Halvledare och ljus
Halvledare och ljus - Fysiken bakom LED, solceller och mobilkameran Dan Hessman Fasta tillståndets fysik Lunds universitet Solceller LED Halvledare! och ljus Diodlaser Kamerasensor Halvledare Halvledare II III IV V VI 5 B 6 C 7 N 8 O • Grupp IV: Si, Ge Detektorer, CCD, solceller, indirekt bandgap 2 • Grupp III-V: GaP, GaAs, InGaAsP… LED, lasrar, detektorer 3 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 4 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 5 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 6 80 Hg • Grupp III-N: GaN, InGaN… Blå (& vita) LED, UV lasrar • Grupp II-VI: HgCdTe… IR-kameror 82 Pb Periodiska systemet (åtminstone den del som är viktig för en halvledarfysiker) Introduktion till halvledarfysik Energiband Energinivåer Ström av elektroner Tomt på elektroner Ljus ut Ljus ut Fullt med elektroner Fullt med elektroner 1 atom 2 atomer Många atomer Ström av elektroner (eller hål…) LED Introduktion till halvledarfysik Ledningsband (“conduction band”) med elektroner Absorption EC EC EC Bandgap Eg EV EV EV Valensband med hål 10 EC Absorption Ljusabsorption EC 1L...----l...--l...--'--'--'-'-............-"--....I...I....----'--.............................. 0.1 0.01 1.0 10.0 Photon energy hv (eV) EV 300 0 K. The bandgap energy Egis 1.12 eV for Si and 1.42 eV for GaAs. Silicon is relatively transparent in the 1.1 to 12 /-Lm, whereas inband Ao trinsic GaAs is relatively transparent 0.87 to 12 /-Lm (see in the band Ao Fig. 5.5-1). EV Wavelength Ao (p,m) 10 54 3 2 1.5 1.00.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.3 0.4 InP 10L..--....I......---L..-----l...-----L.._ _.l...--..I...--..I...--1........L..o 0.5 1.0 1.5 ..L..----L_---I- 2.0 2.5 ..I...--_-----'----L..- 3.0 3.5 ...L--_ _- - - - ' 4.0 4.5 Photon energy hv (eV) Teich: Fundamentals of photonics, Wiley Figure 16.2-3 Absorption coefficient versus photon energy Saleh, and wavelength for Ge, Si, GaAs, GaN Kisels Galliumnitrids 0 semiconductors at T = 300 K, on an expanded and selected other III-V binary bandgap bandgapscale. B. Band-to-Band Transitions in Bulk Semiconductors Absorption EC EC EV EV Solcell Fotonenergi utöver bandgapet blir värme Kostnad Livslängd Miljö Solspektrum Andel som blir elektricitet för solcell av kisel EC EV I Fotoner med energi mindre än bandgapet absorberas inte RLast http://solarcellcentral.com Absorption EC EC EV EV Miljontals pixlar med filter för rött, grönt eller blått Kamerasensor Varje pixel har en fotodiod som detekterar ljuset (och ett antal transistorer) EC EV C U Introduktion till halvledarfysik Absorption EC EV EC EV Ledningsband med elektroner EC Bandgap Eg EV Valensband med hål Spontan emission EC EC EV EV Spontan emission EC EC EV EV Lysdiod, LED, light emitting diode Olika halvledare har olika bandgap och därmed olika färg EC EV I V http://www.lpi.usra.edu/education/products/spectrometer/ Spontan emission EC EC EV EV Lysdiod, LED, light emitting diode Halvledare har stort brytningsindex n. Hög reflektivitet mot luft samt total internreflektion gör det svårt att få ut ljuset. EC EV I V http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_7/advanced/t7_1_2.html Hur fungerar vita lysdioder? ljus mha elektricitet • Blå lysdiod gör blå9 • Lyspulver gör om en del blå9 ljus ?ll grönt, gult och rö9 Blå lysdiod Lyspulver 300 400 500 600 700 Våglängd/nm 800 900 1000 Nobelpriset i fysik 2014 http://bobbymercerbooks.com Varför bara 20% effektivitet? Blå lysdiod Lyspulver http://energy.sandia.gov/office-of-science/scientificcollaborations/solid-state-lighting-2/overview/beyond-2d-3/ 43% Elektricitet -‐> ljus Mer forskning krävs om material & kontakter (Redan idag är 80% möjligt vid låga effekter) 56% Ljus -‐> ljus (innebär förlust som värme) Ersä9 lyspulvret med grön och röd LED 85% Ljus -‐> synintryck Op?mera färgerna hos lysdioderna Särskilt grönt kräver mer utveckling I vår forskning använder vi nanotrådar av halvledare för a9 lösa de här problemen – och dessutom billigare! !"