Wykład II Rodzaje półprzewodników

Wybrane materiały stosowane w produkcji przyrządów półprzewodnikowych Półprzewodnik Krzem German Arsenek galu Antymonek galu Arsenek indu Fosforek indu Antymonek indu Szerokość pasma zabronionego[eV] 300K 1,12 0,66 1,43 0,67 Ruchliwość [cm 2 /Vs] 1500 3900 8600 4000 Względna stała dielektryczna Kondukt. cieplna [WmK -1 ] 11,7 16,0 13,1 15 1,45 0,55 0,44 0,33 0,33 1,29 0,16 33000 6000 70000 1,1 0,27 0,68 0,17

Materiały Grupy IV

Im mniejsza sąsiadów

d E g

tym większa odległość do najbliższych

Atom C Si Ge Sn Pb

str wurcytu (półmetal) ( metal)

E g (eV) d ( Å ) 6.0

2.07

1.1 0.7

2.35

2.44

0.0 2.80

0.0 1.63

Materiały IV grupy

• C, Si, Ge, Sn struktura diamentu • Pb – struktura fcc fcc - face centered cubic bcc – body centered cubic bcc fcc

Komórka elementarna struktury blendy cynkowej

•

Półprzewodniki atomowe

C

(diament),

Si, Ge, Sn Sn

) (tzw. szara cyna lub

α-

Wiązanie tetraedryczne w strukturze diamentu.

Każdy atom ma 4 najbliższych sąsiadów.

wiązanie: sp 3

kowalencyjne.

• Również niektóre pierwiastki półprzewodnikami!

V

i

VI

grupy są

P S, Se, Te

Związki III-V

III V B Al Ga Tl In

 nie używane 

N P As Sb Bi



BN, BP, BAs; AlN, AlP, AlAs, AlSb GaN, GaP, GaAs, GaSb; InP, InAs, InSb,….

Związki III-V

• •

zastosowania

: detektory IR, diody LED, przełączniki

BN, BP, BAs; AlN, AlP, AlAs, AlSb GaN, GaP, GaAs, GaSb; InP, InAs, InSb,….

Eg maleje zaś d rośnie w dół tablicy UOP tetraedryczne!

Struktura blendy cynkowej Wiązanie

. Niektóre związki (

B

i

N

): struktura wurcytu

Wiązanie:

mieszane, kowalencyjno-jonowe Blenda cynkowa Wurcyt

Widok z góry (wzdłuż osi c) i z boku struktury wurcytu

Związki II-VI

II Zn Cd Hg Mn VI O S Se Te

nie używany 

Po



ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe; CdS, CdSe, CdTe HgS, HgSe, HgTe,

wybrane związki z

Mn

….

•

Związki II-VI

zastosowania

: detektory IR, diody LED, przełączniki

ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe; CdS, CdSe, CdTe HgS, HgSe, HgTe

(półmetale); związki z

Mn Eg maleje zaś d rośnie w dół tablicy UOP Duże przerwy wzbr.!

(za wyjątkiem związków z

Hg

półmetalami z zerową przerwą.

które są

Wiązanie tetraedryczne!

str. wurcytu Niektóre blenda cynkowa, niektóre

Wiązanie:

bardziej jonowe niż kowalencyjne

Związki IV- IV



IV C Si Ge Sn SiC

Inne:

GeC, SnC, SiGe, SiSn, GeSn nie są półprzewodnikami – nie można zrealizować lub SiC

: blenda cynkowa (półprzewodnik), heksagonalna gęsto upakowana (duża przerwa, izolator).

Związki IV- VI

IV C VI O Si S Ge Se Sn Te Pb



PbS, PbTe, PbSe, SnS

Inne :

SnTe, GeSe

,

nie można zrealizować lub nie są półprzewodnikami

•

Związki IV-VI

zastosowania

: detektory IR, przełączniki •

PbS, PbTe

struktura blendy cynkowej •

Inne:

~ 100% wiązania jonowe Małe przerwy (detektory IR)

Związki I-VII

• •

W większości izolatory : NaCl, CsCl

,

Brak wiązań tetraedrycznych

~ 100% wiązania jonowe • Struktura typu

CsCl lub NaCl

Duże przerwy wzbronione lk=8 lk=12

Tlenki

• Izolatory (duże przerwy wzbronione) • Niektóre są półprzewodnikami:

