Transcript polovodice_1

Polovodičové počítače
Polovodiče
Polovodičové počítače
Materiál: nejčastější křemík, dále diamant, germánium, GaAs
Křemík Si: 𝑬𝒈 = 1.12 eV, E(e-h pár) = 3.6 eV, hustota 2.33 g/ 𝒄𝒎𝟑
dE/dx (M.I.P) = 3.8 MeV/cm ~ 106 e-h párů/μm
pohyblivosti μ𝒆 = 1450 𝒄𝒎𝟐 / (Vs), μ𝒉 = 450 𝒄𝒎𝟐 / (Vs),
𝜀𝒓 = 12
Dopování : příměsi pětimocné St, P, As (dárce – donor)
třímocné B, Ga, In, (příjemce – acceptor)
koncentrace příměsí 𝟏𝟎𝟏𝟑 atomů/ 𝒄𝒎𝟑
( křemík 𝟏𝟎𝟐𝟐 atomů/ 𝒄𝒎𝟑 )
n-typ křemík (příměs dárce), p-typ křemík (příměs příjemce)
Energetická hladina dárce cca 0.05 eV od vodivostního pásma
p – n přechody
ˇ+++
p-typ
Koncentrace děrové
příměsi 𝑁𝐴
-
+
+
n – typ
Koncentrace elektronové
příměsi 𝑁𝐷
Oba typy jsou v počátečním stavu elektricky neutrální.
Na přechodu mezi oběma polovodiči dochází ale k difuzi elektronů z n-typu do
p-typu. Tím se vytvoří prostorový náboj u rozhraní, a to kladný náboj v n-typu
a záporný náboj v p-typu. Tento proces pokračuje tak dlouho, dokud prostorový
náboj v n-typu nezamezí difuzi elektronů.
Oblast prostorového náboje je tzv. vyčerpaná oblast (depletion region)
Nejsou zde žádní volní nositelé náboje, zůstali tam pouze kladné ionty příměsi
v n-typu, záporné ionty příměsi v p-typu. Pokud v této oblasti nějaká částice
Ionizuje, vyniklý elektron a kladný iont jsou ihned odsáty elektrickým polem.
Velikost oblasti vyčerpání?
Řešení Maxwelových rovnic pro oblast vyčerpání náboje.
Aproximace hustoty náboje na přechodu.
𝜌(x)
e𝑁𝐷
−𝑥𝑝
𝑥𝑛
x
-e𝑁𝐴
→→
𝞩 D =𝜌(x)
D= 𝜀E
E = -𝞩 V
𝜌(x) : v 0≦x≦𝑥𝑛
je
v −𝑥𝑝 ≦x≦0 je
𝒅𝟐 𝑽
𝒅𝒙𝟐
=
-
𝝆(𝒙)
𝜺
𝑁𝐴 𝑥𝑝 = 𝑁𝐷 𝑥𝑛
𝑒 𝑁𝐷
-𝑒 𝑁𝐴
Konstrukce p-n přechodů
𝑝+
𝑛+ (vysoce předopovaný n-typ)
signál
p-typ
vyčerpaná oblast
. VN
Ohmický kontakt kov : nelze přímo na p-typ, neboť se vytvoří bariéra, proto je použit
𝑝+ typ.
• Difusní diodové přechody: difuse dárců do p-typu při teplotě 1000 C, ale příliš
hluboko
• Povrchově bariérové přechody: přechod mezi polovodičem a kovem
n-typ Si se Au, p-typ Si s Al
citlivé na světlo (2 – 4 eV), energetické pásmo 1 eV
• Iontově implantované přechody: bombardování polovodiče ionty z urychlovače
V Si: 𝜏 = 𝜌 10−12 = 10−9 s , 𝜌 = 10 000 𝛺 cm,
Skutečný tvar závisí na : počáteční ionizaci, směru dráhy, hustotě ionizace podle
dráhy, tvaru elektrického pole, (to vše integrovat)
DC direct coupling,
AC additional capacitor
Předzesilovač co nejblíže detektoru
Pro detekci při normální teplotě AC je adekvátní
Měření energií
10000
Range (μm)
1000
100
10
Kompenzační materiály
Polovodiče s přesně stejným počtem dárců a příjemců, označení jako „i“
Např. Li (dárce) driftované do p-typu. Difuse Li - vytvoří se úzký n-typ
poté aplikace napětí přes rozhraní tak, že kladné Li ionty driftují do p-typu
Dosáhne se stavu, kdy koncentrace donorů a dárců je stejná, vytvoří se
kompenzační oblast
Dosáhne se také velkého odporu 100 000 𝛺 cm.
Přechody s tímto materiálem jsou známy jako p-i-n přechody. V kompenzační zóně
není žádný prostorový náboj.
Křemík s Li se označuje Si(Li). Tloušťka kompenzační oblasti může být až 15 mm.
Zvýší se ale šum. Dále se musí použít nízké teploty.
Energie fotonů - Germániové detektory
Větší Z (Z(Si) = 14, Z( Ge) = 32.
Fotoelektrický jev 60 x větší
Ge má malé pasmo , 1.5 eV, nutné chlazení
Fano-faktor v energetickém rozlišení
Odezva detektoru