1 Wykład II Rodzaje półprzewodników

2

3 Wybrane materiały stosowane w produkcji przyrządów półprzewodnikowychSzerokość pasma zabronionego[eV] 300K Ruchliwość [cm2/Vs] Względna stała dielektryczna Kondukt. cieplna [WmK-1] Krzem 1,12 1500 11,7 1,45 German 0,66 3900 16,0 0,55 Arsenek galu 1,43 8600 13,1 0,44 Antymonek galu 0,67 4000 15 0,33 Arsenek indu 33000 - 0,27 Fosforek indu 1,29 6000 1,1 0,68 Antymonek indu 0,16 70000 0,17

4 Materiały Grupy IV Im mniejsza Eg tym większa odległość do najbliższych sąsiadów d Atom Eg (eV) d (Å) C Si Ge Sn (półmetal) Pb ( metal) str wurcytu

5 Materiały IV grupy C, Si, Ge, Sn - struktura diamentuPb – struktura fcc fcc - face centered cubic bcc – body centered cubic bcc fcc

6 Komórka elementarna struktury blendy cynkowej

7 Półprzewodniki atomoweC (diament), Si, Ge, Sn (tzw. szara cyna lub α-Sn) Wiązanie tetraedryczne w strukturze diamentu. Każdy atom ma 4 najbliższych sąsiadów. wiązanie: sp3 kowalencyjne. Również niektóre pierwiastki V i VI grupy są półprzewodnikami! P S, Se, Te

8  BN, BP, BAs; AlN, AlP, AlAs, AlSbZwiązki III-V III V B N Al P Ga As In Sb Tl  nie używane  Bi  BN, BP, BAs; AlN, AlP, AlAs, AlSb GaN, GaP, GaAs, GaSb; InP, InAs, InSb,….

9 Związki III-V zastosowania: detektory IR, diody LED, przełącznikiBN, BP, BAs; AlN, AlP, AlAs, AlSb GaN, GaP, GaAs, GaSb; InP, InAs, InSb,…. Eg maleje zaś d rośnie w dół tablicy UOP Wiązanie tetraedryczne! Struktura blendy cynkowej. Niektóre związki (B i N ): struktura wurcytu Wiązanie: mieszane, kowalencyjno-jonowe Blenda cynkowa Wurcyt

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

11  ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe; CdS, CdSe, CdTeZwiązki II-VI II VI Zn O Cd S Hg Se Mn Te nie używany  Po  ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe; CdS, CdSe, CdTe HgS, HgSe, HgTe, wybrane związki z Mn….

12 Eg maleje zaś d rośnie w dół tablicy UOPZwiązki 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 które są półmetalami z zerową przerwą. Wiązanie tetraedryczne! Niektóre blenda cynkowa, niektóre str. wurcytu Wiązanie: bardziej jonowe niż kowalencyjne

13 Związki IV- IV  SiC IV C Si Ge SnInne: GeC, SnC, SiGe, SiSn, GeSn – nie można zrealizować lub nie są półprzewodnikami SiC: blenda cynkowa (półprzewodnik), heksagonalna gęsto upakowana (duża przerwa, izolator).

14 Związki IV- VI IV VI C O Si S Ge Se Sn Te Pb  PbS, PbTe, PbSe, SnSInne: SnTe, GeSe, nie można zrealizować lub nie są półprzewodnikami

15 Związki IV-VI zastosowania: detektory IR, przełącznikiPbS, PbTe struktura blendy cynkowej Inne:~ 100% wiązania jonowe Małe przerwy (detektory IR)

16 Duże przerwy wzbronioneZwiązki I-VII W większości izolatory: NaCl, CsCl, Brak wiązań tetraedrycznych ~ 100% wiązania jonowe Struktura typu CsCl lub NaCl Duże przerwy wzbronione lk=12 lk=8

17 Tlenki Izolatory (duże przerwy wzbronione)Niektóre są półprzewodnikami: CuO, Cu2O, 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 niskichT, niektóre tlenki są nadprzewodnikami Wiele wysokotemp. nadprzewodników jest wykonane na bazie La2CuO4 (Tc~ 135K)

18 Półprzewodniki z prostą i skośną przerwą wzbronioną

19 E(k) (relacja dyspersji) dla krzemu

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

21 E(k) (relacja dyspersji) dla germanu

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

23 Historia Isamu Akasaki 1985 monokryształ GaN na szafirze1989 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

24 GaN przegląd Wurcyt Stała sieci 300K a0 = 0.3189 nm c0 = 0.5185 nmgęstość 300K 6.095 g.cm-3 Wurcyt kryształ GaN Epiwarstwa GaN na szafirze

25 GaN struktura pasmowa i I strefa Brillouina25 25

26

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

28 Widmo promieniowania i energie wzbronione

29

30 Ga P As GaAs(1+x) Px

31 GaAs(1+x) Px

32

33 Izolatory topologicznePbSnSe 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 przewodzących prąd, które uniemożliwiają rozpraszanie elektronów. Oczekuje się, że taka ochrona topologiczna pozwoli na znacznie szybszy przepływ prądu elektrycznego i wydatne zmniejszenie wydzielania ciepła w układach 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.

34 Chalkopiryt Struktura ABC2 Czerwone i żółte sfery – metalZielone – anion - niemetal – każdy anion ma w sąsiedztwie 2 atomy metalu A i 2 atomy metalu B Zwykle dAC (Cu,Ag) –(Al,Ga,In) (S,SeTe)2 Np. CuInS2 , CuInSe2 CuGaSe2 (fotoogniwa)

35 Delafosyt I-III-O2 Np. TCO (transparent conductive oxide):(Cu, Ag) (Al,Ga,In)O2 CuGaO2

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

37 Perovskity Ca (Ba,Sr)Ti O3Ferroelektryki – polaryzacja ferroelektryczna wynika z przesunięcia jonów LaAlO3 –podłoża Nadprzewodniki wysokotemperaturowe

38 Stop Nie – i uporządkowany (typu CuPt)