52205A PUOLIJOHDEKOMPONENTTIEN PERUSTEET Mikroelektroniikan laboratorio, 2008-2009 Luennot: ma 12-14 TA105 Marina Tjunina, TS1324 ke 8-10 L7 Harjoitukset: to 16-18 TF104 Janne Narkilahti, TS1326 Oppikirja: Streetman: Solid State Electronic Devices, Prentice Hall Intern., Inc., 1995, 4 th edition, s.130-331, 377-387 TAI 5 th edition, 2000, kappaleet 5,6,7,8,10 ja 11 Luentomoniste: Mikroelektroniikan laboratorio, toimisto, 2.kerros
Kurssin tarkoitus: Antaa perustiedot puolijohdekomponenttien ja niihin perustuvien piirien toiminnan ymmärtämiselle, jotta niitä osattaisiin käyttää oikein ja suunnitella
III: 10.11. -12.12.2008. - Puolijohteet - Liitokset (Junctions) - pn-diodit (pn-junction Diodes) IV: 12.1. 13.2.2009. - Bipolaari liitostransistori (Bipolar Junction Transistors) - Kenttävaikutustransistorit; FET (Field Effect Transistors) - Laserit (Lasers) - p-n-p-n kytkinkomponentit (Switching Devices)
PUOLIJOHTEET : vallankumous elektroniikassa Putket radiossa 1930-luvulla 1:n toimiva Au-Ge transistori (1947, Bell Lab)
Poulijohdekomponentti korvasi suuremmat, epäluotettavammat ja enemmän tehoa kuluttavat elektroniputket. Erilaisia transistoreita Muut nykyiset komponenttit
Nykyisin yksittäispakattujen komponenttien lisäksi käytetään mikropiirejä. Samalla mikropiirillä voi olla satoja miljoonia PK-kappaleita. Elektroniputki PK mikropiiri -kehitys on mahdollistanut elektroniikan jatkuvan pienenemisen ja samanaikaisen tehon (älykkyyden) kasvun, siis mm. tietokoneet, digi- TV:t, matkapuhelimet, laajakaistayhteydet,... Metallikoteloitu mikropiiri vuodelta 1984 (kotelo avattu) Piikiekkoja, joilla on mikropiirejä
Transistorien lukumäärä mikropiireissä on kasvanut: PIIRI TRANS. VUOSI TEOLL. Intel 4004 2 300 1971 Intel :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: POWER6 789 000 000 2007 IBM RV770 956 000 000 2008 AMD GT200 1 400 000 000 2008 NVIDIA D-C Itanium 1 700 000 000 2006 Intel Q C Itanium 2 000 000 000 2008 Intel Nanotechnology in producing chips at the 32 nm and smaller.
Puolijohdefysiikan perusteet 1. Kiinteän aineen sidosvoimat Kaksiatomisen systeemin potentiaalienergiaa E pot atomien välimatkan funktiona Lyhyillä etäisyyksillä kahden atomin välinen voima on aina repulsiivinen. Tämä johtuu suureksi osaksi Paulin kieltosäännöstä, joka estää useampaa kuin yhtä elektronia olemasta samassa tilassa. Myös elektronien välinen Coulombin repulsio on olennainen. E pot 0 Suuremmilla etäisyyksillä voimat ovat usein attraktiivisia. r
Atomien negatiivisesti varatut elektronipilvet hylkivät toisiaan. Energia kasvaa, kun atomit tulevat lahemmaksi toisiaan. E pot Repulsiivinen komponentti A/r n (n>>1). 0 Tätä vastaava energia pienenee atomien etäisyyden lyhetessä, minkä aiheuttajana on pyrkimys pienempään elektronipilven energiaan atomien muodostamassa systeemissä. Tästä seuraa täydet elektronikuoret (elektronioktetti). Attraktiivinen komponentti B/r m. r
Kokonaispotentiaalienergia on em. komponenttien summa, jonka minimi saavutetaan kohdassa r 0 : E(r 0 ) = E MIN. Tämä vastaa atomien tasapainoetäisyyttä. E pot Kun r = r 0, atomeihin vaikuttava systeemin sisäisistä vuorovaikutuksista johtuva voima on nolla: F(r 0 ) = 0 Energia, joka tarvitaan hajottamaan tämä systeemi, on dissosiaatioenergia = - koheesioenergia: E dis r 0 r Dissosiaatioenergia on energia, joka tarvitaan poistamaan yksi atomi kiteen tasapainoasemasta ja viemään se äärettoman kauas kiteestä. E dis Kiinteässä aineessa atomit muodostavat systeemin, jonka potentiaalienergia pyrkii minimoitumaan edellä kuvatun kaksiatomisysteemin kanssa analogisella tavalla, minka johdosta kiteen atomeilla on tietyt tasapainoasemat toisiinsa nähden.
