złącze P-N

Złącze p-n P N Dodatnie dziury +ujemnie naładowane nieruchome akceptory Ujemne elektrony + dodatnio naładowane nieruchome donory P N dziury - + elektrony Tylko naładowane donory/akceptory (obszar zubożony)

- + - + Złącze p-n - + charakterystyka IV: symbol: Bez polaryzacji elektrony dziury Bez polaryzacji P N charakterystyka IV: I + - elektrony dziury kier. przewodzenia prąd U b. mały prąd b. duży prąd - + elektrony dziury kier. zaporowy b. mały prąd symbol:

zastosowanie: prostownik Złącze P-N

Złącze p-n skokowe i liniowe ND-NA x + p n Obszar zubożony zjonizowane akceptory zjonizowane donory ND-NA x p n + - Obszar zubożony skokowe liniowe

Złącze półprzewodnikowe W stanie równowagi gradient poziomu Fermiego jest równy zeru!

Złącze p-n + - p n ND -xp0 xn0 -NA ND-NA x pp: większościowe w p np: mniejszościowe w p nn: większościowe w n pn: mniejszościowe w n

Złącze p-n I charakterystyka IV:

Gęstość prądu unoszenia Prąd całkowity: elektronowy i dziurowy:

Gęstość prądu Prąd dyfuzyjny Całkowity prąd jest sumą prądu dyfuzyjnego (elektronowego i dziurowego) i prądu unoszenia (elektronowego i dziurowego) : J(x) = Jn(x) + Jp(x)

Ec Ev Polaryz. Ec przepustowa Polaryz. Ec zaporowa unoszenie dyfuzja Ec V V

Potencjał wbudowany W stanie równowagi W obszarze złącza W powstaje pole elektryczne i różnica potencjałów V0 Jeśli założymy, że obszary daleko od złącza są neutralne, czyli tam pole elektryczne jest równe zeru, to w obszarze neutralnym po stronie n będzie stały potencjał Vn zaś po stronie p - potencjał Vp a pomiędzy tymi obszarami wystąpi różnica potencjałów V0 = Vn – Vp Potencjał wbudowany: V0 = Vn – Vp Taki potencjał wbudowany jest konieczny do zapewnienia warunku aby gradEF =0 w całym złączu w stanie równowagi.

Potencjał wbudowany W równowadze (x : kierunek p  n) i Wiemy, że

Potencjał wbudowany ponieważ Vn – Vp = V0 to W równowadze, więc Dla złącza skokowego (Na i Nd): W równowadze, więc

Poziom Fermiego w równowadze Załóżmy, że pn i pp są równowagowymi koncentracjami w obszarach n i p, poza obszarem zubożonymW: Wiadomo, że W równowadze, EFn= EFp, więc

Złącze p-n

Ładunek przestrzenny w złączu p-n Warunek neutralności qAxp0 Na = qAxn0Nd Obliczymy pole elektryczne w obszarze W korzystając z równania Poissona: Założymy, że wszystkie domieszki są zjonizowane i zaniedbamy nośniki swobodne w obszarze złącza p-n: - stała dielektryczna półprzewodnika (0 < x < xn0 ) (- xp0 < x < 0 )

Ładunek przestrzenny w złączu p-n Ładunek przestrzenny i pole elektryczne dla złącza p-n w którym Nd > Na: (a) złącze w x=0, b) ładunek przestrzenny w złączu przy założeniu, że nośniki swobodne są zaniedbane; (c) rozkład pola elektrycznego.

Ładunek przestrzenny w złączu p-n Maksymalne pole elektryczne : Ale xp0 Na = xn0Nd i W = xp0 + xn0 (0 < x < xn0 ) (- xp0 < x < 0 ) (pole pod wykresem) 

Ładunek przestrzenny w złączu p-n Ponieważ  

Potencjał i pole elektryczne w równowadze Warunek neutralności: Równanie Poissona: - ND-NA x + p n xno -xpo -NA ND Ciągłość w x=0

Złącze p-n Uwaga!

Wyprowadzenie równania Shockley’a

Wyprowadzenie równania Shockley’a W stanie równowagi: Po spolaryzowaniu złącza: W stanie równowagi: - ND-NA x + p n xno -xpo -NA ND Po spolaryzowaniu złącza w kierunku przewodzenia: p ( - x ) n p e ) ( -qV/kT = p = e q ( V - V ) / kT = e qV / kT e -qV/kT p ( x ) n Ponieważ koncentracja nadmiarowych nośników większościowych nie różni się znacznie od koncentracji równowagowej:

Wyprowadzenie równania Shockley’a  Koncentracja nośników mniejszościowych na krawędzi obszaru zubożonego rośnie wykładniczo ze wzrostem napięcia polaryzującego złącze w kierunku przewodzenia   Nadmiarowa koncentracja nośników mniejszościowych maleje w głąb półprzewodnika od krawędzi obszaru zubożonego (rys. na następnym slajdzie):

Wyprowadzenie równania Shockley’a Rozkład nośników mniejszościowych po obydwu stronach złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Odległości xn i xp mierzone są od krawędzi obszaru zubożonego położenie kwazi –poziomów Fermiego

Wyprowadzenie równania Shockley’a Całkowity prąd dziurowy wstrzyknięty do obszaru typu n na krawędzi obszaru zubożonego: Całkowity prąd elektronowy wstrzyknięty do obszaru typu p na krawędzi obszaru zubożonego:

Wyprowadzenie równania Shockley’a Całkowity prąd: Dla polaryzacji zaporowej V = -Vr (Vr >> kT/q) :

Składowa elektronowa i dziurowa prądu w złączu p+ - n spolaryzowanym w kierunku przewodzenia.

