Varauksenkuljettajien diffuusio. Puolijohteissa varauksenkuljettajat diffusoituvat termisen energian vaikutuksesta (k B

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Varauksenkuljettajien diffuusio. Puolijohteissa varauksenkuljettajat diffusoituvat termisen energian vaikutuksesta (k B"

Arto Turunen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Varauksekuljettajie iffuusio Puolijohteissa varauksekuljettajat iffusoituvat termise eergia vaikutuksesta (k B T) suuremmasta kosetraatiosta ieemaa (/ tai /) ( if ) ( if ) D, D ( ) D D iffuusiokerroi ( ) Diffuusio o ilmiö, jossa (molekyylit) yrkivät siirtymää väkevämmästä itoisuuesta laimeamaa tasoittae maholliset itoisuuserot aja mittaa. Partikkeli siirtyy aikaltaa sellaisee aikkaa, missä ei ole artikkelia. Sokeri sekoittumie kahvii o eräs esimerkki iffuusiosta. Lämmö voiaa ajatella iffuoituva tasoittae lämötilaerot. ( if ), ( if ) iffuusiovirta O kosetraatiograietti / Partikkelit siirtyvät (virta ) isommasta kosetraatiosta ieemaa (graietta vastaa) / -/ Kosetraatiograietti tasoittuu.

2 Varauksekuljettajie iffuusio- ja rift-komoetit Ulkoie sahkökettä Ε vaikuttaa uolijohteesee (voimavaraus kettä) lektroie ja aukkoje virtatiheyet, ja kokoaisvirtatiheys ( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( D D μ μ istei-relaatio kt D D μ μ

3 5. LIITOKST (UCTIOS) juctio tieristeys materiaali I materiaali II materiaali II materiaali I liitos

4 Materiaalit (kaistarakee, eergiarako, johtavuus, johtavuustyyi) c v g eriste uolijohe metalli materiaali II materiaali I liitos

5 Liitokset Au - Ge SiO -Al trasistori 47 uolijohe metalli eriste metalli Si-SiO Si-Ge uolijohe eriste uolijohe uolijohe

6 Si-Ge PUOLIOHD eergiarako g johtavuustyyi i,, uolijohe uolijohe g1 g g1 g g1 < g g1 g

7 - liitos Si(4) Si(4) B(3) P(5) a aksetori eäuhtaus oori eäuhtaus

8 -liitoste valmistus 1. Kasvatetut liitokset (grow juctios). Seostetut liitokset (alloye juctios) 3. Diffusoiut liitokset (iffuse juctios) 4. Ioi-istutetut liitokset (io imlatatio juctios) kurssi: Mikroelektroiika ja -mekaiika erusteet

9 -liitoste valmistus ja rofiili a a - - a a Metallurgie rajaita: muuttuu -tyyiksi tai äivastoi. -liitoksessa metallurgise rajaia ymäristössä taahtuvat vaaie varauksekuljettajie siirtymät. -liitokse valmistusmeetelmä määrää liitokse eäuhtausrofiili (metallurgise rajaia rofiili)

10 -liitoste rofiili Metallurgie rajaita Metallurgie rajaita Askelliitos (ste juctio) Lieaariliitos (liearly grae juctio) Kurssissa -liitoste omiaisuuet johetaa yleesä askel-liitokselle.

11 -liitoste rofiili Aksetorieäuhtaus (oig) a a ksoetiaalie liitos

12 -liitos: tasaaio-olosuhteet Tasaaiotilateella tarkoitetaa tilaetta, jossa varauksekuljettajie määrät ovat termoyaamisessa tasaaiossa (ei ulkoista jäitettä eikä säteilyä). Tasaaiotilassa elektroikosetraatio johtavuuskaistalla T k B F c c e 0 3 πh T m k B c johtavuuskaista effektiivie tilatiheys Tasaaiotilassa aukkoje kosetraatio valessikaistalla T k B V F V e 0 3 πh T k m B V valessikaista effektiivie tilatiheys

13 -liitos: tasaaio-olosuhteet a Liittämise jälkee -uolelta -uolelle iffusoi aukkoja, ( if ) D jättäe jälkeesä kiehila, ( ) - - -uolelta -uolelle iffusoi elektroeja, ( if ) D jättäe jälkeesä kiehila, ( ) joka o egatiivisesti varautuut. a - a - joka o ositiivisesti varautuut.

