Wykład VI

Wykład VI

Złącze metal – półprzewodnik

Tranzystor polowy

𝒒𝜱_𝑩𝟎 = 𝒒(𝜱_𝒎 − 𝝌) 𝒒𝑽_𝒃𝒊 = 𝒒(𝜱_𝒎 − 𝜱_𝒔)

𝝌 – powinowactwo elektronowe półprzewodnika

𝜱_𝒎 praca wyjścia metalu

𝜱_𝒔 praca wyjścia półprzewodnika

Kontakt metal-półprzewodnik typu n dioda Schottky’ego

𝜱

> 𝜱

D.A.Neamen,Semiconductor Physics and Devices, ed. Mac Graw Hill

Praca wyjścia metali

D.A.Neamen,Semiconductor Physics and Devices, ed. Mac Graw Hill

Równanie Poissona

𝒅𝒊𝒗𝜺 = 𝝆

𝜺_𝟎𝜺_𝒔 𝜺 = −𝒈𝒓𝒂𝒅Φ

−𝒅𝒊𝒗𝒈𝒓𝒂𝒅Φ = −∆Φ ∆Φ = − 𝝆

𝜺_𝟎𝜺_𝒔

W 1D 𝒅^𝟐𝜱

𝒅𝒙^𝟐 = − 𝝆 𝜺_𝟎𝜺_𝒔

−𝒅^𝟐Φ

𝒅𝒙^𝟐 = 𝒅𝜺 𝒙

𝒅𝒙 = 𝝆(𝒙) 𝝐_𝒔

𝜺(𝒙) - natężenie pola elektrycznego

𝜱(𝒙) - potencjał pola elektrycznego

Równanie Poissona

Całkujemy:

Pole elektryczne w idealnym złączu m-s

𝝐_𝒔 = 𝜺_𝟎𝜺_𝒔

− 𝒅^𝟐Φ

𝒅𝒙^𝟐 = 𝒅𝜺 𝒙

𝒅𝒙 = 𝝆(𝒙) 𝝐_𝒔 Równanie Poissona

𝜺 𝒙 = න 𝒒𝑵_𝒅

𝜺_𝟎𝜺_𝒔 𝒅𝒙 = 𝒒𝑵_𝒅

𝜺_𝟎𝜺_𝒔 𝒙 + 𝑪_𝟏

𝑪_𝟏 = − 𝒒𝑵_𝒅 𝜺_𝟎𝜺_𝒔 𝒙_𝒏

𝜺 𝒙 = − 𝒒𝑵_𝒅

𝜺_𝟎𝜺_𝒔 (𝒙_𝒏 − 𝒙) 𝜺_𝒎𝒂𝒙 = − 𝒒𝑵_𝒅 𝜺_𝟎𝜺_𝒔 𝒙_𝒏 𝜺 𝒙_𝒏 = 𝟎

Rozwiązanie równania Poissona

𝒅Φ(𝒙)

𝒅𝒙 = −𝜺 𝒙 = +𝒒𝑵_𝒅

𝜺_𝟎𝜺_𝒔 (𝒙_𝒏 − 𝒙) 𝜺_𝒎𝒂𝒙 = − 𝒒𝑵_𝒅

𝜺_𝟎𝜺_𝒔 𝒙_𝒏

Rzeczywisty kontakt M-S - siły obrazowe

Elektron znajdujący się w odległości x od metalu indukuje w nim ładunek dodatni. Powstaje przyciągająca siła Coulomba, równa sile

przyciągającej między dwoma takimi samymi ładunkami różnoimiennymi.

W efekcie bariera potencjału na styku M-S obniża się o ∆Φ

Rys. z D.A.Neamen,Semiconductor Physics and Devices, ed. Mac Graw Hill

W tym wzorze e jest natężeniem pola elektrycznego.

Rzeczywisty kontakt M-S - stany powierzchniowe

Rys. z D.A.Neamen,Semiconductor Physics and Devices, ed. Mac Graw Hill

eF₀ – poziom neutralny

Poniżej tego poziomu – stany

Donoro-podobne (neutralne kiedy obsadzone, dodatnie kiedy puste) Powyżej – akceptoro-podobne (ujemne kiedy obsadzone,

neutralne kiedy puste).

Dioda Schottky’ego

𝑽 = 𝟎 𝑽 > 𝟎

𝑰_𝒎−𝒔 = −𝑰_𝟎 𝑰_𝒔−𝒎 = 𝑰_𝟎 𝑰_𝒎−𝒔 = −𝑰_𝟎 ≪ 𝑰_𝒔−𝒎 = 𝑰_𝟎(𝒆^{𝒒𝑽/𝒌𝑻}−𝟏)

𝑽 < 𝟎 𝑰_𝒎−𝒔 = −𝑰_𝟎 𝑰_𝒔−𝒎 ≪ 𝑰_𝒎−𝒔

Uwaga: strzałki oznaczają

kierunek strumienia elektronów

D.A.Neamen,Semiconductor Physics and Devices,

ed. Mac Graw Hill

Transport prądu przez złącze m-s

Ad 1.