2. Kiinteiden atomien sidostyyppijaottelu Kiinteät aineet ovat luonteeltaan erilaisia siitä riippuen millaisilla voimilla atomit ovat toisissaan kiinni. Atomien välisen sidoksen erilaisuus johtuu taas pääasiallisesti ulkoelektronien jakaumassa esiintyvistä eroista. Tarkeimmat erilaiset sidostyypit ovat: Multipolisidos (dipole to dipole, or van der Waals) Vetysidos (hydrogen bond) Ionisidos (ionic bond) Kovalenttisidos (covalent bond) Metallisidos (metallic bond)
Van der Waals -vuorovaikutus Tämä antaa heikon attraktion varauksettomien atomien välille. + + + elektronijakauma Elektronien kiertoliikkeestä johtuen varauksettomat atomit ovat värähteleviä sähköisiä dipoleja. Hetkellinen dipolimomentti toisessa atomissa synnyttää sähkökentän, joka polarisoi toisen atomin, jolloin niiden välillä vaikuttaa dipolidipoli-voima. Vuorovaikutus riippuu etäisyydestä kuten 1/r 6 ja on olennainen mm. jalokaasuatomien välillä (Kr, Ar, Xe).
Vetysidos Vedyllä on vain yksi elektroni. Kun vety liittyy esimerkiksi happiatomiin, siirtyy pääosa elektronin aaltofunktiosta hapelle ja vedylle jää positiivinen varaus. Tällä varauksella se voi vetää puoleensa jotain kolmatta atomia, mistä syntyvää sidosta molekyylien välille kutsutaan vetysidokseksi. Tämä sidos on tärkeä mm. jäässä. + - N H O
Ionisidos. Yksinkertaisimmat ioneista rakentuneet kiteet sisältävät kahdenlaisia atomeja, joissa on pareittain yhden täyden kuoren edellyttämä lukumäärä ulkoelektroneja. Positiiviset ionit (kationit) ovat pelkkiä atomisydamiä. Kaikki ulkoelektronit (kation.) ovat siirtyneet toista lajia oleviin atomeihin. Esintyy taysikuorisia negatiivisia ioneja eli anioneja. Ionien vuorovaikutus koostuu lähes kokonaan niiden klassisesta sähkostaattisesta attraktiosta ja repulsiosta. Na Cl Na+ Cl- Joissain yhdisteissä esim. NaCl, Na luovuttaa lähes kokonaan uloimman elektroninsa klooriatomille. Na+ kationi, Cl- anioni Tässä tapauksessa attraktiivinen voima aiheutuu Coulombin potentiaalista.
Kovalenttisidos Attraktiivinen voima johtuu siitä että atomit pareittain jakavat keskenään osan elektroneistaan. Koska elektronit pääsevät liikkumaan laajemmalla alueella, niiden kineettinen energia alenee. 8 Kovalenttisten aineiden atomeissa on pareittain yhden täyden kuoren verran ulkoelektroneja. Jos jokaisessa atomissa on neljä ulkoelektronia, voi atomijoukko järjestyä kolmiulotteiseksi kiteeksi, jossa kunkin atomin ympärillä on neljä kahden elektronin muodostamaa sidosta.
