Diody Wykład V

Wykład V

Diody

Potencjał wbudowany

2

) 1

(



 I

e

i

Równanie Shockley’a

3

Temperatura 77K a) Ge E

=0.7eV b) Si E

=1.14eV c) GaAs E

=1.5eV d) GaAsP E

=1.9eV

𝒒𝑽

≅ (𝟎. 𝟓 − 𝟎. 𝟕)𝑬

I-V i potencjał wbudowany

4

I-V i potencjał wbudowany

0 g

qV  E

W złączach p-n zwykle

5

Charakterystyka I-V, przebicie złącza

Prąd nasycenia

Kierunek zaporowy Napięcie przebicia

6

Przebicie złącza w kier. zaporowym

Trzy mechanizmy:

• efekt termiczny (głównie w półprzewodnikach z wąską przerwą)

• tunelowanie

• powielanie lawinowe

Efekt termiczny

) 1

(



 I

e

i

 ^{E kT} 

T n

p N p

n









exp 

/

𝐿 = 𝐷𝜏 oraz

𝑰_𝒔 ≈ 𝒒𝑨𝑫_𝒑𝒑_𝒏𝟎

𝑳_𝒑 = 𝒒𝑨 𝑫_𝒑 𝝉_𝒑

𝒏_𝒊^𝟐

𝑵_𝑫 ∝ 𝑻^𝜸𝟐 ∙ 𝑻^𝟑𝐞𝐱𝐩(− 𝑬_𝒈 𝒌𝑻)





T

I_s  ^3/2exp  _g /

wydzielanie ciepła temperatura

rośnie

Pętla dodatniego

sprzężenia zwrotnego

8

• E

fekt tunelowy (dominuje w złączach Si, Ge gdy V

<4E

/e)

• Jonizacja zderzeniowa (dominuje gdy V

> 6E

/e)

p

n

elektrony

p

n

- mniejszościowy nośnik zyskuje energię

-- +

generuje parę elektron-dziura

Przebicie złącza w kier. zaporowym

9

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

Dioda Zenera

𝑻 = 𝑪𝒆

Prawdopodobieństwo tunelowania

a) b) c)

10

Dioda Zenera - charakterystyka I–V.

𝑹

= 𝑼

𝑰

Rezystancja statyczna

Rezystancja dynamiczna

𝒛

Współczynnik stabilizacji

𝑼_𝑭 ≅ 𝟎. 𝟕𝑽

𝑺 =

∆𝑰

𝑰

∆𝑼

𝑼

Stabilizator na diodzie Zenera

𝑽

≅ 𝟎. 𝟔𝟓𝑽

𝑉_𝐹

𝑼_𝑾𝒀 = ∆𝑰 ∙ 𝑹_𝑫

Dla diody Si

Dla diody Ge

𝑽

≅ 𝟎. 𝟑𝑽

Dioda Zenera jako ogranicznik napięcia

12

𝑉_𝐹

13

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.

Przebicie lawinowe

Fotodioda lawinowa

a)

b) c)

14

...) p

p p

1 ( n

n



 





p 1

... 1 p

p p

n 1

M n

in out

n

       

n

przebicia

V

V M

 





 



 

 1

1

P : prawdopodobieństwo jonizacji zderzeniowej z siecią n_in : liczba elektronów przechodzących ze strony p złącza

zwykle n = 3 ~ 6 Współczynnik powielania (M_n) :

Powielanie lawinowe

Dioda i fotodioda lawinowa

Licznik pojedynczych fotonów (Single Photon Counter)

Fotodioda lawinowa (Avalanche Photodiode)

Dioda i fotodioda p-i-n

16

• Obszary p i n silnie domieszkowane (kontakty omowe)

• Szeroki obszar zubożony W, mała pojemność

𝑪 = 𝜺𝜺

𝑨 𝑾

• Krótka stała czasowa, b. szybka dioda

• Pracuje jako element przełączający

• Odporna na duże napięcia

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

Dioda tunelowa Esakiego

18

V_A<V<V_B

V=0 V=V_A

V=V_B

B. szybka dioda mikrofalowa – efekt tunelowy jest b. szybki

Zastosowanie – generatory (obszar ujemnej rezystancji różniczkowej).

