Úvod do fyziky a technologie polovodičů

Úvod do fyziky a technologie polovodičů Výkonová elektronika - přednášky

Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

Úvod do fyziky a technologie polovodičů

• Rozdělení látek z hlediska vedení elektrického proudu – vodiče – vysoká hustota volných nosičů náboje, dobře vedou elektrický proud, měrný odpor velmi nízký - řádově. Příklad – kovy. – nevodiče (izolanty) – velmi malá hustota volných nosičů náboje, elektrický proud vedou velmi špatně, měrný odpor. Velký vliv teploty na měrný odpor. Příklad – plasty, keramika. – polovodiče – hustota volných nosičů náboje závisí na mnoha činitelích, měrný odpor se pohybuje v širokých mezích 10-5~+8 Ωm, velký vliv teploty na měrný odpor. – Kvantová teorie – energetické pásy (povolené energie elektronů v krystalové mříži

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

2


• Vodiče – kovy, elektrolyty – kovy – vlastnosti: • koncentrace volných nosičů náboje, nízký měrný odpor • měrný elektrický odpor 10-8 Ωm, malá závislost elektrického odporu na teplotě, konstrukční vlastnosti – pevnost (mez kluzu), chemické vlastnosti – koroze, fyzikální vlastnosti – vedení tepla, atd.

– rozdělení kovových vodičů • pro vedení elektrického proudu – stříbro, měď, hliník • odporové slitiny – kanthal, manganin, konstantan, .. • sloučeniny pro kontakty – dobrá korozivzdornost, odolnost proti opalování • materiál pro elektrody – platina, zinek

– elektrolyty • roztok, rozpuštěná látka disociuje (rozdělení na kladné a záporné ionty), pohyb v kapalině • elektrické pole – ionty jako jednotkové náboje se pohybují v elektrickém poli Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

3


• Izolanty – struktura neumožňuje vznik vysoké hustoty volných nosičů náboje, měrný odpor řádově 1012-16 Ωm – vlastnosti – elektrická pevnost (kritická intenzita elektrického pole Ekrit, při které dochází k průrazu), vlastní konduktivita σ (závislá na teplotě, roste exponenciálně), konstrukční, chemické, fyzikální vlastnosti (vedení tepla, nasákavost atd.) – pevné – přehled – • anorganické izolanty – sklo, slída, keramika • organické izolanty – polystyren, polypropylen, polyvinilchlorid, další moderní látky • kompozity

– kapalné – oleje, demineralizovaná voda – při znečištění stoupá vodivost – plynné (nižší Ekrit, při překročení dochází k ionizaci – korona (plazma) – agresivní vůči okolí) • vzduch (Ekrit 10 – 25 kV/cm) • zvláštní plyny (dusík, argon, SF6)


4


• Polovodiče – krystalické, chemicky čisté látky, – materiály pro prvky výkonové elektroniky • minulost - selen, germanium, • současnost - křemík, • budoucnost – křemík, karbid křemíku, galiumnitrid, uhlík s diamantovou strukturou

– monokrystalická forma křemíku • monokrystal – specifické vlastnosti, závislost vodivosti na teplotě, modulace vodivosti - umožňuje vytvoření silně nelineárních struktur (nemonotónní charakteristiky S a N) • výroba plátků (wafers), průměr až 30 cm, základní vodivost (typ N, P) • na jednom plátku větší množství součástek jednoho typu

– polykrystalická forma – speciální použití • varistory, solární články, levnější


5


• Vlastnosti a technologie křemíku – – – – – – –

plošně centrovaná kubická soustava, mřížková konstanta – 0,54 nm (počet atomů v 1 cm3 – 5×1022) bod tání – 1420 °C relativní permitivita εr = 12 rezistivita – viz graf kritická intenzita el. pole Ekrit = 20 kV/mm ovlivnění vodivosti poruchami v krystalové mříži – generují nosiče náboje

• technologie výroby – – dosažení maximální čistoty (99,99999 % - tj. 1 atom nečistoty na 108 atomů křemíku, běžné nečistoty – kyslík, uhlík, bór) – monokrystal (krystalová rovina 111 nebo 100)

• technologie součástek – vertikální – difúze, implantace, epitaxe, napařování – horizontální – litografie, leptání (oxid maskuje difúzatny) – kontaktování - elektrody, pouzdření – ochrana, chlazení Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

6


• Polovodiče typu N a P – příměsová vodivost – dopované příměsemi tak, aby se získala elektronová nebo děrová vodivost (1 atom příměsi poskytne 1 nosič náboje) – elektronová vodivost N • příměs pro Si – P, As, • 5 valenčních elektronů, 4 ve vazbě, pátý slabě vázaný. • při běžné teplotě volné • použití jako základní materiál, dopant přimíšen do taveniny nebo neutronové dopování

– děrová vodivost P • příměs pro Si – B, Al, Ga, • 3 valenční elektrony, volné místo ve vazbě pro zachycení volného elektronu – díra • pohyb děr (+ náboje) - schéma Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