Metallisidos. Suuri joukko atomeja jakaa osan elektroneistaan niin että ne pääsevät liikkumaan koko kiteen läpi. Perustelu muuten samanlainen kuin kovalentilla sidoksella. Atomisydämiä ympäröi elektroniverho. Se on muodostunut kaikkien atomien ulkoelektroneista ja jakautunut kiteen koko alueelle. Metalleissa elektronien jakauma on tasaisempi kuin kovalenttisissa aineissa. Metallien koheesio perustuu pääasiallisesti elektronivarauksen ja kationin väliseen klassiseen attraktioon ja elektronien vaihtovuorovaikutukseen.
3. Energiakaistat Tarkastellaan aluksi elektronitiloja yhdessä atomissa. Atomiytimen positiivinen varaus muodostaa elektroneille Coulombin potentiaalin. Elektronit ovat atomissa vain tietyissä energiatiloissa, joita kuvassa on merkitty a, b ja c:llä. E c b a +
Kun kaksi atomia tuodaan lähekkäin, madaltuu niiden välissä oleva energiavalli. c b a Tiloissa c elektronit pääsevät liikkumaan molekyylissä täysin vapaasti. Tilassa b elektronien tunneloituminen on merkittävää. Nämä tilat osallistuvat sidoksen muodostamiseen. Atomin alimmat a energiatilat säilyvät muuttumattomina sidoksia muodostettaessa. Kahden atomin yhdisteessä jokainen atomin elektronitila jakautuu kahdeksi. (Näiden tilojen energiaero on sitä suurempi mitä voimakkaampaa tunneloituminen atomitilojen välillä on.) Neljän atomin ketjussa jokainen atomitila on jakautunut neljään. Kiinteässä aineessa on hyvin suuri joukko atomeja yhdessä, N~10 23. Tällöin, yksittäisten energia-arvojen sijasta, saadaan energiakaistoja.
Kiinteässä aineessa saadaan energiakaistoja (energy bands). Sallitut energia-arvot muodostavat kaistoja. Niiden väleissä on kiellettyjä energia-arvoja, joita kutsutaan energiaraoiksi (energy gap). Joissain tapauksissa kaistat menevät päällekkäin, jolloin energiarakoja ei jää.
Energy gap - idea Energy band gap general phenomenon. (Photonic Band Gap = PBG). It appears when WAVES interact with PERIODIC system. The system contains scattering objects, periodically arranged in space. Diffraction and propagation of the wave take place. (Diffracted wave is not propagating in system.) aalto λ a sirottava kohde aalto Maximum of diffraction (Bragg condition) i.e. NO propagation (NO such waves in the system) θ = π 2 λ = 2a n = hc ( λ) E light E = diffraktio ( hc 2) ( n a) NO such energies in the system S.K.-n jaksollinen järjestelmä eteneminen 2a sinθ = nλ, n = ± 1,2,3,...
Kvanttimekaniikkaa Elektronin tilaa kuvaa aaltofunktio. Tämä funktio määräytyy Schrödingerin yhtälöstä m - elektronin massa, V (x) - potentiaalienergia ja E - kokonaisenergia. Vapaa elektroni : V(x) = 0 -
Kiteisessä aineessa potentiaalin V (x) huomioon ottaminen on helppoa, koska sillä on erittäin merkittävä symmetria. Tutkitaan tapausta jossa hilavakio on a. Tällöin on jaksollinen funktio Schrödingerin yhtälö Blochin teoreema jaksollinen Jos se ratkaistaan yhdessä alkeiskopissa, saadaan ratkaisu kaikkialla.
Energiakaistat Vapaan elektronin energia riippuu aaltovektorista k Kun lisätään jaksollinen potentiaali Sironneet (elektroni)aallot ovat samassa vaiheessa kun sironta tapahtuu kahdestaperäkkäisestä ionista θ = π / 2 2a = nλ Elektronin aaltofunktio ei ole etenevä (e ikx ) vaan siinä sekoittuvat vastakkaisiin suuntiin etenevät aallot (e ikx ja e ikx ). Näistä muodostuu kaksi seisovaa aaltoa jotka ovat esim. cos(kx) ja sin(kx).
