Puolijohteet. luku 7(-7.3)

Samankaltaiset tiedostot
PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Homogeeniset puolijohteet Olemme jakaneet kiteet kahteen ryhmään:

1 Johdanto. energiavyö, saavutetaan (1) missä E on

PUOLIJOHTEEN SÄHKÖNJOHTAVUUS

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

DEE Aurinkosähkön perusteet

4 ev OY/MFP R Materiaalifysiikan perusteet P Ratkaisut 6, Kevät 2017

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta

Fysikaalisten tieteiden esittely puolijohdesuperhiloista

10. Puolijohteet Itseispuolijohde

1 a) Eristeiden, puolijohteiden ja metallien tyypilliset energiakaistarakenteet.

SMG-4450 Aurinkosähkö

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

SMG-4450 Aurinkosähkö

Luento 12. Kiinteät aineet

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

S Fysiikka III (Est), 2 VK Malliratkaisut (Arvosteluperusteita täydennetään vielä)

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

LIITTEET...2. Liite A Stirlingin kaavan tarkkuudesta Liite B Lagrangen kertoimet... 3

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Pehmeä magneettiset materiaalit

Kuva 6.6 esittää moniliitosaurinkokennojen toimintaperiaatteen. Päällimmäisen

j = I A = 108 A m 2. (1) u kg m m 3, (2) v =

Puolijohteet II. luku 2 ja 4

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

elektroni = -varautunut tosi pieni hiukkanen nukleoni = protoni/neutroni

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Väriaineaurinkokenno (Dye-sensitized solar cell, DSSC) 4. Kennon komponenteista huokoinen puolijohde

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

JOEL SALMI METALLOINNIN ERIKOISKYSYMYKSIÄ. Diplomityö

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

Vaihdetaan ryhmässä (1) summausindeksiksi K, jolloin saadaan (E E 0 k K 1

e n 4πε S Fysiikka III (Est) 2 VK

FYSA240/4 (FYS242/4) TERMINEN ELEKTRONIEMISSIO

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Neutriino-oskillaatiot

TUOMAS LAPP AURINKOVOIMALAN KÄYTTÖ LISÄENERGIAN LÄHTEENÄ KIILTO OY:SSÄ

Vyöteoria. σ = neμ. Orbitaalivyöt

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

Neutriinokuljetus koherentissa kvasihiukkasapproksimaatiossa

ARTO HILTUNEN AURINKOKENNON MAKSIMITEHOPISTEEN RIIPPUVUUS TOIMINTAOLOSUHTEISTA Kandidaatintyö

DEE Aurinkosähkön perusteet

Sisältö. Magnetismin fysikaaliset perusteet. Diamagnetismi. Paramagnetismi. Magnetismin lajit Yksiköt. Petriina Paturi. Vapaat ionit Atomijoukot

Hapettimen sitoessa elektronin muodostuu pelkistin (hapetin pelkistyy) ja pelkistimen luovuttaessa elektronin muodostuu hapetin (pelkistin hapettuu).

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4450 Aurinkosähkö

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

S Fysiikka III (Est) 2 VK

Eksimeerin muodostuminen

Fysikaaliset ominaisuudet

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Normaalipotentiaalit

Typpiseostettu grafeeni. Pro Gradu -tutkielma Jyväskylän yliopisto Kemian laitos Fysikaalisen kemian osasto 7. maaliskuuta 2017 Karoliina Karppinen

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

Alikuoret eli orbitaalit

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

1.1 ATOMIN DISKREETIT ENERGIATILAT

1. Puolijohdekiteiden kasvatus

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

Ratkaisu. Tarkastellaan aluksi Fe 3+ - ja Fe 2+ -ionien välistä tasapainoa: Nernstin yhtälö tälle reaktiolle on:

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

Mikroskooppisten kohteiden

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Ilmaisimet. () 17. syyskuuta / 34

6. Yhteenvetoa kurssista

Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit. v=bmivwz-7gmu v=dvrzdcnsiyw

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Faasimuutokset ja lämpökäsittelyt

