroniku
Z. Prijic – predavanja 2014.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
PoluprovodniciSemiconductors
Materijali cija se vrednost specificne elektricne provodnostinalazi izmedu izolatora i provodnika nazivaju se polupro-
vodnici. Poluprovodnici mogu biti hemijski elementi ili je-dinjenja. Elementi pripadaju IV-oj grupi periodnog sistema,dok se jedinjenja tipicno formiraju kao dvokomponentna,od elemenata iz III i V ili II i VI grupe, iako mogu biti itrokomponentna.Za sve poluprovodnike karakteristicno je da im se speci-ficna elektricna provodnost može povecati primenom teh-noloških postupaka kojima se modifikuje njihov hemijskisastav.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Poluprovodnici
12 13 14 15 16
2
3
4
5
6
5
B
13 14 15 16
Al Si P S
30 31 32 33 34
Zn Ga Ge As Se
48 49 50 51 52
Cd In Sn Sb Te
80 81 82 83
Hg Tl Pb Bi
Grupa
Perioda
IIIA IVA VAIIB VIA
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
PoluprovodniciPoluprovodnicke komponente
Elektronske komponente koje su napravljene na bazipoluprovodnickih materijala nazivaju sepoluprovodnicke komponente (SemiconductorDevices).
Iz ekonomskih i tehnoloških razloga za proizvodnjupoluprovodnickih komponenata se najviše koristisilicijum (Si).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Kristalna struktura silicijumaAtomska struktura
Silicijum je, posle gvožda, drugi element po rasprostranje-nosti u Zemljinoj kori i ucestvuje u sastavu vecine stena kojecine njenu površinu. Atom silicijuma sastoji se od jezgra koje u sebi sadrži
14 protona i isto toliko neutrona, oko koga kruži 14elektrona.
Cetiri elektrona koja su najudaljenija od jezgrapredstavljaju valentne elektrone. Ovi elektroniucestvuju u stvaranju kovalentnih veza izmedu atomasilicijuma.
Svaku vezu cini par elektrona, unutar koje po jedanelektron pripada po jednom od dva susedna atoma.
Kovalentnih veza ima cetiri, tako da se formiraju struktureu obliku tetraedra.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Kristalna struktura silicijumaSimbolicki prikaz medusobne povezanosti atoma silicijuma: atomi supredstavljeni sferama, a kovalentne veze cilindrima.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Kristalna struktura silicijumaKristalna rešetka
Svaki atom silicijuma povezan je sa cetiri susedna atoma.Ovakav raspored atoma omogucava konstrukciju zamišljenekocke koja cini jedinicnu celiju kristalne rešetke silicijuma.Stranica kocke se naziva konstanta rešetke. Translacijom je-dinicne celije za konstantu rešetke duž prostornih osa (x, y
i z) dobija se kristalna rešetka silicijuma.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Kristalna struktura silicijumaKristalna rešetka
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Kristalna struktura silicijumaTipovi silicijuma
U zavisnosti od uniformnosti kristalne rešetke, mogu se raz-likovati tri tipa silicijuma: monokristalni — kristalna rešetka je uniformna na
makroskopskom nivou; polikristalni — kristalna rešetka je uniformna na
mikroskopskom nivou; amorfni — kristalna rešetka nije uniformna.
Sva tri tipa silicijuma se koriste u proizvodnji poluprovod-nickih komponenata. Na dalje ce se razmatranja odnositisamo na monokristalni silicijum.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricna provodnostSlobodni nosioci naelektrisanja
Osnovni uslov za elektricnu provodnost bilo kog materijalapredstavlja postojanje slobodnih nosilaca naelektrisanja utom materijalu. Teorijski posmatrano, na temperaturi apsolutne nule
svi elektroni ucestvuju u kovalentnim vezama, pa sesilicijum ponaša kao izolator.
Porast temperature izaziva vibracije atoma unutarkristalne rešetke, što deluje kao pobuda kojaomogucava pojedinim elektronima da raskinukovalentnu vezu i oslobode se od maticnog atoma. Nataj nacin oni postaju slobodni nosioci naelektrisanja.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricna provodnostElektroni i šupljine, koncentracija nosilaca, termicka ravnoteža
Kada se elektron oslobodi od maticnog atoma, on zasobom ostavlja „šupljinu“ (hole) koja se, uelektricnom smislu, može posmatrati kao pozitivnonaelektrisanje po apsolutnoj vrednosti jednakonaelektrisanju elektrona.
Uobicajeno je da se broj slobodnih nosilacanaelektrisanja izražava po jedinici zapremine (cm−3)pa se tako uvodi pojam koncentracija nosilaca.