Muistutetaan aaltofunktion fysikaalinen tulkinta: ψ(x) 2 on todennäköisyystiheys. Se kuvaa todennäköisyyttä, että mittausta tehdessä elektroni löytyy paikasta x. todennäköisyystiheys ψ(x) 2 = 0
Muilla k:n arvoilla kuin energia on vapaiden elektronien energia Näin syntyy energiakaistoja ja niiden väliin energiarakoja.
Energiakaistoja Si:ssa.
3s, 3p johtavuuskaista (conduction band) energiarako (energy gap) valenssikaista (valence band) Elektronit noudattavat Paulin kieltösääntöä: yhteen tilaan voi mennä enintään kaksi elektronia. Atomin perustilassa elektronit täyttävät sen energiatilat järjestyksessä pienimmän energian tilasta lähtien. Tämän perusteella voidaan mm. selittää alkuaineiden jaksollinen järjestelmä. Kiinteässä aineessa elektronit täyttävät energiakaistat pienimmästä energiasta lähtien. Sitä kaistaa, joka täyttyy vain osittain kutsutaan johtavuuskaistaksi. Täydet kaistat eivät johda sähköä.
4. Eristeiden, puolijohteiden ja metallien tyypilliset kaistarakenteet Kiinteiden aineiden sähkönjohtokyky vaihtelee suuresti. Tämän perusteella kiinteät aineet jaetaan johteisiin, puolijohteisiin ja eristeisiin. Nämä erot voidaan suureksi osaksi selittää aineiden energiakaistarakenteen avulla. Materiaalin johtavuuden perusedellytys on se, että ulkoisen sähkökentän vaikuttaessa materiaalissa on tyhjiä energiatiloja, mihin elektronit voivat siirtyä. johtavuuskaista valenssikaista Elektronit eivät voi liikkua valenssikaistalla, koska se on täysi. Metalleilla johtavuuskaista ja valenssikaista ovat osaltaan päällekkäin, joten elektronit voivat liikkua vapaasti ulkoisen sahkökentän vaikutuksesta.
Puolijohteilla on samankaltainen kaistarakenne kuin eristeillä (lämpötilassa 0 K). Johtavuuskaistan ja valenssikaistan välillä on energiarako Eg, joka on paljon pienempi kuin eristeillä. Pieni terminen energia voi virittaa puolijohteissa varauksenkuljettajia valenssikaistalta johtavuuskaistalle
List of semiconductor materials Group IV elemental semiconductors C Si Ge Group IV compound semiconductors SiC SiGe III-V semiconductors AlSb, AlAs, AlN AlP BN BP BAs GaSb GaAs GaN GaP InSb InAs InN InP III-V ternary semiconductor alloys AlGaAs, AlxGa1-xAs InGaAs, InxGa1-xAs InGaP AlInAs AlInSb GaAsN GaAsP AlGaN AlGaP InGaN InAsSb InGaSb III-V quaternary semiconductor alloys AlGaInP, also InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP AlGaAsP InGaAsP AlInAsP AlGaAsN InGaAsN InAlAsN GaAsSbN III-V quinary semiconductor alloys GaInNAsSb GaInAsSbP II-VI semiconductors CdSe CdS CdTe ZnO ZnSe ZnS ZnTe II-VI ternary alloy semiconductors CdZnTe, CZT HgCdTe HgZnTe HgZnSe I-VII semiconductors CuCl IV-VI semiconductors PbSe PbS PbTe SnS SnTe IV-VI ternary semiconductors PbSnTe Tl2SnTe5 Tl2GeTe5 V-VI semiconductors Bi2Te3 II-V semiconductors Cd3P2 Cd3As2 Cd3Sb2 Zn3P2 Zn3Sb2 Zn3As2 Layered semiconductors PbI2 MoS2 GaSe SnS Others CIGS PtSi BiI3 HgI2 TlBr Miscellaneous oxides TiO2 Cu2O CuO UO2 UO3 Organic semiconductors Magnetic semiconductors