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

SMG-4450 Aurinkosähkö

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

MIKKELIN LUKIO SPEKTROMETRIA. NOT-tiedekoulu La Palma

FRANCKIN JA HERTZIN KOE

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Transkriptio:

Puolijohteet luku 7(-7.3)

Metallit vs. eristeet/puolijohteet

Energia-aukko ja johtavuus gap size (ev) InSb 0.18 InAs 0.36 Ge 0.67 Si 1.11 GaAs 1.43 SiC 2.3 diamond 5.5 MgF2 11 Valenssivyö Johtavuusvyö

Intrinsiikkinen puolijohde Puhtaita, eli seostamattomia puolijohteita kutsutaan intrisiikkisiksi Käytännössä tämä tarkoittaa korkeintaan 1 ppm (parts per million) epäpuhtauksia Useasti puhtaus on huomattavasti parempaa

Fermi-jakauma Metallille, Fermi-energia on korkein miehitetty energiatila 0K:ssa. Kemiallinen potentiaali on lämpötilariippuva (mutta ei paljon) ja käytännössä sama kuin Fermi-energia. Puolijohteelle Fermi-energian käsite ei ole aivan niin selvä. Siksi käytetään kemiallista potentiaalia. Monissa yhteyksissä kuitenkin käytetään Fermi-energiaa puolijohteillekin, mutta silloin tämä käsite on lämpötilariippuva.

Kemiallinen potentiaali Intrinsiikkisen puolijohteen kemiallisen potentiaalin pitää olla noin energia-aukon puolivälissä. Muuten vöiden miehitykset eivät ole tasapainossa.

Vöiden miehitykset Elektronit johtovyöllä (CB) Puuttuvat elektronit (aukot) valenssivyöllä (VB)

Intrinsiikkisen puolijohteen kemiallisen potentiaalin pitää olla noin energia-aukon puolivälissä. Muuten vöiden miehitykset eivät ole tasapainossa. Sama pinta-ala

Elektronit ja aukot

Energiavyörakenne: GaAs CB VB CBM VBM

Energiavyörakenne: Si

Vyörakenteen tulkinta Valenssivyön maksimi yleensä E=0 Elektronin liikeyhtälö Efektiivinen massa * m a m * 2 qe 2 d E k 2 dk 1 Johtovyö: m * 2 Negatiivisesti varattu hiukkanen, jolla on positiivinen massa ( elektroni ) q e 2 1 d E k 0 2 dk

Valenssivyön tulkinta Valenssivyön maksimi yleensä E=0 Elektronin liikeyhtälö Efektiivinen massa q q e e * m a m qe Valenssivyö: 2 * 2 d E k m dk tai 2 * 2 d E k m dk Positiivisesti varattu hiukkanen ( aukko ) 2 d E k 2 dk * 2 1 0 2 1 0 2 1

Yksinkertaistettu vyörakenne Vapaat elektronit Puolijohteen johtavuusvyö Puolijohteen valenssivyö

Lämpötilariippuvuus Elektronit johtavuusvyöllä (CB) Aukot valenssivyöllä (VB)

Johtavuusvyölle Fermi-jakauman likiarvo Valenssivyölle Molemmat ovat tällöin Boltzmann-jakaumia Tätä tilaa kutsutaan ei-degeneroituneeksi tilanteeksi. Päinvastainen tilanne on degeneroitunut puolijohde.

Johtovyön miehitys sijoitus

Johtovyön miehitys 32 * 2 mekbt C n 2 e N 2 eff e h E k T E k T g B g B

Valenssivyön miehitys * 32 mhkbt k T V k T 2 eff 2 p e N e h 2 B B

Vöiden miehitykset Intrisiikkisen puolijohteen vöiden miehitykset saadaan siis Boltzmann-jakauman ja ns. efektiivisten tilatiheyksien avulla. CBM μ VBM

Massavaikutuksen laki 3 kt * * 32 B Eg kbt 4 2 2 e h np m m e Tämä tulo ei riipu kemiallisen potentiaalin μ paikasta. Intrinsiikkiselle puolijohteelle n i p i 32 kt * * 34 B Eg 2kBT i i 2 2 2 e h n p m m e

