Презентация на тему "Лекция 6 Основы микроэлектроники Контактная разность потенциалов, Термоэлектронная эмиссия,Диод Шотки, Электронно-дырочный переход,Биполярные и полевые транзисторылектор:Колосько Анатолий Григорьевич( agkolosko@mail.ru )"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Лекция 6 Основы микроэлектроники Контактная разность потенциалов, Термоэлектронная эмиссия,Диод Шотки, Электронно-дырочный переход,Биполярные и полевые транзисторылектор:Колосько Анатолий Григорьевич( agkolosko@mail.ru )

• 
  Слайд 2

  Контактная разность потенциалов

  Изменение потенциальной энергии электрона U(x)с удалением его от поверхности металла (EF выше Ec): полупроводника (EF ниже Ec): Работы выхода электронов из вещества: χ0 — термодинамическая работа выхода (с уровня Ферми) χ вн — внешняя работа выхода (со дна зоны проводимости) χ1 — работа выхода из глубины валентной зоны

• 
  Слайд 3

  Термоэлектронная эмиссия

  При повышении температуры Т появляются электроны, обладающие кинетической энергией, превышающей высоту потенциального барьера выхода электрона (χ0). Такие электроны способны выходить из вещества(«испаряться»). Это явление получило название термоэлектронной эмиссии. Поместив вблизи нагретого металла проводник и создав между ними электрическое поле, можно получить термоэлектронный ток с плотностью j, которая согласно формуле Ричардсона-Дешмена: где коэффициент А – постоянная Ричардсона. Из экспериментальной прямой ln(j/T2)(1/T) можно найти термодинамическую работу выхода χ0 и коэф. А.

• 
  Слайд 4

  Эффект Шоттки

  Электрическое поле Е ускоряет электроны у поверхности вещества, уменьшая этим потенциальную энергию выхода χ0 на величину Δχ. Это понижение потенциального барьера под действием внешнего поля называется эффектом Шоттки. Ускоряющее электроны поле Е вызывает не только понижение потенциального барьера, но и уменьшение его толщины d. Поэтому в сильных электрических полях электроны получают шанс туннелировать под барьером, и возникает туннельный эмиссионный ток, т.н. автоэмиссия.

• 
  Слайд 5

  Автоэлектронная эмиссия

  Усиление эл. поля на остриях вызывает понижение потенциального барьера и создаёт туннельный ток по закону Фаулера-Нордгейма: i – плотность тока эмиссии, E  –  напряжённость эл. поля на острие, φ  –  работа выхода. Для массива эмиттеров ВАХ можно построить в координатах Фаулера-Нордгейма: β - коэффициент усиления U - приложенное напряжение, I - общий ток, d - расстояние м/у анодом и катодом. Дисплеи технологии FED

• 
  Слайд 6

  Контактная разность потенциалов

  При соприкосновении проводников между ними происходит обмен электронами: е переходят из проводника с меньшей работой выхода χ0 в проводник с большей. Контактной разностью потенциалов называется: Vк.р.п. = (χ01 - χ02)/e = ϕ1 - ϕ2 Длина экранирования обратно пропорциональна концентрации электронов n, поэтому из двух тел Vк.р.п. приходится на проводник с бо ́льшим сопротивлением ρ. В термоэлектронном преобразователе энергии электроны «испаряются» из горячего катода с ϕ1 и «конденсируются» на аноде с ϕ2, создавая эл. напряжение. Электрическое поле Ек.р.п. сосредоточено вблизи границы раздела, в области порядка Дебаевской длины экранирования LD: в металлах она имеет атомные размеры (10-8 ÷ 10-7 см), в полупроводниках колеблется в широких пределах (может быть даже 10-4 ÷ 10-5 см). (до контакта) (контакт) Область поля Ек.р.п. + -

• 
  Слайд 7

  диод Шотки(Вальтер Шоттки, 1939 г.)

  Диод состоит из контакта металл-полупроводник n или p типа. В результате перетекания электронов в п/п формируется область пространственного заряда (ОПЗ) из ионизованных доноров или акцепторов (барьер Шоттки), так что ВАХнелинейна. W зависит от напряжения VG: (εs - диэл. п/п, q - заряд е, ND - конц. доноров, v0 - тепловая скорость е, ns - поверхн. концентрация е, β - коэф.) => + -

• 
  Слайд 8

  Электронно-дырочныйпереход (p‑nпереход)

  Образуется контактом двух п/п - n и p типа. Дрейфовый ток, вызванный внутренним эл. полем между + и - примесями, конкурирует с диффузным током (падение электронов в зонной диаграмме). Напряжение прямого смещения делает изгиб зон в ОПЗ меньше (растёт диффузный ток), а обратное - круче (растёт дрейфовый ток). + - (εs - диэлектрическая проницаемость п/п, Δϕ - высота потенцианого барьера, Dn - дебаевская длина экранирования, D - коэффициент диффузии носителей заряда) Js

• 
  Слайд 9

  Гетеропереходы

  Гетеропереход– контакт двух п/п различного вида и разного типа проводимости. Необходимо, чтобы у них с высокой точностью совпадали температурный коэфф-т расширения α и постоянная решётки а. Таких п/п мало: Ge, GaAs, InP, InGaAsP... pGe – nGaAsnGe – pGaAs Требования к построению зонной диаграммы: 1. Уровень вакуума Е = 0 непрерывен. 2. Электронное сродство в пределах одного сорта п/пGe и GaAs постоянно. 3. Ширина запрещенной зоны Eg в пределах одного сорта п/п постоянна.