Termicka ravnoteža je stanje u kome napoluprovodnik ne deluje nikakva spoljašnja pobuda(elektricno i magnetno polje, gradijent temperature,itd.).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricna provodnostKretanje šupljina
Atom teži da upotpuni nepotpunu kovalentnu vezu(predstavljenu šupljinom).
Zbog toga oni „izvlaci“elektron iz kovalentne vezenekog od susednih atoma, pomocu koga popunjavašupljinu.
Na mestu „izvucenog “elektrona susednog atomaostaje nova šupljina.
Nova šupljina se popunjava na ekvivalentan nacin.
Kretanje šupljina kroz kristal silicijuma je prividno, jer se ustvari krecu elektroni koji ih popunjavaju (ostavljajuci pritome za sobom nove šupljine).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricna provodnostKretanje šupljina
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricna provodnostKoncentracija sopstvenih nosilaca (Intrinsic Carrier Concentration)
U hemijski cistom (intrinsic) silicijumu, u termickoj ravno-teži, koncentracija slobodnih elektrona n0 jednaka je kon-centraciji šupljina p0:
ni = n0 = p0 (cm−3) . (1)
n0p0 = n2i (2)
Na sobnoj temperaturi T = 300K koncentracija sopstvenihnosilaca je ni = 1.01× 1010 cm−3. Zbog toga silicijum po-seduje specificnu elektricnu provodnost na sobnoj tempera-turi i ona iznosi σ ≃ 4.35× 10−6
Ω−1 cm−1. Ova vrednost
specificne provodnosti je za više redova velicine manja uodnosu na provodnosti metala, pa se silicijum svrstava upoluprovodnike.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricna provodnostZavisnost koncentracije sopstvenih nosilaca u silicijumu od temperature
109
1010
1011
1012
1013
275 300 325 350 375
ni(c
m-3
)
T(K)
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Zonalna reprezentacija energetskih nivoaEnergetske zone, valentna zona
Svaki elektron unutar materijala poseduje odredenudiskretnu vrednost energije koja se naziva energetski
nivo. Skup po vrednosti bliskih energetskih nivoa može se
predstaviti kao podrucje koje se naziva energetska
zona. Skup energija valentnih elektrona (onih koji
ucestvuju u stvaranju kovalentnih veza izmeduatoma) odreduje podrucje valentne zone (valenceband), a maksimalna vrednost energije koju neki odnjih može imati odreduje energiju vrha valentne zoneEv.
Teorijski posmatrano, na temperaturi apsolutne nulesvi valentni elektroni imaju energije koje se nalaze uopsegu energija valentne zone.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Zonalna reprezentacija energetskih nivoaPojednostavljeni model energetskih zona u silicijumu.
E
Ec
Ev
Eg
valentna zona
provodna zona
zabranjena zona
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Zonalna reprezentacija energetskih nivoaProvodna i zabranjena zona
Da bi elektron postao slobodan potrebna mu je dodatnaenergija ciji izvor može biti temperatura ili neka druga vrstapobude. Skup energija slobodnih elektrona cini podrucje
provodne zone (conduction band), a minimalnavrednost energije koju neki od njih može da imaodreduje energiju dna provodne zone Ec.
Minimalna energija koju je potrebno dodati elektronuda bi prešao iz valentne u provodnu zonu jednaka jerazlici energetskih nivoa dna provodne i vrhavalentne zone. Ovim se definiše zabranjena zona
(bandgap) energetske širine Eg:
Eg = EC − EV . (3)
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Zonalna reprezentacija energetskih nivoaZavisnost širine zabranjene zone silicijuma od temperature
1.100
1.105
1.110
1.115
1.120
1.125
1.130
275 300 325 350 375
Eg(e
V)
T (K)
Sa porastom temperature smanjuje se energija koju je po-trebno dodati elektronu da bi prešao iz valentne u pro-vodnu zonu⇒ koncentracija sopstvenih nosilaca raste.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Zonalna reprezentacija energetskih nivoaGeneracija i rekombinacija
Proces oslobadanja elektrona iz kovalentnih veza iprelazak iz valentne u provodnu zonu naziva segeneracija slobodnih nosilaca naelektrisanja. Na ovajnacin, u elektricnom smislu, nastaje parelektron–šupljina.
Slobodni elektroni se nasumicno krecu unutarkristalne rešetke i tom prilikom dolaze u blizinušupljina. Tada bivaju privuceni od strane šupljina iovaj proces se naziva rekombinacija. Rezultatrekombinacije je nestanak para elektron–šupljina.