14 W - Muoostuut ioli-avaruusvaraus aiheuttaa alueessa W sähköketä, joka tasaaiotilateessa estää varauksekuljettajie siirtymiset. ( ) μ ( ) ( ) D ( ) ( ) μ( ) ( ) D ( )

15 metallurgie rajaita avaruusvaraus Varauksekuljett. kosetraatio eutraali aukkoja - eutraali elektroeja iffuusio-voima iffuusio-voima -voima -voima 0

16 Liitosotetiaali, U 0 (cotact otetial) iffuusio-voima iffuusio-voima -voima 0 -voima Liittämise jälkee liitoksessa vallitsee yaamie tasaaio, jolloi varauksekuljettajie kosetraatioeroista aiheutuvie iffuusiovirtoje if ja sähköketästä aiheutuvie kettävirtoje rift tulee kumota toisesa, eli elektroivirtatiheys ( if ) ( rift ) 0 aukkovirtatiheys ( ) ( rift ) 0 if

17 rift ( ) ( ) 0 if D ( if ) D μ ( ) ( ) μ ( ) 1 ( ) ( ) D ( ) ( ) ( rift ) μ ( ) ( ) o alkeisvaraus, μ o aukkoje liikkuvuus (cm /vs), D o aukkoje iffuusiokerroi (cm /s) ja () o aukkoje tiheys ( ) μ D U kt U( ) 1 ( ) kt ( )

18 U( ) 1 ( ) kt ( ) itegroimalla U kt U U U otetiaali -uolella, U otetiaali -uolella, 0 aukkoje tiheys -uolella, 0 aukkoje tiheys -uolella saaaa ( U U ) kt l otetiaalieroa U 0 U U kutsutaa iffuusiootetiaaliksi U kt 0 l kt a U 0 l a i i

19 kt U 0 l a i Liitosotetiaali arvo riiuu varauksekuljettajie tiheyestä aluee W reuoilla Yleesä liitos o eäsymmetrie eli jomikumi uoli o huomattavasti voimakkaammi seostettu [ ( a >> ) tai ( >> a ) ] sim cm -3 a cm -3 i (300K) 1, cm -3 (kt 6 mv, T 300K) U 0 0,84 V

20 Liitokse avaruusvaraus (sace charge at a juctio) Varauksekuljett. kosetraatio eutraali aukkoja avaruusvarausalue W - eutraali elektroeja 0 Liitosotetiaali U 0 aluetta W kutsutaa moella imellä: avaruusvarausalue (sace charge) tyhjeysalue (eletio regio) trasitioalue (trasitio regio) Tyhjeysalue W muoostuu kahesta osasta W uole tyhjeysaluee laajuus 0 -uole tyhjeysaluee laajuus

21 Oletus: tyhjeysalueessa ja << a, (eletio aroimatio) A liitokse oikkiita Liitokse iolivaraukset kumoavat toisesa A A 0 0 a Varauksista aiheutuva sähkökettä tyhjeysalueessa ( ) ( a ) ε ε uolijohtee ermittiviteetti Yhtälö yksikertaistuu ku tarkastellaa eriksee tyhjeysaluee -uolta ja -uolta ( ) ( ) ε ε a 0 0 ; (>>, >> ) - 0 < < 0 ; a- a (>>, >>)

22 Itegroiaa 0 0 ε 0 0 ε 0 < < 0 0 a ε ε a - 0 < < 0 Tyhjeysaluee reuassa ( 0 ja 0 ) sähkökettä 0 Metallurgisessa iossa ( 0) sähkökettä 0. Metallurgisessa iossa sähkökettä o maksimissaa 0 0 a 0

23 avaruusvarausalue W Varauksekuljett. kosetraatio eutraali aukkoja Liitosotetiaali U 0 - eutraali elektroeja Q -

24 avaruusvarausalue W Varauksekuljett. kosetraatio eutraali aukkoja Liitosotetiaali U 0 - eutraali elektroeja

25 Q - U U 0

26 Kotaktiotetiaali voiaa yt laskea liitokse yli vaikuttava sähköketä erusteella ( ) U ( ) U U ( ) 0 1 W 0 1 ε 0 W yt W, 0 ja 0 voiaa ratkaista

27 l 1 1 a i a a kt U W ε ε a o W 1 a o W 1 -liitokse taauksessa: a >> ; 0 W ; 0 0

28 0 l i a kt U ( ) ε ( ) a ε 0 < < 0-0 < < ) 0 ( a l a i a kt W ε a o W 1 a o W 1

29 sim cm -3 a cm -3 U 0 0,85 V W 0,334 μm 0 0,333 μm 0-5, V/cm 0 8,3 Å eli << 0

30 - a Sähköketästä aiheutuva otetiaali, U 0, laskee -uole eergiatasoja eergialla U 0, joka seurauksea alueri eri korkeuksilla olevat fermitasot asettuvat samalle korkeuelle c c Fermi Fermi Fermi Fermi v v Fermi Fermi

Samankaltaiset tiedostot

kurssi: Mikroelektroniikan ja -mekaniikan perusteet pn-liitoksen valmistusmenetelmä määrää liitoksen epäpuhtausprofiilin.

kurssi: Mikroelektroniikan ja -mekaniikan perusteet pn-liitoksen valmistusmenetelmä määrää liitoksen epäpuhtausprofiilin. 5. LIITOKSET, JUNCTIONS 1 5.1 n-liitosten valmistus 1. KASVATETUT LIITOKSET (GROWN JUNCTIONS) 2. SEOSTETUT LIITOKSET (ALLOYED JUNCTIONS) 3. DIFFUSOIDUT LIITOKSET (DIFFUSED JUNCTIONS) 4. IONI-ISTUTETUT