#$%$&'( LA124013739-4860 25 20 15 10 5 0 0 Device Area = 56,000 um2 6E+4 5E+4 10 3E+4 5 2E+4 1 -2 Current (mA) 4E+4 20 Current (mA) 1 0.1 400 0 10 2 4 0.01 0.001 0.0001 1E+4 0.00001 0.000001 0E+0 450 500 Wavelength 550 600 0.0000001 TM gl! 5 Current (mA) 10 nLED after processing Peak Intensity Est. Lamp Efficiency (%) + EXPO CONFERENCES nLED as grown !"#$%&'()%*+,-.+-,/ Confidential gl! !"#$%& gl! TM Voltage (V) Introduktion till halvledarfysik Absorption EC EV EC EV Ledningsband med elektroner EC Bandgap Eg Stimulerad emission EC EV EC EV Spontan emission EC EC EV EV EV Valensband med hål Stimulerad emission EC EC EV EV Diodlaser Stimulerad emission (laser) kräver: - Många elektroner och hål => stor ström - Mycket ljus => speglar (men klyvd yta räcker ofta) EC EV I V www.newport.com EC EV I Kamerasensor RLast Solceller Halvledare! och ljus LED EC EC EV EV I I Diodlaser V V Dopning 6.7. DOPNING 159 + + + - -14+ 15 e 16 Si - + P S 31- + 32 33 + Ga - Ge As + -50+ 51 48P+ 49 Cd In Sn- + Sb 30 Zn - + - 34 Se + - 4 - 5 52 Te + Si:P 13 Al 8 O + EV 7 N - - 5 6 B - +C - 3 + VI + EC 12 Mg V - + III 2 IV - II 80 82 Hg Pb Figur 6.15: Vänster: En elektron bunden till den positiva fosforjonen rör Fosfor i kisel => extra elektron (och proton!); n-typ sig på en bana med stor radie. Höger: Polarisationen av kiselkristallen på grund av fältet mellan P+ och e Periodiska leder till förskjutning systemet av laddning. + Attraktionen mellan P och elektronen skärmas och reduceras därmed. Gallium i kisel => brist på elektron (och proton!); p-typ 6 (åtminstone den del som är viktig för en halvledarfysiker) kan bli bunden. Vi har då en ensam elektron som kan bli bunden till en jon (P+ ) som har en positiv elementarladdning. Detta liknar situationen i en väteatom. Problemet har alltså reducerats till ett till p-området där n2i 3 = ⇠ 109 m KAPITE om N NA n =n 174 Diod =E pn-övergång F EF di usion rekombination EF ρ rekombination N D+ EF x - NA di usion Figur 7.2: Elektroner n-typ och hål p-typ diffunderar och rekombinerar. E + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Figur 7.3: Vid övergången finns p p0 eftersom (i kisel) ni ⇠ 1016 m 3 vid rum Vi antar vidare att temperaturen är såda n-typ: innehåller donatorer, dvs atomer med området till p-området varierar laddning n= NDproton. i n-typ området en joniserade, extra elektron dvs och en extra så typiskt med ca 10 tiopotenser. Elektronerna lämnar efter När vi nudiffunderar har två iväg olikaoch områden indikera sigler ett överskott protoner. I p-typ rekombinerar elektroner med området ettavindex n eller p. Elektronkon p-typ: innehåller som lägge fler än vi vad termisk genom massv skriver dåacceptorer, som npjämvikt ,dvs vidatomer jämvikt saknar en Ielektron och en proton. hål. n-typ området rekombinerar håle skriver n . p0 Hål diffunderar iväg och lämnar efter sig ett bination är här ett sätt för systemet at underskott av protoner. När vi, i vårt tankeexperiment, tar bort I området kring övergången minskar d Därmed elektriskt fält somatt partik tar viuppkommer oss enligtettstatistisk fysik majoritetsladdningsbärare, vi får ett uta hindrar fler elektroner och hål från att att sig från området med högre E Deröra joniserade störatomerna (donatorer diffundera över till andra sidan. De upplever ett Ekvar sker genom elektroner diff F . Detta och eftersom de i att utarmningsområd potentialsteg hög elektronkoncentration till p-sidan m laddningsbärare får vi nettoladdningar. tidigt då hålen i motsatt rik därfördiffunderar även rymdladdningsområde. Här Nära övergången uppvisar ju både elek ⇢ väsentligen av