Polovodičové počítače

Polovodiče

Polovodičové počítače Materiál: nejčastější křemík, dále diamant, germánium, GaAs Křemík Si: 𝑬 𝒈 = 1.12 eV, E(e-h pár) = 3.6 eV, hustota 2.33 g/ 𝒄𝒎 𝟑 dE/dx (M.I.P) = 3.8 MeV/cm ~ 106 e-h párů/μm pohyblivosti μ 𝒆 = 1450 𝒄𝒎 𝟐 / (Vs), μ 𝒉 = 450 𝒄𝒎 𝟐 / (Vs), 𝜀 𝒓 = 12 Dopování : příměsi pětimocné St, P, As (dárce – donor) třímocné B, Ga, In, (příjemce – acceptor) koncentrace příměsí 𝟏𝟎 𝟏𝟑 atomů/ 𝒄𝒎 𝟑 ( křemík 𝟏𝟎 𝟐𝟐 atomů/ 𝒄𝒎 𝟑 ) 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 n – typ Koncentrace děrové příměsi 𝑁 𝐴 Koncentrace elektronové příměsi 𝑁 𝐷 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.

𝒅 𝟐 𝑽 𝒅 𝒙 𝟐 = - 𝝆(𝒙) 𝜺 𝜌(x) : v 0≦x≦ 𝑥 𝑛 je 𝑒 𝑁 𝐷 Aproximace hustoty náboje na přechodu. 𝜌(x) e 𝑁 𝐷 −𝑥 𝑝 𝑥 𝑛 x -e 𝑁 𝐴 → → 𝞩 D =𝜌(x) D= 𝜀E E = -𝞩 V 𝜌(x) : v 0≦x≦ 𝑥 𝑛 je 𝑒 𝑁 𝐷 v −𝑥 𝑝 ≦x≦0 je -𝑒 𝑁 𝐴 𝒅 𝟐 𝑽 𝒅 𝒙 𝟐 = - 𝝆(𝒙) 𝜺 𝑁 𝐴 𝑥 𝑝 = 𝑁 𝐷 𝑥 𝑛

. 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