ΗΜΙΑΓΩΓOI ΚΑΙ ΗΜΙΑΓΩΓΙΜΕΣ ΔΟΜΕΣ

(7ο Εξάμηνο ΣΕΜΦΕ) - Ακαδημαϊκό Έτος 2003-04

Ελάχιστη Υλη που πρόκειται να διδαχθεί και να εξεταστεί

Α. Πρώτο μέρος του Μαθήματος (Διδάσκων: Ι. Σ. Ράπτης)

1. Έισαγωγή - Γενικά περί ημιαγώγιμων υλικών. Στοιχειακοί (IV) και Σύνθετοι (III-V, II-VI) Ημιαγωγοί. Κρυσταλλική Δομή και Ενεργειακές Ζώνες. Άμεσο-Έμμεσο Ενεργειακό Χάσμα. Σύνθετοι Τριμερείς Ημιαγωγοί. Συσχέτιση Ενεργειακού Χάσματος και Πλεγματικής Σταθεράς με τη σύνθεση του τριμερούς.
2. Η Εννοια της ενεργού μάζας στην περιοχή τοπικών ακροτάτων των ηλεκτρονιακών σχέσεων διασποράς. Η έννοια της πυκνότητας καταστάσεων. Πυκνότητα καταστάσεων στα όρια των ζωνών Σθένους και Αγωγιμότητας.
3. Ενδογενείς Ημιαγωγοί. Συγκέντρωση Φορέων στους Ενδογενείς Ημιαγωγούς. Ενδογενής Στάθμη Fermi. Νόμος δράσης των Μαζών.
4. Εξωγενείς Ημιαγωγοί. Προσμίξεις τύπου-p, προσμίξεις τύπου-n. Ενεργειακές Στάθμες Δοτών – Αποδεκτών. Συγκέντρωση Φορέων σε εξωγενείς Ημιαγωγούς.
5. Υπολογισμός της στάθμης Fermi εξωγενών Ημιαγωγών.στις περιπτώσεις μερικού και ολικού ιονισμού των προσμίξεων. Στάθμη Fermi ανομοιογενών Ημιαγωγών σε θερμοδυναμική ισορροπία.
6. Φαινόμενα Μεταφοράς Φορέων. Η έννοια της μέσης ελεύθερης διαδρομής και του χρόνου χαλάρωσης (εφησυχασμού, μέσου ελέυθερου χρόνου). Αγωγιμότητα και ευκινησία. Ενεργός μάζα αγωγιμότητας. Σκέδαση φορέων από προσμίξεις και φωνόνια. Φαινόμενο Hall.
7. Ημιαγωγοί εκτός θερμοδυναμικής Ισορροπίας. Ρεύμα διάχυσης. Ρεύμα αγωγιμότητας, Σχέση Einstein. Δημιουργία και επανασύνδεση Φορέων.
8. Εξίσωση συνέχειας για την περίπτωση ταυτόχρονης : i) δημιουργίας, ii) επανασύνδεσης, iii) διάχυσης, iv) ολίσθησης Φορέων.
9. Παραδείγματα επίλυσης της εξίσωσης συνέχειας. i) Μόνιμη έγχυση Φορέων στο ένα άκρο, ii) Δημιουργία Φορέων σε όλο των όγκο με επανασύνδεση (επιφανειακή) στο ένα άκρο, iii) Πείραμα των Heynes &Shokley
10. Διάχυση-Ολίσθηση και Ενδογενή Πεδία. Ενδογενή Πεδία και μεταβολή της Ενδογενούς στάθμης Fermi
11. Επαφή p-n χωρίς εξωτερικό πεδίο, Προσέγγιση Ζώνης Απογύμνωσης και Φορτίο Χώρου. Δυναμικό επαφής p-n.
12. Εφαρμογή εξωτερικού δυναμικού σε επαφή p-n, Ψευδοστάθμες Fermi
13. Χαρακτηριστική I-V επαφής p-n στην προσέγγιση των : i) απότομων ορίων της περιοχής απογύμνωσης, ii) εξάρτησης της πυκνότητας φορέων από τη διαφορά δυναμικού, iii) συνθηκών χαμηλής έγχυσης, iv) σταθερών ρευμάτων στην περιοχή απογύμνωσης