• 
  Слайд 10

  Фотоэлемент

  Фотоэлемент - источник электропитания, поглощающий свет внешних источников. Если поглощается свет солнца, то фотоэлемент называется солнечной ячейкой. g - число е--h+, родившихся на 1см2p-n перехода за 1c,α – показатель поглощения, J – интенсивность света, η – внутренний квантовый выход (ηкремниевых фотодиодов ~ 100%). Кванты света генерируют е--h+пары - неравновесные носители заряда, а диффузия и поле объемного заряда их разделяют: е- уходят в n-область, а дырки h+– в р-область. В результате накопления этих зарядов (в области границы n-p) возникает фото-ЭДС, которое уменьшает область пространственного заряда, как при прямом смещении. Полоска контакта n-область р-область полюс + полюс - Светочувствительный Неотражающий слой Кремниевая солнечная ячейка ħω р EF EA ED n I U Jсвета=0 J1 J2 0 Iкз1 Iкз2 Uхх1 Uхх2 Pmax

• 
  Слайд 11

  Типы диодов

  Стабисторы Используют участок ВАХ, соответствующий «прямому напряжению» на диоде. Стабилитроны (диод Зенера) Используют обратную ветвь ВАХ диода с обратимым пробоем для стабилизации U. Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки) Используют квантовые эффекты: область «отрицательного сопротивления» на ВАХ. Варикапы (диоды Джона Джеумма) Запертый p-n переход обладает большой ёмкостью, которая зависит от обратного U. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости. Светодиоды (диоды Генри Раунда) При рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода излучают свет, существуют диоды, излучающие в видимом, ИК и даже УФ диапазоне волн. Полупроводниковые лазеры Светодиоды с оптическим резонатором, излучают когерентный свет. пробой закрыт активен

• 
  Слайд 12
  

  Фотодиоды Запертый фотодиод, который открывается под действием света. Солнечный элемент Падающий на p-n-переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока. Диоды Ганна Используются для генерации и преобразования колебаний Uв СВЧ диапазоне. Диод Шоттки Диод с малым падением напряжения при прямом включении 0,6 В) Лавинный диод Основан на лавинном пробое обратного участка ВАХ: защита от перенапряжений. Лавинно-пролётный диод Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике. Магнитодиод ВАХ зависит от величины и ориентации магнитного поля относительно p-n перехода. Смесительный диод Перемножает два высокочастотных сигнала. pin диод Имеет область собственной проводимости между сильнолегированными областями, используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

• 
  Слайд 13

  Биполярный транзистор

  В активном режиме эмиттерныйр-n "смещён" в прямом направлении => через него течёт большой ток. В базе электрического поля нет (UЭБ

• 
  Слайд 14

  Создание транзисторов

  Сплавной плоскостной транзистор Точечный транзистор Методы получения р-n переходов: 1. Метод вытягивания: в процессе вытягивания п/п монокристалла из расплава в него вводят сначала примесь n-типа, а затем р-типа. 2. Диффузионный метод: диффузия акцепторной примеси в донорныйп/п. 3. Эпитаксиальный метод: осаждение на n-Si монокристаллической плёнки р-Si. 4. Метод ионного легирования: поверхностный слой полупроводника n-типа легируется ионным пучком примесью p-типа. металлический кристаллодержатель (латунь - Cu + Zn) области p-типа припой -контакт базы кристалл n-типа область n-типа коллекторный точечный контакт (бронза - Cu +P) эмиттерный точечный контакт (бронза - Cu +Be) Размеры транзистора не более 1 мм

• 
  Слайд 15

  Полевой транзистор

  С управляющим С изолированным р-п переходом затвором При подключении к истоку (И) отрицательногоϕ-, а к стоку (С) – положительного ϕ+ в канале возникает электрический ток. При этом затвор (З) электрически отделен от каналалибо "обратно смещённым" (запертым) p-n переходом, либо тонким слоем диэлектрика (структура МДП - металл диэл. полупроводник),обычно это SiO2 (МОП). Электрическое поле между затвором и каналом меняет плотность е в канале, т.е IС-И. Индуцированный канал МДП: проводящий канал И-С появляется при UЗ-И >Uпороговое, связано с обогащением канала основными носителями заряда. (для n-канала Uпор>0). Встроенный канал МДП:изготавливается технологически, проводит ток при UЗ-И=0. При UЗ-И

• 
  Слайд 16

  Технология МОП транзисторов

  Подвижности μn/μp ≈ 2,5, поэтому n-транзисторы лучше p-транзисторов. Структура n-канального МОП транзистора: LDDструктура (Lightly Doped Drain): Изготовление МОП много проще биполярных, к тому же МОП могут использоваться как резисторы и конденсаторы, т.е. на них можно реализовать все схемные функции. МОП:Iвх= 5 мкА, Rвх= 106 Ом, Rи-сзакр.= 1012 Ом, Rи-соткр.~ 100 Ом, Си-с = 10 пФ. Бип. : Iвх= 1 мкА, Rвх~100 Ом, Rи-сзакр.~100 Ом, Rи-соткр~ 10 Ом, Си-с = 10 пФ. И С З Изоляция Спейсер из из Si3N4 Изоляция Подложка Обозначение: толщина канала ~ 100 А Слаболегированные области c плавным p-n переходом удлиняют И и С в сторону канала, повышая Uпробоя.

• 
  Слайд 17

  Последний слайд

  До свидания!