störatomernas koncentr centrationsgradienter som driver diffusi + Det elektriska fältet E kan relateras till en elektrisk potential - fältet är gradienten av potentialen. till p-området där 0 n2i 3 = ⇠ 109 m KAPITE om N x n NA x n =n 174 Diod =E pn-övergång F p -xp p0 EF 16 m 3 vid rum eftersom (i kisel) n ⇠ 10 i di usion Vi antar vidare att temperaturen är såda området till p-området varierar laddning Den elektriska potentialen ger potentiell e 0 joniserade, dvs n = ND i n-typ området energi för en laddning q via Epot = så typiskt med ca 10 tiopotenser. F När vi nu har två olika områden indikera q . rekombination Bandkanterna visar potentiell E enerρ EC gi för elektroner, alltså ges de av e . I p-typ elektroner ler med området ett indexrekombinerar n eller p. EF Elektronkon rekombination + En elektron vid ledningsbandskanten på nND fler än vi vad genom lägge massv skriver dåtermisk som npjämvikt , vid Ejämvikt E F måste tillföras energi för att befinna sidan Fi hål. I n n-typ området rekombinerar håle x skriver sig vid ledningsbandskanten på p-sidan p0 . NA potentiell den har där högre EV systemet at di usion energi. bination är här ett sätt för När vi, i vårt tankeexperiment, tar bort I området kring övergången minskar d Figur 7.2: Elektroner och hål n-typ Därmed elektriskt fält somatt partik p-typ tar viuppkommer oss enligtettstatistisk fysik majoritetsladdningsbärare, vi får ett uta diffunderar och rekombinerar. E hindrar fler elektroner och hål från att att röra sig från området med högre E De joniserade störatomerna (donatorer diffundera över till andra sidan. De upplever ett + Elektriskt fält + + + Ekvar sker genom att elektroner diff + F . Detta + och eftersom de i utarmningsområd + potentialsteg + + hög elektronkoncentration till p-sidan m + + laddningsbärare får vi nettoladdningar. + + + tidigt då hålen i motsatt rik + därfördiffunderar även rymdladdningsområde. Här + + + + + Nära övergången uppvisar ju både elek ⇢ väsentligen av störatomernas koncentr centrationsgradienter som driver diffusi Figur 7.3: Vid övergången finns + Diod = pn-övergång Genombrott modifierar 185 den ideala diodkarakteristiken 7.4. PN-ÖVERGÅNGEN MED PÅLAGD SPÄNNING enligt figur 8.36 e( 0 E = -e(-U) I -U ) U e( 0 -U ) 7.6. GENERATION OCH REKOMBINATION Ugenombrott ÅLAGD SPÄNNING -U ) I + Framspänd 185 U/V E = -e U Rekombinationsströmmens -20 -19 -2 -1 spänningsberoende 1 trycket Figur 7.12: Vänster: då pn-övergången är framspänd (U > 0) minskar eU/2kT barriärhöjden. Höger: då pn-övergången är backspänd (U < 0) ökar barI ⇠ e , rec Backspänd Figur 8.36 Vid genombrottsspänningen ökar backströmmen drariärhöjden. matiskt. Vid framspänning minskar potentialsteget, vid och därmed får viökar den totala strömmen genom backspänning det. Därmed börjar det flyta betydligt många fler elektroner från n-sidan kan nu passeratill barriäI nationsströmmen den ideala diodströmmen. en ström: e( 0 -U ) ren medan elektronflödet från p-sidan förblir detsamma. Övergångdenna generaliserade diodekvation på formen en är framspänd och bristområdets vidd minskar. ⇣ ⌘ Exempel: eU/⌘kT Byter vi polaritet på spänningen, U < 0, minskar elektronernas I = I e 1 , (1 ⌘ 2) U 0 E = -e U en pn-övergång i kisel ökar är dopkoncentrationerna potentiella energi på n-sidan relativt Ip-sidan. Barriärhöjden då och endast det lilla elektronflödet p-sidan (som ger “läckdärfrån ⌘ är den så kallade idealitetsfaktorn. Figur 23 m –3 22 m – 3 , N = 10 och N = 10 A finns kvar. BarriärD strömmen” pn-övergången eller dioden) n är framspänd (U >genom 0) minskar 7 182 KAPITEL 7. PN-ÖVERGÅNGEN Sammanfattning: pn-övergång i termisk jämvikt Kamerasensor EC I utarmningsområdet finns mycket få fria laddningsbärare och laddningen ges väsentligen V av de joniserade dopatomerna. Utanför utarmningsområdet är