Τα ανωτέρω θέματα (1-13) αντιστοιχούν σε ύλη από τον Β’ τόμο (Θεωρία και τεχνολογία Ημιαγωγών) του βιβλίου του κ. Α. Κ. Θαναηλάκη «Τεχνολογία Ηλεκτροτεχνικών και Ηλεκτρονικών Υλικών», και κατανέμονται ως εξής :

1-10 : Πρώτο Κεφάλαιο (ολόκληρο)

11-13 : Δεύτερο Κεφάλαιο (παράγραφοι 2.1 έως και 2.4.5)

Β. Δεύτερο μέρος του Μαθήματος (Διδάσκουσα: Δ. Παπαδημητρίου)

1. Εισαγωγή στην Φυσική των Ημιαγωγών χαμηλών διαστάσεων. Σύγκριση συμπαγών (τριδιάστατων) ημιαγωγών με διδιάστατους, μονοδιάστατους και ημιαγωγούς μηδενικών διαστάσεων.

2. Ενεργειακή δομή συμπαγών και χαμηλοδιάστατων ημιαγωγών: Διαγράμματα Ε(k).

3. Πυκνότητα καταστάσεων συμπαγών και χαμηλοδιάστατων ημιαγωγών: Διαγράμματα Ν(Ε).

4. Κβαντικά πηγάδια Al_xGa_1-xAs-GaAs-Al_xGa_1-xAs. Περιγραφή των ενεργειακών καταστάσεων στην ζώνη σθένους και ζώνη αγωγιμότητας (sub-bands). Άρση του εκφυλισμού στις ενεργειακές στάθμες βαριών και ελαφριών οπών. Μεταβολή του ενεργειακού χάσματος. Οπτικές ιδιότητες μικροδομών κβαντικών πηγαδιών.

5. Βαθμίδες GaAs-Al_xGa_1-xAs-GaAs. (double-barrier diode:) Φαινόμενο σήραγγος σε συντονισμό. Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης. Αρνητική διαφορική αντίσταση.

6. Υπερδομές Al_xGa_1-xAs-GaAs-Al_xGa_1-xAs-GaAs-Al_xGa_1-xAs…

Μεταβολή της περιοδικότητας του κρυσταλλικού πλέγματος:

Υποζώνες-Υποχάσματα (minibands-minigaps). Βαλλιστική κίνηση ηλεκτρονίων.

7. Ετεροεπαφές μετάλλου-ημιαγωγού (Schottky-barriers), ημιαγωγού-ημιαγωγού (n-p, p-n, n-p-n και p-n-p), μετάλλου-μονωτή-ημιαγωγού (MOS), ετεροεπαφές με διαμόρφωση μέσω εμπλουτισμού (modulation doped heterojunctions). Προσαρμογή των ενεργειακών ζωνών (band-offsets).

8. Διδιάστατο ηλεκτρονιακό νέφος (MOSFET και HEMT). Προσδιορισμός του εύρους της ζώνης απογύμνωσης. Χαρακτηριστική καμπύλη χωρητικότητας-τάσης σε δομή p-Si/SiO₂/Me. Περιοχές συσσώρευσης-απογύμνωσης-αναστροφής. Προσδιορισμός της τάσης κατωφλίου στην κατάσταση ισχυρής αναστροφής.

9. Κβαντικό Φαινόμενο Hall (δεν διδάχθηκε).

Τα θέματα 1-8 αναλύονται στα αντίστοιχα κεφάλαια των:

«Low-Dimensional Semiconductors: Materials, Physics, Technology, Devices» του M.J. Kelly, και «Physics and Applications of Semiconductor Microstructures» του M. Jaros.

To κβαντικό φαινόμενο Hall περιγράφεται στο κεφ. 14 (Low-dimensional systems) του «Solid State Physics» των J.R. Ηοοk και H.E. Hall.