7

Úvod do fyziky a technologie polovodičů Rezistivita křemíku v závislosti na koncentraci příměsí pro srovnání - kovy 10-6÷10-5 Ohmcm


8


• Vodivost v polovodiči nerovnovážnými nosiči náboje – nerovnovážné nosiče se generují ve velkých elektrických polích nebo pohlcením fotonu – mohou mít lokálně vyšší koncentraci, než vyplývá z koncentrace příměsí (vyšší hustota nosičů náboje než je koncentrace příměsí) – do části krystalu s menší příměsí se dostávají vstřikem z části s vyšší příměsí, případně jiným způsobem (generování fotonem, teplem apod.) – ke každému nerovnovážnému elektronu je jedna nerovnovážná díra (pro vodivost jsou oba typy nosičů, někdy bipolární vodivost), po určité době se oba nosiče navzájem vyruší (rekombinují) – omezená doba života nerovnovážných nosičů (lze technologicky řídit), podstatný vliv na rychlost spínání bipolárních prvků – vyšší koncentrace nosičů -> vyšší vodivost, využití v bipolárních polovodičových prvcích – vodivost jedním typem nosičů -> unipolární vodivost, v unipolárních polovodičových prvcích (ve složitějších možnost kombinace obou typů vodivostí) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

9


• Přechod PN – nejdůležitější nehomogenita v polovodiči – elektrony z části N přecházejí do části P, kde obsazují volné akceptory → vnitřní elektrické pole, které brání dalšímu přecházení (velikost pole závisí na druhu polovodiče, Si – vně se projevuje jako difúzní napětí 0,65 V) – Propustná polarizace přechodu – doplnění chybějících nosičů na stranách přechodu – přecházení další nosiče – teče proud – Závěrná polarizace přechodu – další přidání nosičů stejného druhu, množství nosičů se zvyšuje – roste náboj, obsazuje další polohy 𝜌𝑞 v krystalové mříži, prostorový náboj, gradient pole 𝑑𝐸 = 𝑑𝑥 𝜀0 𝜀𝑟

navenek napětí 𝑈 =

𝑏 𝐸𝑑𝑙 𝑎

– Průraz přechodu – překročení 𝐸𝑘𝑟𝑖𝑡 polovodiče, průtok elektrikého proudu. Pokud ztrátové teplo lokálně nepřekročí teplotu 200 – 250°C , nedochází k poškození přechodu – Možné nastavení průrazného napětí přechodu – různá koncentrace příměsí na stranách přechodu. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

10


• Přechod kov-polovodič – v kovu - vysoká koncentrace volných elektronů, difúze do polovodiče, obsazování volných stavů (donorů, akceptorů), vznik vrstvy prostorového náboje na přechodu, usměrňující efektt – podle koncentrace dopantu v polovodiči – tloušťka oblasti prostorového náboje, podle tloušťky závěrné napětí přechodu – vysoká koncentrace dopantu – tloušťka oblasti prostorového náboje je tenká – nosiče náboje procházejí bariérou bez ztráty energie. (realizace kontaktu elektrod na polovodiči)

Usměrňující (Schottkyho přechod kovpolovodič

Usměrňující (Schottkyho přechod kovpolovodič


11


• Polovodičové struktury – řízení (modulace) proudu – tranzistorová struktura – třívrstvá struktura, polovodiče typu NPN nebo PNP – podmínka funkce: vnější polarizace • přechod J1 závěrná polarizace • přechod J2 – kladná polarizace • do střední části (báze) – proud nosičů, který kompenzuje nosiče, které přešly na přechodu J1 z krajní pro střední vrstvy, nové nosiče, které nahrazují kompenzované, se zesilovacím (tranzistorovým) efektem procházejí přes celou strukturu • zesilovací činitel: 𝛽 = 𝐼𝐶 /𝐼𝐵 (velikost závisí na proudu i teplotě)

•

pokud se nepřivádějí do střední vrstvy (báze) nosiče, nemůže téct proud – jeden přechod je v závěrném směru • zbytkový proud (působí na něj zesilovací činitel !) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

12


• Struktura s indukcí vodivého kanálů – s izolovaným hradlem (MOS) – přivedené napětí na hradlo indukuje pod izolačním oxidem nosiče a vytvoří tak vodivý kanál – s ochuzeným kanálem – při nulovém napětí na hradle je kanál úplně uzavřený, jeden z přechodu v závěrném stavu – riziko průrazu (snížení průrazného napětí, není možné přivést napětí, které by kanál vytvořilo)


13


• Struktura typu JFET – oblast prostorového náboje (vyprázdněná oblast) nemá volné nosiče – rozšířením oblasti – zužování vodivého kanálu – modulace proudu – parazitní prvek v součástkách


14


• Výstup přechodu PN na povrch – okraj monokrystalu – deformace pásové struktury – průrazné napětí vzduchu je asi o 2 řády nižší než křemíku – nutné technologické úpravy

• technologie – – – –

broušení pod úhlem ochranný prstenec oxidace, nitridace povrchová ochrana kaučukem nebo polyimidem Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

15


Děkuji za pozornost

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Úvod do fyziky a technologie polovodičů

Recommend Documents