Złącze P-N Wykład V

Wykład V

Złącze P-N

2

Złącze p-n skokowe i liniowe

skokowe liniowe

N_D-N_A

x

p n

+ -

Obszar zubożony

-

N_D-N_A

+

p n

Obszar zubożony

zjonizowane akceptory zjonizowane donory

-

N_D-N_A

+

p n

x_n0 -x_p0

-N_A

N_D

p_p: większościowe w p

n_p: mniejszościowe w p n_n: większościowe w n p_n: mniejszościowe w n

Złącze p-n skokowe

Diagram pasmowy złącza p-n w stanie równowagi termodynamicznej

EC

EV EC

EV

p-typ n-typ

Hole s

EC

EV EC

EV

p-type n-type

EC

EV EC

EV E_F

P- typ N -typ

elektrony

dziury ^qVbi

I

I

I

V

– potencjał wbudowany

I

(I

) – prąd dyfuzyjny elektronowy (dziurowy) I

(I

) – prąd unoszenia elektronowy (dziurowy)

I

+ +

+ ++

-

- -

- -

A Złącze p-n

dioda półprzewodnikowa

Charakterystyka I-V - nieliniowa

V I

Polaryzacja w kier.

przewodzenia

Polaryzacja zaporowa

p n

+ +

+ +

-

- - - -

+

+ +

- - -

A A

++++ -

- - - -

+

-

+

Równanie Shockley’a

𝑰 = 𝑰 (𝒆

− 𝟏)

Kierunek przewodzenia

 V >0

k- stała Boltzmanna

T- temperatura w K=273+ C q - ład. elektronu

1<n<2, zależne od materiału;

Przykład: Dioda z n=1 ; dla 0.7V prąd 1mA. Znajdź Rozwiązanie:

Dla n=1:

Dla n=2:

s J x10 / 38

.

1 ^23

C x10 ¹⁹ 6

.

1 ^

IS

A A

x e

I

 10

 6 . 9 10

 10

A A

x e

I

 10

 8 . 3 10

 10

Kierunek zaporowy



V <0

V<0 i kilka razy większe niż



Prąd w kier. zaporowym jest stały ( prąd nasycenia)

I

i  

q kT /

I

Zastosowanie: prostownik

Złącze P-N

Schemat blokowy zasilacza .

Praca diody prostowniczej

Prostownik

Jest to układ, który zamienia prąd przemienny na prąd stały a) jednopołówkowy b) dwupołówkowy Graetza

I

t

Przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu prostownika

Prostownik dwupołówkowy

14

Transformator

𝜀

= − 𝑑Ф 𝑑𝑡

Siła elektromotoryczna indukcji dla jednego zwoju cewki:

Kondensator

Kondensator

t =RC – stała czasowa

Przebiegi napięcia i prądu dla prostownika jednopołówkowego z filtrem, dla CR >>T, przy założeniu, że dioda jest idealna

Wygładzanie przebiegów

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

𝑽

𝒅𝒙

= 𝒅𝜺 𝒙

𝒅𝒙 = 𝝆(𝒙) 𝝐

𝜺(𝒙) - natężenie pola elektrycznego

𝑽(𝒙) - potencjał pola elektrycznego

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:

( ) ( _{d a} )

s

d x q

p n N N dx





 

   

(0 < x < x_n0 )

(- x_p0 < x < 0 )

( )

d d

s s

d x q q

N N

dx



 





( )

a a

s s

d x q q

N N

dx



 

 

 

- stała dielektryczna półprzewodnika

Ładunek przestrzenny w złączu p-n



20

Ładunek przestrzenny i pole elektryczne dla złącza p-n w którym N_d > 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

(a) Rozkład nośników mniejszościowych po obydwu stronach złącza

spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Odległości x_n i x_p mierzone są od krawędzi obszaru zubożonego

( ) /

2

2 /

n p

F F kT i

qV kT i

pn n e n e





Kwazi-poziomy Fermiego.

Złącze spolaryzowane w kierunku

przewodzenia

22

Dla polaryzacji zaporowej 𝑽 = −𝑽𝒓 (𝑽𝒓 >> 𝒌𝑻/𝒒)

:

Polaryzacja zaporowa

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

 powierzchniowe “prądy” upływu

 oporność szeregowa

24

Kier. przewodzenia - prąd rekombinacji

Kier. zaporowy - prąd generacji

26

(a) prąd rekombinacji, (b) prąd dyfuzyjny,

(c) wpływ rezystancji szeregowej,

(d) prąd generacji

Charakterystyka I-V w rzeczywistym złączu p-n

n=1

n=2

I₀