1. Emisja termiczna 2. Tunelowanie

3. Rekombinacja

4. Dyfuzja elektronów 5. Dyfuzja dziur

Emisja termiczna

න

−∞

∞

𝑒^−𝑎𝑥2𝑑𝑥 = 2 න

0

∞

𝑒^−𝑎𝑥2𝑑𝑥 = 2 ∙ 1 2

𝜋 𝑎

2𝜋𝑘𝑇

𝑚^∗ ∙ 2𝜋𝑘𝑇 𝑚^∗

Jest to koncentracja elektronów o prędkościach między 𝒗 a 𝒗 + 𝒅𝒗, poruszających się we wszystkich możliwych kierunkach. Jeśli założymy, że nośniki poruszają się z

półprzewodnika do metalu wzdłuż osi 𝒙

Emisja termiczna

Dla elektronów swobodnych

Dla nośników w półprzewodniku

stała Richardsona

Charakterystyka I-V

𝑱_𝒔−𝒎 = 𝑨^∗𝑻^𝟐𝒆^{−𝒒Φ𝑩𝒏/𝒌𝑻}𝒆^{𝒒𝑽/𝒌𝑻} 𝑱_𝒎−𝒔 = 𝑨^∗𝑻^𝟐𝒆^{−𝒒Φ𝑩𝒏/𝒌𝑻}

𝑱 = 𝑱_𝒔−𝒎 − 𝑱_𝒎−𝒔 = 𝑨^∗𝑻^𝟐𝒆^{−𝒒Φ𝒌𝑻𝑩𝒏}(𝒆^{𝒒𝑽𝒌𝑻}−𝟏)

• Prąd nasycenia I₀ diody Schottky’ego jest 𝟏𝟎^𝟑 do 𝟏𝟎^𝟖 razy większy od prądu nasycenia dla złącza p-n

• Dioda Schottky’ego jest stosowana do prostowania przebiegów przemiennych o niskim napięciu i dużym prądzie.

Kontakt prostujący metal-półprzewodnik typu p

Omowy

kontakt metal – półprzewodnik

Półprzewodnik typu n i metal o pracy wyjścia _m<:

_m 

- _m E_F

U I

U=RI Kontakt omowy (o niskiej oporności)

uwaga: dla półprzewodnika typu p kontakt jest omowy gdy

_m>

Kontakt omowy metal –półprzewodnik typu n

silnie domieszkowany

Tranzystory

(ang. TRANSISTOR = TRANSfer resISTORs)

Podział

Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznacza element

transformujący rezystancję.

Tranzystor

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, które różnią się zasadą działania:

1. Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe).

2. Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe).

Tranzystory - rodzaje

Tranzystory

(ang. TRANSISTOR = TRANSfer resISTORs)

Tranzystory bipolarne i unipolarne

BIPOLARNE (BJT – Bipolar Junction T ransistor) STEROWANE PRĄDOWO, czyli aby I

≠ 0 musi I

≠ 0

UNIPOLARNE (FET – Field Effect Transistor) STEROWANE POLEM ELEKTRYCZNYM

występującym pomiędzy bramką i źródłem, czyli napięciem U

wytwarzającym to pole, ale I

≈ 0

Podział

Tranzystory

Tranzystor polowy

Trzy elektrody: źródło, dren i bramka. Bramka jest odizolowana od kanału źródło-dren

• JFET : bramkę stanowi złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym.

Tranzystory JFET pracują przy V_GS = 0.

• MESFET : bramką jest metalowa elektroda, która jest tak dobrana aby tworzyła z kanałem barierę Schottk’yego.

• MOSFET: bramkę stanowi metalowa elektroda odizolowana od kanału warstwą izolatora – tlenku.

Tranzystor polowy – złączowy

JFET

2

1

D DSS

P

I I V

V

 

   

 

-obszar odcięcia: Tranzystor jest wyłączony. Nie ma przepływu prądu (I_D = 0) przez kanał. Dzieje się to gdy napięcie źródło - bramka spełnia warunek : V_GS > V_P

-obszar aktywny, lub nasycenia: Tranzystor jest włączony. Prąd drenu jest kontrolowany przez V_GS, niezależny od V_DS. W tym obszarze tranzystor może pracować jako wzmacniacz:

-obszar omowy: tranzystor jest włączony ale pracuje jak rezystor o oporności kontrolowanej napięciem. Dzieje się to wówczas, gdy napięcie V_DS jest mniejsze niż w obszarze aktywnym. Prąd drenu jest proporcjonalny do napięcia V_DS i jest kontrolowany prze napięcie bramki V_GS.

Obszary pracy

Tranzystor polowy GaAs JFET i MESFET

MESFET bramką jest metalowa elektroda, która jest tak dobrana aby tworzyła z kanałem barierę Schottky