1 半導體材料與特性...

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1 半導體材料與特性 講義與作業 一、本質半導體 1. 無其他物質在晶格內之單一晶格半導體材料(不掺雜,純矽 Si) 2. 電子與電洞之密度相同,因皆由熱產生 3. 本質載子濃度 其中, B 為常數,與特定之半導體材導有關 Eg 與溫度之關係不重 k Boltzmann 常數=86×10-6 eV/°K Example 1.1: T=300 °K 求矽之本質載子濃度 :代入公式即可 n i =1.5×10 10 /cm 3 ,雖不小,但比起原子濃度 5×10 22 cm/ 3 則很小 二、外質(掺雜)半導體 1. 本質半導體的電子電洞濃度相當小,僅可有微量電流。適當地加入控制量的某 些雜質可大為提高。 2. 施體 donor 雜質:施捨自由電子 常用第五族元素有磷 P 與砷 As 第五個價電子則鬆散地束縛在原子上,室溫下可有足夠熱能破壞鍵結而成自 由電子,因而對半導體電流有所貢獻。 當第五個價電子移動到導電帶,磷離子則形成帶正電的離子。 剩下之原子帶正電荷,但在晶格內不可移動,所以對電流無貢獻 施體雜質產生自由電子,但不產生電洞 摻雜:加入雜質,控制自由電子()濃度 N(negative)型半導體 3.受體 aceptor 雜質:接受價電子 常用第三族元素有鋁 Al、硼 B 三個價電子,剩下一開放的鍵結位置。 室溫下鄰近的價電子可有足夠熱能而跑至這個位置, 因鄰近位置產生電洞。造成電洞移動的效果而產生電洞電流 受體雜質產生電洞,但不產生電子。 P(positive)型半導體 ⎛− = = = kT E i p n g e BT n n n 2 2 / 3

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  • 1

    1. ( Si) 2. 3. B

    Eg k Boltzmann =8610-6 eV/K

    Example 1.1

    T=300 K

    ni=1.51010 /cm3 51022 cm/3

    () 1.

    2. donor

    P As

    () N(negative)

    3. aceptor

    Al B P(positive)

    === kTE

    ipn

    g

    eBTnnn 22/3

  • 4.

    n0 p0

    ni Nd n

    n0=Nd ( majority ) p0= ni2/ Nd

    NA p

    p0=NA () n0= ni2/ NA

    Example 1.2 T=300 K P Nd=1016cm-3

    n0=Nd

    (drift)

    n 1.

    200 inpn =

    ( )2102 4 316

    1.5 102.25 10

    10i

    od

    np cmN

    = = =

  • 2. (A/m2)

    n =1350 (cm2/V-s) --

    p 3.

    4. (A/cm2)

    p =480 (cm2/V-s) --

    n p e=1.6*10-19 C ()

    Example 1.3

    T=300 K Nd=8*1015cm-3 As n =1350 (cm2/V-s) p =480 (cm2/V-s) E=100 V/cm

    EenEenenvJ nndnn +=== )(

    EepEepenvJ npdpp +=++=+= )(

    1( )n p n pJ en E ep E en ep E E E = + = + = =

  • ni=1.51010cm-3

    J= 170 A/cm2

    (diffusion)

    Jn

    Dn

    Jp

    Dp

    2 10 24 3

    15

    (1.5 10 ) 2.81 108 10

    i

    d

    np cmN

    = = =

  • PN (Junction) p

    n

    p n n p

    pn

    (Vbi)

    VT T=300 K 0.026 V

    Example 1.5

    T=300 K pn

    =

    = 22 lnln

    i

    daT

    i

    dabi n

    NNVnNN

    ekTV

  • p Na=1016 cm-3 n Nd=1017 cm-3

    ()

    Cj0 pF PN ()

    Example 1-6

    T=300 K Na=1016cm-3 Nd=1015cm-3 pn Cjo=0.5PF VR=1V VR=5V

    VR=1V VR=5V

  • PN

    ( P )

    () n p(p n)

    IS PN 10-3 10-1 pA ()

    1 nA

    VT 0.026 V n 1 2

    2 1

  • Example 1.7 T=300 K PN Is=10-14A n=1 vD=+0.70V vD=-0.70V

    vD=+0.70V pn iD= 4.93mA vD=-0.70V pn iD= -10-2pA PN - I-V

    VT -2 mV/C IS 5 CIS

    10 C ( VT )

  • VB

    ( PIV )

    50-200 V

    (Zener) (tunneling) PN 12V

  • IR 0+ < t < tS ts

    tf 10%

    DC

    1.

    IV

  • 2.

    IV

    3.

    1. IV

    RV

    RVIVRIV DPSDDDPS =+=

  • Example 1.8

    VD ID Is=10-13A

    VD=0.619V

    2.

    Example 1.9

    Vr=0.6V rf=10

    (1)

    ( )0.02613 35 (10 )(2 10 ) 1vD

    De V = +

  • (2)OFF

    --

  • AC

  • =dc + ac

    AC

    ac vd

  • VPS=0

    Small-signal equivalent circuit

    Cd Cj Rd rsN- P-

    Schottky barrier diode () n

    PN

    (0.88)(5) 4.4O DQV I R V= = =

    RrviRriRiriv

    d

    iddddddi +=+=+= )(

    0.1sin 19.9sin ( )0.0295 5

    id

    d

    v ti t Ar R

    = = + +

    0.0995sin ( )o dv i R t V= =

  • Schottky

    PN Schottky Vr

    Example 1.12 Pn Schottky IS=10-12A and 10-8A, 1 mA

    PN

    Schottky

    Schottky Is PN

    ( )3

    12

    1 100.026 ln 0.53910D

    V V

    = =

    ( )3

    8

    1 100.026 ln 0.29910D

    V V

    = =

  • - IC IC

    rz VZ IZ

    Example 1.13 1.41

    Vz=5.6V rz=0` R , I=3mA R

    The power dissipated in the Zener diode is

    PS ZV VIR

    =

    (3)(5.6) 16.8Z Z ZP I V mW= = =