Semiconduttori ElementE g, eV C5.2 Si1.10 Ge0.72 Sn gray0.01.

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1 Semiconduttori ElementE g, eV C5.2 Si1.10 Ge0.72 Sn gray0.01

2 Conduzione per elettroni e buche

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5 Element or compound E g, eV  RT,  -1 m -1  n, m 2 /(Vs)  p, m 2 /(Vs) Diamond5.310 -12 0.180.12 Silicon1.15∙10 -4 0.140.048 Germanium0.722.20.390.19 Gray Tin0.0810 6 0.200.10 AlP3.0 AlAs2.3 GaP2.250.0450.002 AlSb1.520.0400.020 GaAs1.340.850.045 InP1.270.600.016 GaSb0.700.500.085 InAs0.332.30.010 InSb0.188.00.070

6 Calcolo teorico delle proprietà di un semiconduttore intrinseco Calcolo del numero di elettroni nella banda di conduzione; Calcolo del numero di lacune nella banda di valenza; Calcolo dell’energia di Fermi; Calcolo della conduttività. A T ambiente, una certa frazione di elettroni è termicamente eccitata dalla banda di valenza a quella di conduzione. La conduzione elettrica è data da questi elettroni e dall’uguale numero di lacune lasciate nella banda di valenza.

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8 Calcolo del numero di elettroni per m 3 nella banda di conduzione

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10 Calcolo del numero di lacune per m 3 nella banda di conduzione

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15 Semiconduttore estrinseco n-type L’atomo impurezza (qualche ppm) entra nel reticolo al posto degli atomi normali Host crystal Donor ionization energy E c –E d, eV PAsSb Ge0.01200.01270.0096 Si0.0450.0490.039 Il cristallo di Si è un mezzo di alta costante dielettrica. Il quinto elettrone di As ha una energia di legame di soli 0.049 eV. Esso è facilmente eccitabile nella banda di conduzione. L’impurezza è detta un donatore, ed il semi- conduttore è detto n-type perché gli elettroni sono i majority carriers.

16 Host crystal Acceptor ionization energy E a –E v, eV BAlGaIn Ge0.01040.01020.01080.0112 Si0.0450.0570.0650.16 Semiconduttore estrinseco p-type Si doped by adding few ppm of a valence-3 element (i. e. B). The impurity atom brings three electrons but occupies a site calling for four covalent bonds. Such an atom can readily capture an electron establishing the fourth bond; the atom serves as an acceptor. The captured electron is not available for conduction, but there remains a hole in the valence band from which the electron was excited. A material doped with acceptors conducts primarily by holes and is called a p-type semiconductor. Acceptors introduce isolated energy levels about 0.01 eV above the top of the valence band.

17 E’ possibile introdurre impurezze reticolari (donors o acceptors) in quantità dell’ordine delle p.p.m. (una ogni 10 5 -10 6 atomi). I livelli donor or acceptor sono molti vicini a Ec o Ev (dell’ordine di kT a T ambiente), per modo che gli atomi di droganti siano prevalentemente ionizzati a T ambiente. Pertanto vi sarà una concentrazione di portatori di carica estrinseci, cioè da impurezze (elettroni o buche) maggiore di quella intrinseca di un fattore 10 3 -10 6, ed un conseguente aumento di conducibilità per drogaggio. Il numero di portatori di carica intrinseci è basso a T ambiente, un elettrone nella banda di conduzione ed un hole in quella di valenza ogni 10 12 -10 9 atomi.

18 Variazione del livello di Fermi con T per Ge drogato p o n, a diversi valori di concentrazione di drogante. Il livello di Fermi tende verso il centro del gap proibito all’aumentare di T.

19 Concentrazione di elettroni e buche in un semiconduttore di tipo n in funzione di 1/T. Regime estrinseco Fino a 100 °C per Ge Fino a 200 °C per Si.

20 Mobilità dei portatori di carica

21 I due principali meccanismi di scattering dei portatori di carica nei semiconduttori sono 1) Vibrazioni atomiche (fononi); 2) Atomi di impurezze (dopants) ionizzati.