Dioda tunelowa Esakiego

Równanie Poissona

𝒅𝒊𝒗𝜺 = 𝝆

𝜺_𝟎𝜺_𝒔 𝜺 = −𝒈𝒓𝒂𝒅𝑽

−𝒅𝒊𝒗𝒈𝒓𝒂𝒅𝑽 = −∆𝑽 ∆𝑽 = − 𝝆

𝜺_𝟎𝜺_𝒔

W 1D 𝒅^𝟐𝑽

𝒅𝒙^𝟐 = − 𝝆 𝜺_𝟎𝜺_𝒔

−𝒅^𝟐𝑽

𝒅𝒙^𝟐 = 𝒅𝜺 𝒙

𝒅𝒙 = 𝝆(𝒙) 𝜺_𝟎𝜺_𝒔

𝜺(𝒙) - natężenie pola elektrycznego

𝑽(𝒙) - potencjał pola elektrycznego

21

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

Ładunek przestrzenny w złączu p-n

Maksymalne pole elektryczne:

0

0

0

0 xn

d s

d q N dx





 

 

0

0

0

0 a _p

s x

d q N dx







   

0 d no a po

s s

q q

N x N x

 ^{ }  ^{ } 



(0 < x < x_n0 ) (- x_p0 < x < 0 )

න

𝑉_𝑝 𝑉_𝑛

𝑑𝑉 𝑥 = − න

−𝑥_𝑝0 𝑥_𝑛0

𝜀 𝑥 𝑑𝑥

zakładając, że 𝑽_𝟎 = 𝑽_𝒏 − 𝑽_𝒑 = 𝑽_𝒏, 𝑽_𝒑= 𝟎

0 0 0

1 1

2 2

V  W q N x W

   

d a

a 0

n N N

W N

x  

2

0 0

1 1

2 2

a d d n

s s a d

q q N N

V N x W W

N N

 

 



2 / 1 0

2

 

 



 



 



 



d a

d a

N N

N N

q W  V

Potencjał wbudowany i szerokość obszaru

zubożonego

Ale x_p0 N_a = x_n0N_d i W = x_p0 + x_n0

pole pod wykresem 𝜺(𝒙)

W układzie SI gdzie 𝜺_𝟎- przenikalność

próżni, 𝜺 = 𝜺_𝒔 przenikalność względna półprzewodnika

24

Pojemność obszaru zubożonego

dV C  dQ

2 / 1 0

2 0



 



 



 



 



d a

d a

N N

N N

q W  V

2 / 1 0

0( )

2 



 



 



 



 

 

d a

d a

N N

N N

q

V W  V

Symbol diody

pojemnościowej Po spolaryzowaniu diody:

Uwaga: tu 𝜺_𝟎- przenikalność próżni, 𝜺 = 𝜺_𝒔 przenikalność względna półprzewodnika

𝑸 = 𝒒𝑨𝒙

𝑵

= 𝐪𝐀 𝑵

𝑵

𝑵

+ 𝑵

𝑾 = 𝑨[𝟐𝒒𝜺𝜺

𝑽

− 𝑽 𝑵

𝑵

𝑵

+ 𝑵

]

d a

a 0

n N N

W N

x  

25

Pojemność obszaru zubożonego

 



 







 

 

2 / 1

0 0

0 ( )

2 2 )

( _{a d}

d a

j N N

N N V

V q A

V V d

C dQ 

2 / 1

0 0

0

2 ( ) 



 







 

d a

d a

N N

N N V

V A q

 

W

0A





Dla złącza 𝒑⁺𝒏 (𝑵_𝒂 ≫ 𝑵_𝒅) 𝑪_𝒋 = 𝑨 𝟐

𝟐𝒒𝜺_𝟎𝜺𝑵_𝒅 (𝑽_𝟎 − 𝑽)

𝟏/𝟐

Dla polaryzacji zaporowej: 𝑪_𝒋 = 𝑨 𝟐

𝟐𝒒𝜺_𝟎𝜺𝑵_𝒅 (𝑽_𝟎 + 𝑽)

𝟏/𝟐

𝑸 = 𝒒𝑨𝒙

𝑵

= 𝐪𝐀 𝑵

𝑵

𝑵

+ 𝑵

𝑾 = 𝑨[𝟐𝒒𝜺𝜺

𝑽

− 𝑽 𝑵

𝑵

𝑵

+ 𝑵

]

26

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 x_p0 w silnie

domieszkowanym obszarze p⁺ .

Pojemność obszaru zubożonego

𝑪_𝒋 = 𝑨 𝟐

𝟐𝒒𝜺𝜺𝑵_𝒅 (𝑽_𝟎 − 𝑽)

𝟏/𝟐

Dla złącza 𝒑⁺𝒏 (𝑵𝒂 ≫ 𝑵_𝒅)

27

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

( ) exp 1

D S

Q i V I qV

  ^ kT ^

       

 

Pojemność dyfuzyjna

,

exp

o

S o S

d V I

qI I I

dI qV

g q

dV kT kT kT

    

,

1 ; C

o

d d d

d V I

r dQ g

g dV 

   

2 0

1

J jo

j V

dQ K C

C dV V V V

V

  

 

28

Pojemność złącza p-n

C

29

Złącze p-n

Model małosygnałowy