U termickoj ravnoteži su neto koncentracije elektrona i šup-ljina jednake i ne zavise od vremena, što je posledica cinje-nice da se procesi generacije i rekombinacije odvijaju istimbrzinama.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Zonalna reprezentacija energetskih nivoaGeneracija i rekombinacija
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Zonalna reprezentacija energetskih nivoaGeneracija i rekombinacija pod dejstvom spoljašnje pobude
Parovi elektron–šupljina mogu biti stvoreni i pod dejstvomspoljašnje pobude. Na primer, poluprovodnik može biti iz-ložen elektromagnetnim talasima u vidu svetlosti tako dau njega prodiru fotoni energije hν koja je veca od energijeEg. U tom slucaju upadni foton predaje svoju energiju elek-tronu i prebacuje ga iz valentne u provodnu zonu, cime sestvara par elektron–šupljina. Tako nastaju natkoncentracije
(excess) elektrona i šupljina. Neto koncentracije elektronai šupljina su tada uvecane u odnosu na ravnotežne.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaSilicijum n i p tipa
Elektricna provodnost silicijuma se može povecatiugradnjom atoma drugih hemijskih elemenata unjegovu kristalnu rešetku.
Atomi koji se ugraduju se nazivaju primesni atomi
(impurities), a sam proces ugradnje se nazivadopiranje (doping).
Dopiranje se može izvršiti tako da se povecakoncentracija slobodnih elektrona ili šupljina. Uprvom slucaju se dopirani silicijum naziva silicijumn-tipa, a u drugom silicijum p-tipa.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaSilicijum n–tipa, donori
Povecanje koncentracije slobodnih elektrona usilicijumu postiže se ugradnjom atoma iz V grupeperiodnog sistema (npr. fosfora) u njegovu kristalnurešetku.
Ovi elementi imaju po 5 valentnih elektrona, od kojih4 ucestvuju u kovalentnim vezama sa susednimatomima silicijuma.
Peti valentni elektron se prakticno može smatratislobodnim.
Svaki primesni atom dodaje po jedan slobodnielektron silicijumu pa se ovakvi atomi nazivajudonori.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaModel kristalne rešetke silicijuma sa donorskim primesama.
donorski atom
slobodni elektron
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaSilicijum p–tipa, akceptori
Povecanje koncentracije šupljina u silicijumu postižese ugradnjom atoma iz III grupe periodnog sistema(npr. bora) u njegovu kristalnu rešetku.
Ovi elementi imaju po 3 valentna elektrona i sviucestvuju u kovalentnim vezama sa susednimatomima silicijuma.
Jedna kovalentna veza, zbog nedostatka cetvrtogelektrona, ostaje neformirana, pa se može smatrati dana tom mestu postoji šupljina.
Svaki primesni atom „oduzima“ po jedan elektronsilicijumu pa se ovakvi atomi nazivaju akceptori.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaModel kristalne rešetke silicijuma sa akceptorskim primesama.
akceptorski atom
šupljina
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaSpecificna elektricna otpornost dopiranog silicijuma
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaVecinski i manjinski nosioci naelektrisanja
Specificna elektricna otpornost silicijuma se možepromeniti unošenjem primesnih atoma (donora iliakceptora).
Silicijum n–tipa ima višak elektrona. Elektroni suvecinski, a šupljine manjinski nosioci naelektrisanja.
Silicijum p–tipa ima višak šupljina. Šupljine suvecinski, a elektroni manjinski nosioci naelektrisanja.
Treba primetiti da primesni atomi znacajno uticu na po-vecanje koncentracije slobodnih nosilaca naelektrisanja usilicijumu u odnosu na koncentraciju sopstvenih nosilaca.Tipicno, silicijum se dopira primesnim atomima u opsegukoncentracija 1014
÷ 1021cm−3.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaKoncentracije vecinskih i manjinskih nosilaca naelektrisanja utermodinamickoj ravnoteži
Ako je koncentracija primesnih atoma u silicijumun–tipa ND, onda je broj slobodnih elektrona n0 ≃ ND:
n0p0 = NDp0 = n2i (4)
Ako je koncentracija primesnih atoma u silicijumup–tipa NA, onda je broj slobodnih šupljina p0 ≃ NA:
n0p0 = n0NA = n2i (5)
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Dopiranje silicijumaKoncentracije vecinskih i manjinskih nosilaca naelektrisanja utermodinamickoj ravnoteži - primer
Na T = 300K je ni ≃ 1× 1010 cm−3. Ako je ND = 5× 1015 cm−3, onda je broj šupljina:
p0 =n2
i
ND
=1× 1020
5× 1015 = 2× 104 cm−3
Ako je NA = 2× 1016 cm−3, onda je broj elektrona:
n0 =n2
i
NA
=1× 1020
2× 1016= 5× 103 cm−3
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricne karakteristikeDejstvo spoljašnjeg naponaPod dejstvom spoljašnjeg napona, unutar silicijuma se us-postavlja elektricno polje, koje stvara usmereno kretanjeslobodnih nosilaca naelektrisanja.
Kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja unutar silicijumapod dejstvom spoljašnjeg elektricnog polja naziva se drift
(drift).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricne karakteristikeDriftovske brzine elektrona i šupljina, pokretljivost
Unutra silicijuma elektroni i šupljine se, pod dejstvom elek-tricnog polja ~E, krecu driftovskim brzinama:
~vdn = −µn~E , (6)
~vdp = µp~E . (7)
Velicine µn i µp predstavljaju pokretljivost (mobility) elek-trona i šupljina, respektivno. Jedinica za pokretljivost jecm2 V−1 s−1. Pokretljivost generalno opada sa porastom tem-perature i koncentracije primesa. Pokretljivost šupljina je,
za istu koncentraciju primesa i temperaturu, tipicno 2–3 puta
manja od pokretljivosti elektrona!
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Elektricne karakteristikeSpecificna elektricna otpornost i Omov zakon
Specificna elektricna otpornost je:
ρ =1
q(µnn+µpp)(Ω cm) , (8)
pri cemu su n i p koncentracije slobodnih elektrona i šup-ljina, respektivno (q = 1.6× 10−19 C). Jacina struje krozsilicijum I je proporcionalna spoljašnjem naponu V:
I
S=
1
ρ·
V
l, (9)
pri cemu je S poprecni presek, a l dužina komada silicijuma.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spojpn (ili p-n) Junction
Dva komada silicijuma koji su uniformno dopirani akcep-torskim i donorskim primesama koncentracija NA i ND, res-pektivno.
Neka je NA > ND.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spojMetalurški spoj (Metalurgical Junction)
Silicijum p–tipa i silicijum n–tipa se spajaju.
Zamišljena linija dodira predstavlja metalurški spoj.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spoj
---------
---------
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
n-oblastp-oblast
metalurški
spoj
osiromašena oblast Wd
negativni
akceptorski
joni
pozitivni
donorski
joni
IDiff
IDrift
0-xp xn
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spojFormiranje osiromašene oblasti
Elektroni iz n-oblasti prelaze u p-oblast, ostavljajuciza sobom pozitivno naelektrisane donorske jone.
Unutar p-oblasti elektroni se rekombinuju sašupljinama, tako da se formiraju negativnonaelektrisani akceptorski joni (ovaj proces seelektricno može posmatrati kao da su šupljine prešleiz p-oblasti u n-oblast, ostavljajuci za sobomnegativno naelektrisane akceptorske jone).
Joni su fiksirani unutar kristalne rešetke i elektricnopredstavljaju razdvojena naelektrisanja. Zbog toga seu okolini p-n spoja formira elektricno polje.
Elektricno polje je usmereno tako da se suprotstavljadaljem kretanju elektrona iz n-oblasti u p-oblast.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spojDifuzija, ugradeno polje
Kretanje elektrona i šupljina na pn spoju nastaje usledgradijenta koncentracije (koncentracija elektrona jeveca u n–oblasti negou u p–oblasti; koncentracijašupljina je veca u p–oblasti nego u n–oblasti)
Kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja usledpostojanja gradijenta koncentracije naziva se difuzija
(diffusion). Oblast u kojoj su ostali samo joni naziva se
osiromašena oblast (depletion region), jer u njoj nemaslobodnih nosilaca naelektrisanja.
Elektricno polje na osiromašenoj oblasti naziva seugradeno polje.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spojDifuzona i driftovska struja
Kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja usledpostojanja gradijenta koncentracije stvara difuzionustruju IDiff .
Unutar osiromašene oblasti dešava se termalnageneracija slobodnih nosilaca naelektrisanja: unutar p–oblasti generišu se elektroni; pod dejstvom
ugradenog elektricnog polja oni prelaze u n–oblast. unutar n–oblasti generišu se šupljine; pod dejstvom
ugradenog elektricnog polja one prelaze u p–oblast.
Kretanje termalno generisanih slobodnih nosilacanaelektrisanja usled postojanja ugradenog elektricnogpolja stvara driftovsku struju IDrift.