22 Vita media dei portatori di carica in eccesso e ricombinazione - Iniezione di portatori di carica nel campione attraverso un contatto elettrico - Creazione di coppie elettrone-hole con luce; - Bombardamento con particelle cariche

23 Meccanismi di ricombinazione -ricombinazione radiativa diretta di elettrone e lacuna con emissione di fotone: è poco probabile in Si e Ge (  calcolato 1 s,  misurato 10 -3 s); -Centri di ricombinazione. Sono livelli localizzati nella zona forbidden. Sono localizzati sia nel volume del cristallo che sulla superficie. Per cristalli molto puri  bulk è molto grande e quindi i carriers generati nel cristallo possono raggiungere la superficie ed i processi di ricombinazione superficiali sono dominanti.

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26 Due reticoli cubici a facce centrate spostati uno rispetto all’altro di 1/4 della diagonale della cella.

27 Element or compound E g, eV  RT,  -1 m -1  n, m 2 /(Vs)  p, m 2 /(Vs) Diamond5.310 -12 0.180.12 Silicon1.15∙10 -4 0.140.048 Germanium0.722.20.390.19 Gray Tin0.0810 6 0.200.10 La cella primitiva contiene due atomi, quindi 8 elettroni di valenza, ed ogni cella primitiva contribuisce con 1 livello ad ogni banda.

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30 Carburo di Silicio, SiC Forma cubica (  -SiC) tipo sfalerite, più forme polimorfe esagonali, di cui la  è la più comune.  -SiC E g = 2.8 eV  -SiC E g = 1.9 eV Presenta regime estrinseco fino a 500 °C. Drogaggio p con Al. Drogaggio n con N. E d 0.08 eV sotto E c E a 0.25 eV sopra E v. Gli accettori non sono completamente ionizzati a temperatura ambiente, come in Si e Ge, quindi p-SiC è nel regime transitorio a T ambiente.

31 Grafite C−C 1.42 Å; C∙∙∙C 3.40 Å Conduttività elettrica || ai piani 1000 volte più grande che in direzione  ai piani. Nei piani di grafene, la banda di valenza e quella di conduzione si toccano negli angoli della prima zona di Brillouin, sicché lungo certe direzioni la grafite può essere considerata metallica. E’ possibile ottenere campioni p o n doped perché in certe direzioni esiste un gap di energia.

32 Composti intermetallici III-V SiAlPGeGaAsSnInSb Unit-cell edge5.42 5.625.636.466.48 Å Interatomic dist.2.34 2.44 2.802.80 Å EgEg 1.13.00.721.340.080.16 eV

33 Solfuro, selenuro e tellururo di Cadmio CdS E g = 2.45 eV = 5060 Å CdSe E g = 1.74 eV = 7134 Å CdTe E g = 1.45 eV = 8560 Å Cristalli ampiamente usati per evidenziare e misurare l’intensità di luce visibile (fotocellule, esposimetri, fotometri).

34 Crystal preparation

35 Growth from the melt Czochralski method: a seed crystal, suitably oriented, is immersed into the surface of the melt and slowly withdrawed as growth proceeds. It is the standard procedure for Si and Ge. -Specimens up to 15 cm diameter have been grown. -Linear growth rates can be 3∙10 -4 m/s. -Adding the desired impurity through the tube allows for doping. All’inizio la temperatura del fuso è tenuta poco al di sopra della temperatura di fusione, ed il cristallo seed è abbassato nel fuso. La punta fonde, quindi si abbassa la T, finché il fuso comincia a cristallizzare sul cristallo seed, che lentamente è tirato via, facendo in modo che l’interfaccia liquido-solido sia sempre vicina alla superficie.

36 Fusione a zona Una sbarra policristallina del materiale è scaldata selettivamente in modo da fondere solo una sezione, o zona, che può essere spostata da un estremo all’altro della sbarra. Il processo di fusione a zona può essere usato per preparare cristalli singoli sia di elementi che di composti. Può anche essere usato per purificare i cristalli di semiconduttori, ed in tal caso si parla di raffinamento a zona.

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