Esimerkkejä gap size (ev) n in m -3 n in m -3 at 150 K at 300 K InSb 0.18 2x10 22 6x10 23 Si 1.11 4x10 6 2x10 16 diamond 5.5 6x10-68 1x10-21

Missä on μ? n p Nämä parametrit on tunnettava. Efektiivisen massan yhteys johtavuuteen: 2 ne m * e

Syklotronikulmataajuus Kvantisoidut tilat Kentässä elektronilla on monia energiatasoja (ns. Landau-tasoja) energiaerolla Radiotaajuussignaalin resonantti absorptio taajuudella

Efektiivinen massa m e */m e m h */m e InSb 0.014 0.4 InAs 0.022 0.4 Ge 0.6 0.28 Si 0.43 0.54 GaAs 0.065 0.5 Na 1.2 Cu 0.99 Sb 0.85

Seostetut puolijohteet Hyvinkin pieni määrä epäpuhtauksia saattaa muuttaa puolijohteen johtavuutta merkittävästi. Hallittua epäpuhtauksien lisäämistä kutsutaan seostamiseksi. Seostusta on kahdenlaista: n-seostamista (epäpuhtaudet lisäävät elektronien määrää) ja p-seostamista (epäpuhtaudet lisäävät aukkojen määrää). Tyypilliset seostustasot ovat 10 21 to 10 25 epäpuhtausataomia/m 3 eli 10 15 to 10 19 epäpuhtausataomia/cm 3. Huomaaa, että piissä on 5*10 28 atomia/m 3 ja intrinsiikkinen varauksenkuljettajakonsentratio on 10 16 elektronia/aukkoa/m 3 huoneenlämpötilassa.

Puhdatilaolosuhteet!

Donoriatomi puolijohteessa Kun piikiteessä yksi piiatomi korvautuu arseeniatomilla sanotaan, että arseeniatomi toimii donorina piikiteessä. Arseenin ylimmät miehitetyt elektronitilat ovat piin johtovyön reunan alapuolella, joten arseenin ylin elektroni virittyy piin johtovyöhön lämmön vaikutuksesta sanotaan, että arseeni luovuttaa (donate) elektronin johtovyöhön.

n- ja p-seostus donoriatomi akseptoriatomi

Donori- ja akseptoritasot n-tyypin puolijohde p-tyypin puolijohde Seostetussa puolijohteessa donoriatomit (a) luovuttavat yhden elektronin johtovyöhön, tai akseptoriatomit (b) sitovat valenssivyöstä yhden elektronin jättäen jälkeensä aukon. Epäpuhtausatomien ionisoituminen tapahtuu lämmön vaikutuksesta. Hyvin alhaisissa lämpötiloissa tätä ei tapahdu, jolloin varauksenkuljettajatiheys laskee!

Donorin ionisoitumisenergia Fosforin valenssi on viisi yksi elektroni liikaa Arvio sidosenergialle Bohrin mallin mukaan: Otetaan huomioon: Suuruusluokka:

Varauksenkuljettajatiheys Yleensä numeerinen ratkaisu. Laskentaperusteena on varausneutraliteetti. Hyvin matalassa lämpötilassa seostusatomit eivät ole ionisoituneet (esim. n- seostuksesssa μ on donoritason ja johtovyön minimin välissä). Hyvin korkeissa lämpötiloissa seostusatomit kaikki ionisoituneet (μ on donoritason alapuolella n- seostuksessa)

Esimerkkilaskelma

Massavaikutuksen laki np n p i i vakio lämpötilassa T 3 kt * * 32 B Eg kbt 4 2 2 e h np m m e np ei riipu μ:n paikasta.

Enemmistö- ja vähemmistövarauksenkuljattajat Yhtä paljon elektroneja ja aukkoja enemmistö: elektronit vähemmistö: aukot

Hall-mittaus electrons holes

Kokonaisjohtavuus Elektronien johtavuus 2 ne m * e ne ja liikkuvuus e m * e konsentraatiot 2 ne e n p m * e h e liikkuvuudet

Lämpötilan vaikutus johtavuuteen 2 ne ne m * e