List of band gaps Material Symbol B.g. (ev) @ 300K Silicon Si 1.11 Germanium Ge 0.67 Silicon carbide SiC 2.86 Aluminum phosphide AlP 2.45 Aluminium arsenide AlAs 2.16 Aluminium antimonide AlSb 1.6 Aluminium nitride AlN 6.3 Diamond C 5.5 Gallium(III) phosphide GaP 2.26 Gallium(III) arsenide GaAs 1.43 Gallium(III) nitride GaN 3.4 Gallium(II) sulfide GaS 2.5 (@ 295 K) Gallium antimonide GaSb 0.7 Indium(III) phosphide InP 1.35 Indium(III) arsenide InAs 0.36 Zinc oxide ZnO 3.37 Zinc sulfide ZnS 3.6 Zinc selenide ZnSe 2.7 Zinc telluride ZnTe 2.25 Cadmium sulfide CdS 2.42 Cadmium selenide CdSe 1.73 Cadmium telluride CdTe 1.49 Lead(II) sulfide PbS 0.37 Lead(II) selenide PbSe 0.27 Lead(II) telluride PbTe 0.29
5. Puolijohteiden energiarakotyypit Puolijohteiden energiarako voi olla suora tai epäsuora (direct or indirect gap). Suora johtavuuskaistan minimiarvo ja valenssikaistan maksimiarvo ovat samalla aaltovektorin k arvolla. Kaistalta-kaistalle elektronitransitiossa k (ja elektronin liikemäärä) ei muutu. Epäsuora - johtavuuskaistan minimiarvo ja valenssikaistan maksimiarvo eivat ole samalla aaltovektorin k arvolla. Transitiossa k muuttuu.
suora energiarako k
epäsuora energiarako k Si
E E E g hν=e g E k g k GaAs. Suora energiarako. Elektronin transitiossa johtavuuskaistalta valenssikaistalle sen liikemäärä ei muutu. Si. Epäsuora energiarako. Elektronin transitio johtavuuskaistalta valenssikaistalle voi tapahtua energiaraossa olevan välitilan kautta. Elektronin liikemäärä muuttuu vähän, ja se luovuttaa energiaa fononeille.
6. Puolijohteissa esiintyvat elektronit ja aukot E Puolijohteissa energiarako on pieni. Siksi lämpöliike virittää elektroneja sen yli. E g johtavuuskaista Osa valenssikaistan elektroneista saa tarpeeksi termista energiaa (k B T), jonka avulla ne voivat virittyä johtavuuskaistalle. Tällöin puolijohdemateriaalin valenssikaistalle syntyy aukko (hole). valenssikaista Puolijohdemateriaaliin on syntynyt elektroniaukko pari (EHP = electron-hole pair). Hole = missing electron Tasapainotilanteessa olevassa piissä (T = 293 K) on ainoastaan 10 10 EHP/ cm 3, kun piiatomien tiheys on 10 22 cm' 3.
7. Intrinsiivinen puolijohde (intrinsic semiconductor). E E g johtavuuskaista valenssikaista Intrinsiivisellä puolijobteella valenssikaista on taynnä ja johtavuuskaista on tyhjä lampötilassa T = 0 K. Ideaalinen puolijohde, jossa ei ole epäpuhtauksia eikö kidevikoja. Terminen energia mahdollistaa etektronien virittymisen valenssikaistalta johtavuuskaistalle. Näin syntyneet EHPparit ovat ainoat varauksenkuljettajat intrinsiivisella puolijohteella.
T = 0 T 0 aukko elektroni EHP-parin generaatio voidaan ajatella tapahtuvan siten, että kidehilassa kovalenttinen sidos rikkoutuu ja yksi valenssielektroni on vapaa liikkumaan kidehilassa. Rikkoutunut kovalenttisidos on aukko ja kovalenttisidoksesta vapautunut elektroni on johde-elektroni. Intrinsiivisellä materiaalilla johtavuuskaistan elektronien konsentraatio on yhtä suuri kuin valenssikaistan aukkojen konsentraatio: n = p = n i Termisessa tasapainotilanteessa EHP-parien generaatio on sama kuin EHP-parien rekombinaatio.