nettoladdningen noll. E + + I + + + + + + + + + + + + + + + + ρ Rymdladdningstätheten ⇢ i pn-övergången. Vi gör Last approximationen att det finns en nettoladdning bara i utarmningsområdet. N D+ R x NA- Solceller Halvledare och ljus E Laddningstätheten ⇢ ger upphov till ett elektriskt fält E . -xp E xn x 0 • Band-Eav möjliga energier separerade av bandgapet • Elektronerna delas av alla atomer => kan leda ström • Dopning ger två typer av kontakter m 0 Det elektriska fältet E kan relateras till en elektrisk potential - fältet är gradienten av potentialen. LED -xp x xn EC E C Den elektriska potentialen ger potentiell energi för en laddning q via Epot = q . Bandkanterna visar potentiell enerV gi för elektroner, alltså ges de av e . En elektron vid ledningsbandskanten på nsidan måste tillföras energi för att befinna sig vid ledningsbandskanten på p-sidan den har där högre potentiell energi. E I V e EV 0 I EC EF EFi EV Diodlaser V Några försök med lysdioder Lysdioder kan både sända ut och absorbera ljus! • Lysdioder har två ben - vilket ska kopplas till +? • När tänds lysdioderna? Gör en liten tabell! Prova gärna både i normalljust rum och i ’’totalt’’ mörker. • Vi har lysdioder av olika färg samt röda och gröna lasrar. Vilka lysdioder kan absorbera vilket ljus? Tänk först och mät sedan! Hur stor blir spänningen över dioderna under belysning? • Kan du tända en lysdiod genom att lysa på en annan? ? • Låt lysdioden ladda upp en kondensator (dagsljus: 10 nA & 10 µF ger 1 mV/s) • Mät ström-spänningssambandet, i mörker och under belysning Några försök med lysdioder Lite om ”verkliga” mätinstrument 10 MΩ Dagsljus Dagsljus A ~10 nA För liten ström för de flesta amperemetrar ~10 nA V U=R·I U = 10 MΩ · 10 nA = 0,1 V < Uoc (U = 10 MΩ · 1 µA = 10 V > Uoc) Kopplar man en ideal voltmeter över en lysdiod så går det ingen ström utan de elektroner och hål som exciteras av ljuset laddar istället upp dioden till en spänning (Uoc) som är ungefär lika stor som den spänning som krävs för att lysdioden ska börja lysa. En verklig voltmeter däremot har ofta en inre resistans på 10 MΩ. Vid svag belysning kommer därför spänningen begränsas av läckströmmen genom multimetern. Vid kraftig belysning (t ex med laserpekare) blir läckströmmen dock försumbar och spänningen närmar sig Uoc. Några försök med lysdioder Ladda upp en kondensator med fotoströmmen (som i en kamera) 10 µF ~10 nA 10 MΩ Dagsljus V Q=C·U Q=I·t => U = I/C · t U = 10 nA / 10 µF · 10 s = 10 mV Med strömbrytaren sluten kommer så småningom fotoströmmen gå genom voltmetern istället för att ladda upp kondensatorn och spänningen slutar öka (se förra sidan). Om man istället bara slår till strömbrytaren just när man vill mäta fortsätter spänningen över kondensatorn att öka upp till Uoc. 182 KAPITEL 7. PN-ÖVERGÅNGEN Sammanfattning: pn-övergång i termisk jämvikt Kamerasensor EC I utarmningsområdet finns mycket få fria laddningsbärare och laddningen ges väsentligen V av de joniserade dopatomerna. Utanför utarmningsområdet är nettoladdningen noll. E + + I + + + + + + + + + + + + + + + + ρ Rymdladdningstätheten ⇢ i pn-övergången. Vi gör Last approximationen att det finns en nettoladdning bara i utarmningsområdet. N D+ R x NA- Solceller E Laddningstätheten ⇢ ger upphov till ett elektriskt fält E . -xp E xn x 0 -E m Tack! 0 Det elektriska fältet E kan relateras till en elektrisk potential - fältet är gradienten av potentialen. LED -xp x xn EC E C Den elektriska potentialen ger potentiell energi för en laddning q via Epot = q . Bandkanterna visar potentiell enerV gi för elektroner, alltså ges de av e . En elektron vid ledningsbandskanten på nsidan måste tillföras energi för att befinna sig vid ledningsbandskanten på p-sidan den har där högre potentiell energi. E I V e EV 0 I EC EF EFi EV Diodlaser V
© Copyright 2024