D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 1

DISPOZITIVE ELECTRONICE

Prof. univ. dr. Dan Sachelarie

BAZELE FIZICII SEMICONDUCTORULUI

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 2

Potenţial, tensiune, câmp electric

0 1 2 x (cm)

4

2

A

B

φ (V)

••

0 1 2 x (cm)

2

E (V/cm)

E

φA = 4 V, φB = 2 V

• Tensiune electrică, V

• Câmp electric, E

dx

dE

cm

V2

12

24

x

E

V2V2V4 BAABV

• Potenţial electric, φ

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 3

Purtători de sarcină – Forţa electrică

C106,1 19q• Sarcina electrică fundamentală

• Purtători de sarcină

goluri :

electroni : 0 qqn

0 qqp

• Forţa electrică EQFE qFn

E qFp

pFE

nF+

_

+q

‒q

N1m1

V1C1

m1

V11

CF J1mN1VC1

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 4

Viteza de drift – Mobilitate electrică

• Mobilitatea electrică

• Viteza de driftpF

E

nF+

_

+q

‒q nv

pv

s

cm107

max, dv

E mt

QvtvaamF

E,,

sV

cm10~,

sV

cm 23

2

Ennv

Eppv

μn – mobilitatea electronilor

μp – mobilitatea golurilor

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 5

Curent electric de conducţie (de drift)

AJI [ I ] = A, [ J ] = A/cm2

I - curent de drift, J – densitatea de curent

vitezacm

purtatoriieconcentratsarcina

3J

pp vpqJ

nn vnqJ Jn – curent de drift de electroni

Jp – curent de drift de goluri

n – număr de electroni/cm3

Exemplu: n = 1010 electroni/cm3 = 1010 cm-3

[ n ], [ p] = cm-3

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 6

Curent total de drift

Eppp qpvqpJ

EpqJ pp

Ennn qnvqnJ

EnqJ nn

pJ

Epv

+

_ nvnJ

+

_

pntotal JJJ

E pnqJJJ pnpntotal

•

•

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 7

Metal – Semiconductor - Izolator

• Corp solid : Natomi ≈ 1023 cm-3, nelectroni ≈ 1025 cm-3

• Exemplu: L = 1 cm, A = 1 cm2, V = 1V, μ = 103 cm2/Vs

E = 1 V/1 cm = 1 V/cm, v = μE = 103 cm/s

• Metal: n ≈ 1018 cm-3

I = qAvn = 1,6x10-19 C x 1 cm2 x 103 cm/s x 1018 cm-3 = 102 C/s =102 A

• Semiconductor: n ≈ 1010 cm-3

μA1A1010

A100 68 I

• Izolator: n ≈ 103 cm-3

pA1,0A1010

A100 1315 I

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 8

Semiconductoare – Reţele cristaline

• SemiconductoareGrupa IV din tabelul periodic

(a) amorf (b) cristalin (c) policristalin

• Reţele cristaline

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 9

Celule cristalografice elementare - Siliciu

(a) cubică simplă (b) cubică cu volum centrat

(c) cubică cu feţe centrate

• Celule elementare cubice

• Structura cristalografică a siliciului : tip zincblendă formată din două celule cubice cu feţe centrate

• constanta de reţea

a = 5,43 Å

1 cm = 104 μm = 108 Å

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 10

Atom de siliciu izolat

nucleu

orbite de valenţă

• 1 atom Si = 14 electroni +1 nucleu (14 protoni)

Qatom = +14q - 14q = 0 C

• nucleul + 10 electroni = miezul atomic

• 4 electroni de valenţă

Qmiez = +14q - 10q = +4q

electron

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 11

Atom de siliciu în reţea

electron de valenţă

miez atomic electron liber

legătură covalentă

gol

0,5 Ǻ

2,35 Ǻ

miez atomicorbita de valenţă

• Legături covalente

1 atom de Si are:• 4 atomi vecini• 4 electroni de valenţă• 4 orbite libere

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 12

Vibratiile reţelei cristaline

+4q

+4q

+4q

+4q+4q1F

2F

4F

3F

• Vibraţia miezurilor atomice

• - forţe coulombiene de respingereF

• Reţeaua ≡ lanţ de arcuri elastice

vibvib ETq

kTE 3

• T = C + 273 ⁰ - temperatura absolută

• [ E ] = [ T ] = Joule (J)

• k = 1,38 x 10-23 J/K - constanta lui Boltzmann

• 1 K = k·1 J

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 13

Electronvolt – Temperatura camerei• Electronvoltul

• Temperatura camerei:

• La T = 300 K:

V11eV1 q J106,1eV1 19

K30027327 T

Regula lui 26 mV:

Regula lui 60 mV:

eV1026meV26 3kT mV26q

kT

mV6010ln q

kT

meV392

3 kTEvib

Energia de vibraţie:

1. Atomic

2. Electronic:

3. Termic:

4. Staţionar:

D. Sachelarie, ED, Lecture BASICS, Slide 14

Echilibru termodinamic – Viteza termică• Echilibrul termodinamic:

• Viteza termică

0,0,0 pn JJV

K300.cst T

.cst)( tf

2

2Tn

vib

vmE

Kg109 31nm

cm/s107Tv 0Tvv

Tv