Polaryzacja zaporowa Dla polaryzacji zaporowej V = -Vr (Vr >> kT/q) :

Czy równanie Shockley’a jest spełnione ? Dobrze opisuje I-V dla złączy p-n w Ge, Gorzej dla złączy p-n w Si i GaAs. Powody:  generacja/rekombinacja nośników w obszarze zubożonym  “prądy” powierzchniowe  oporność szeregowa  wysoki poziom wstrzykiwania przy małym napięciu Przybliżenie: ( ) 2 .. 1 / 3 exp = ³ µ n e kT U nkT eU j przew i dla

Kier. przewodzenia - prąd rekombinacji    

Kier. zaporowy - prąd generacji

Charakterystyka I-V w rzeczywistym złączu p-n

Przebicie złącza w kier. zaporowym Trzy mechanizmy  efekt termiczny  efekt tunelowania  powielanie lawinowe  efekt termiczny ( głównie w półprzewodnikach z wąską przerwą) wydzielanie ciepła temperatura rośnie Pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego

„Przebicie” złącza w kier. zaporowym  Efekt tunelowy (dominuje w złaczach Si, Ge gdy Vprzebicia<4Eg/e) Vprzebicia maleje ze wzrostem temperatury  jonizacja zderzeniowa (dominuje gdy Vprzebicia>6Eg/e) Vprzebicia rośnie ze wzrostem temperatury p n elektrony p n - Mniejszościowy nośnik Zyskuje energię + Generuje parę elektron-dziura

Charakterystyka I-V. „Przebicie” złącza

Efekt Zenera: (a) złącze p-n silnie domieszkowane w równowadze; (b) spolaryzowane napięciem w kierunku zaporowym – efekt tunelowy z p do n; (c) charakterystyka I–V.

Przebicie lawinowe p n + + - - Występuje dla złączy słabiej domieszkowanych Pary elektron – dziura powstają w wyniku jonizacji zderzeniowej w silnym polu elektrycznym : (a) Diagram pasmowy złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym; elektron zyskuje energię kinetyczną w silnym polu elektrycznym i wytwarza parę elektron – dziura w procesie jonizacji zderzeniowej; (b) Pojedyncze zderzenie c) Powielanie jonizacji zderzeniowej. p n + + - -

nin : liczba elektronów przechodzących ze strony p złącza P : prawdopodobieństwo jonizacji zderzeniowej z siecią nin : liczba elektronów przechodzących ze strony p złącza Współczynnik powielania (Mn) : zwykle n = 3 ~ 6

Napięcie przebicia dla złączy skokowych p+-n w funkcji koncentracji donorów dla Si, Ge, GaAs i GaP

I-V Temperatura 77K Ge Eg=0.7eV Si Eg=1.14eV GaAs Eg=1.5eV   Temperatura 77K Ge Eg=0.7eV Si Eg=1.14eV GaAs Eg=1.5eV GaAsP Eg=1.9eV

I-V W złączach p-n zwykle

Złącze p-n Model małosygnałowy

Przełączanie złącza p-n 46

Przełączanie złącza p-n

Pojemność obszaru zubożonego C Dla złącza skokowego

Pojemność obszaru zubożonego

Pojemność obszaru zubożonego

Pojemność obszaru zubożonego Pojemność obszaru zubożonego: (a) złącze p+-n –zaznaczono zmianę krawędzi obszaru zubożonego po stronie n przy zmianie polaryzacji zaporowej. Struktura przypomina kondensator płaski; (b) zależność C-V. Zaniedbano xp0 w silnie domieszkowanym obszarze p+ .

Pojemność dyfuzyjna (a) Stacjonarny rozkład nośników mniejszościowych dla polaryzacji w kierunku przewodzenia (niebieskie) i nieco mniejszej (przerywane niebieskie linie) w długiej diodzie. Rozkład chwilowy po nagłym zmniejszeniu prądu ( czarne linie). Dystrybucja nośników ulega szybkiej zmianie w pobliżu złącza ale z dala od złącza pozostaje bez zmian. b) j.w. dla krótkiej diody c) pojemność dyfuzyjna dla krótkiej i długiej diody w funkcji polaryzacji

Pojemność dyfuzyjna Dyfuzyjna ( związana z ładunkiem nośników mniejszościowych) – przy polaryzacji w kier. przewodzenia:

Pojemność złącza p-n

Złącze p-n