Sistem ulazi u termicku ravnotežu kada je:
IDiff = IDrift
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spojUgradeni napon (Built–in Voltage)
Ugradeno elektricno polje stvara na osiromašenoj oblastipotencijalnu barijeru, koja se može izraziti kao napon:
Vbi =kT
qln
NDNA
n2i
= Vt ln
NDNA
n2i
. (10)
Napon Vbi naziva se ugradeni napon pn spoja. Napon Vt
naziva se termicki napon:
Vt =kT
q, (11)
pri cemu je k = 1.38× 10−23 J K−1 Bolcmanova konstanta.Na T = 300K je Vt ≃ 26mV.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
pn spojŠirina osiromašene oblasti
Osiromašena oblast nije simetricna u odnosu na metalurškispoj. Šira je na onoj strani na kojoj je koncentracija pri-mesnih atoma manja. Ukupna širina osiromašene oblastije:
Wd =
√
√
√2ǫsq
1
NA
+1
ND
Vbi, (12)
gde je ǫs = ǫ0×ǫSi = 1.04× 10−12 F cm−1 dielektricna kons-tanta silicijuma (ǫ0 = 8.85× 10−14 F cm−1 – dielektricnakonstanta vakuuma, a ǫSi = 11, 8 – relativna dielektricnakonstanta silicijuma).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaSilicijumski supstrat
Ingot
Homogeno je dopiran primesama (npr. n–tipa).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaOksidacija
n-supstrat
SiO2
dox
Sloj silicijum–dioksida (SiO2) na supstratu.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaFotolitografija
n-supstrat n-supstrat
SiO2SiO2
fotorezist fotorezist
fotomaska
ekspozicija
Nanošenje fotorezista (levo) i maskiranje i ekspozicija (desno).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaFotolitografija
n-supstrat n-supstrat
SiO2SiO2
fotorezist fotorezist
Nagrizanje fotorezista (levo) i silicijum–dioksida (desno).
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaFotolitografija
n-supstrat
SiO2
Struktura nakon završenog fotolitografskog postupka.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaJonska implantacija
n-supstrat
SiO2
sloj implantiranih jona
snop jona
Proces ubacivanja primesa u obliku jona u silicijum.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaDifuzija
n-supstrat
SiO2
p-difuzija
p-n spoj
xj
0,7xj
x
Tokom procesa difuzije dolazi do redistribucije primesnihatoma koji su uneti jonskom implantacijom u dubinu sups-trata.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaProfil primesa na pn spoju
1019
1018
1017
1016
1015
1014
1013
1012
1011
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
x (µm)
Kon
cen
traci
ja p
rim
esa
(cm
-3)
p
n
xj
fosfor (n-supstrat)
bor (p-difuzija)
neto koncentracija
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaMetalizacija
n-supstrat
SiO2
p-difuzija
metal
metal
n+
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaPasivizacija
n-supstrat
SiO2
p-difuzija
metal
metal
n+
CVD oksid
CVD — Chemical Vapour Deposition.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaPlocica (wafer) nakon procesiranja
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spojaEnkapsulacija
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Formiranje pn spoja
Sortiranje prema elektricnim karakteristikama. Obeležavanje. Grupno pakovanje.
Na osnovu rezultata testova komponente se sortiraju u pod-grupe i obeležavaju na odgovarajuci nacin, tipicno sufiksomu nazivu (npr. bipolarni tranzistor BC547 se pojavljuje kaoBC547A, BC547B i BC457C). Glavna razlika izmedu pod-grupa je u opsegu vrednosti pojedinih kriticnih elektricnihparametara. Što je opseg širi, to je vece rasipanje para-metara (manufacturing spread) unutar jedne podgrupe, tj.komponenta je, uslovno receno, manje prihvatljiva za zah-tevnije primene. Tipican primer je klasifikacija mikropro-cesora u racunarskoj industriji.
Elektronskekomponente
Poluprovodnici
Poluprovodnickasvojstva silicijuma
Kristalna strukturasilicijuma
Elektricnaprovodnost
Zonalnareprezentacijaenergetskih nivoa
Dopiranjesilicijuma
Elektricnekarakteristikedopiranogsilicijuma
pn spoj
Formiranje pnspoja(informativno)
Završne napomene
Završne napomeneDodatna literatura
Studenti se upucuju na rukopis pod naslovom:"Uvod u poluprovodnicke komponente i njihovu primenu".Mole se studenti prve godine da procitaju Predgovor ovogrukopisa, u kome je naznaceno koji deo materijala se od-nosi na predmet ELEKTRONSKE KOMPONENTE.
Top Related