CuO, Cu 2 O, ZnO

niezbyt dobrze rozumiane, nieliczne zastosowania (poza

ZnO m.in..

przetwornik ultradźwiękowy, fotowoltaika (partner typu n do CdTe typu p /lub materiał organiczny typu p !) • W niskich

T,

niektóre tlenki są nadprzewodnikami Wiele wysokotemp. nadprzewodników jest wykonane na bazie (

T c ~ 135K

)

La 2 CuO 4

Półprzewodniki z prostą i skośną przerwą wzbronioną

E(k) (relacja dyspersji) dla krzemu

E(k) dla Si i GaAs

a) E(k) dla Si i GaAs b)Powierzchnia stałej energii dla Si, w pobliżu 6 minimów pasma przewodnictwa w kierunku punktu X.

.

E(k) (relacja dyspersji) dla germanu

E(k) (relacja dyspersji) dla GaAs i AlAs

Isamu Akasaki 1985 monokryształ GaN na szafirze 1989 niebieska LED p-n GaN, p-typ otrzymany poprzez bombardowanie elektronami GaN:Mg, (prototyp) Shuji Nakamura 1993 – pierwsza zielona, niebieska, fiolet. i biała (o wysokiej jasności) LED na GaN (epitaksjalna warstwa MOCVD na szafirze),(wodór pasywuje akceptory), masowa produkcja 1995 –pierwszy biało-niebieski laser na GaN ze studnią kwantową

Historia

GaN przegląd

Stała sieci 300K a 0 = 0.3189 nm c 0 = 0.5185 nm gęstość 300K 6.095 g.cm

-3 Wurcyt http://en.wikipedia.org/ wiki/Gallium_nitride http://pl.wikipedia.org/wiki/Azotek_galu k rys ztał GaN www.phy.mtu.edu/yap/image s/galliumnitride.jpg Epiwarstwa GaN na szafirze

GaN struktura pasmowa i I strefa Brillouina

Wytrzymały na duże pole elektryczne: 3MV/cm Odporność na wysoką temp. (duża przerwa) Duża gęstość prądu Duża szybkość przełączania

GaN

Widmo promieniowania i energie wzbronione

As

GaAs (1+x) P x

P Ga

GaAs (1+x) P x

Izolatory topologiczne

• PbSnSe i PbSnTe • Dla przyszłych zastosowań elektronicznych kluczową cechą tych materiałów jest bardzo duże przewodnictwo elektryczne ich powierzchni.

Jest to rezultat właśnie tych szczególnych, topologicznych, właściwości elektronowych stanów powierzchniowych rozpraszanie elektronów. Oczekuje się, że taka ochrona topologiczna pozwoli na znacznie szybszy przepływ prądu elektrycznego i wydatne zmniejszenie przewodzących wydzielania ciepła prąd, w które układach uniemożliwiają mikro i nanoelektronicznych. Egzotyczne własności kwantowe stanów elektronowych, a zwłaszcza sprzężenie ruchu orbitalnego elektronów z ich spinowym momentem magnetycznym budzi także nadzieję na nowe zastosowania takich powierzchniowych prądów spinowych w spintronice - nowej gałęzi elektroniki, rozwijanej także w IF PAN.

Chalkopiryt

Struktura ABC 2 Czerwone i żółte sfery – metal Zielone – anion - niemetal – każdy anion ma w sąsiedztwie 2 atomy metalu A i 2 atomy metalu B Zwykle d AC

I-III-O 2 Np. TCO (transparent conductive oxide): (Cu, Ag) (Al,Ga,In)O 2

Delafosyt

CuGaO 2

Struktura NiAs – półprzewodniki magnetyczne (MnAs) Atomy metalu – czerwone kule; tworzą strukturę hcp (hexagonal closed packed) Atomy półprzewodnika – zielone kule

Perovskity

Ca (Ba,Sr)Ti O 3 1. Ferroelektryki – polaryzacja ferroelektryczna wynika z przesunięcia jonów 1. LaAlO 3 –podłoża 2. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe

Stop Nie – i uporządkowany (typu CuPt)