Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

Transkrypt

1 Wykład 7 Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

2 Złącze p-n Złącze p-n Tworzy się złącze p-n E Złącze po utworzeniu Pole elektryczne na styku dwóch półprzewodników powoduje, że prąd łatwo płynie w jednym kierunku a przepływ w drugim kierunku jest utrudniony.

3 Tworzenie się złącza p-n - diagram pasmowy złącza W stanie równowagi gradient poziomu Fermiego jest równy zeru! de F dx 0

4

5 A Dioda półprzewodnikowa Charakterystyka I-V - nieliniowa V I Polaryzacja w kier. przewodzenia Polaryzacja zaporowa n p A

6 Równanie Schockley a Potencjał wbudowany i I s ( e qv / nkt 1) 6

7 Prostownik Jest to układ, który zamienia prąd przemienny na prąd stały a) jednopołówkowy b) dwupołówkowy I t

8 Dioda Zenera Prawdopodobieństwo tunelowania T = Ce kw Efekt Zenera: (a) złącze p-n silnie domieszkowane w równowadze; (b) spolaryzowane napięciem w kierunku zaporowym c) efekt tunelowy z p do n. 8

9 Dioda Zenera 10 8 V/m (a) Silnie domieszkowane złącze w stanie równowagi; (b) złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym : tunelowanie elektronów z p do n; (c) charakterystyka I V. W silnie domieszkowanym złączu p-n szerokość obszaru ładunku przestrzennego jest niewielka. Jeśli napięcie polaryzacji wstecznej takiego złącza będzie większe od napięcia Zenera (napięcia przy którym następuję gwałtowny wzrost prądu na skutek jonizacji atomów w obszarze zubożonym), to krawędź pasma walencyjnego obszaru typu p znajdzie się wyżej niż krawędź pasma przewodnictwa obszaru typu n. Dlatego jeśli elektron znajdujący się w paśmie walencyjnym w obszarze typu p przejdzie przez obszar ładunku przestrzennego do obszaru typu n, to bez zmiany energii stanie się tam swobodnym nośnikiem elektronem znajdującym się w paśmie przewodzenia półprzewodnika typu n. Takie przejście nazywane jest przejściem tunelowym. Efekt tunelowy (dominuje w złaczach p-n: Si, Ge gdy V przebicia < 4 Eg/e)

10 Dioda Zenera - charakterystyka I V. Współczynnik stabilizacji S = I z I z U z U z U F 0. 7V (Si) Rezystancja statyczna R s = U z I z Rezystancja dynamiczna R D = U z I z 10

11 Dioda lawinowa p - elektrony uzyskują energię - aby kreować pary elektron-dziura przez zderzenie nieelastyczne + n Powielanie lawinowe (V przebicia > 6 Eg/e) Jeśli napięcie polaryzujące jest odpowiednio duże (a więc obszar zubożony szeroki), to nośniki przechodzące przez obszar zubożony uzyskują dużą energię. Zderzając się z węzłami sieci krystalicznej (z atomami) przekazują im część swojej energii, co powoduje przejście elektronów do pasma przewodnictwa, a co za tym idzie również "utworzenie" dziur - innymi słowy ma miejsce jonizacja. Pojawiają się w ten sposób nowe nośniki, które również są przyspieszane, zderzają się z węzłami sieci, itd. Proces ten nabiera charakteru lawinowego i nazywany jest przebiciem lawinowym.

12 Bateria słoneczna i fotodioda Ogniwo słoneczne i fotodioda działają w oparciu o efekt fotowoltaiczny: światło jest absorbowane dla h E g tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze

13 Złącze p-n E C I ni I ng elektrony E F E C E V Hole dziury s qv bi E V Półprzewodnik p - typu p I pi n Półprzewodnik - type typu n W stanie równowagi termodynamicznej przez złącze zawsze płynie pewien prąd nośników większościowych, zwanych prądami wstrzykiwania elektronów I ni i dziur I pi które są w stanie pokonać barierę potencjału na złączu. W stronę przeciwną płynie prąd generacji termicznej nośników mniejszościowych: elektronów I ng i dziur I pg. W stanie równowagi obydwa prądy równoważą się i wypadkowy prąd jest równy zeru. I pg

14 Efekt fotowoltaiczny hν E g Światło jest absorbowane, tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze gdy złącze jest zwarte - płynie prąd zwarcia, I sc.

15 Złącze jest zwarte Efekt fotowoltaiczny Złącze p-n przed oświetleniem I D (A) V D (V) Bariera potencjału na złączu nie zmienia się. Gęstości prądów wstrzykiwania są takie same jak w złączu nieoświetlonym. Prądy te równoważą prądy generacji termicznej ale pozostają niezrównoważone prądy fotogeneracji. Stanowią je: strumień elektronów z obszaru p do n i dziur z n do p. I sc = qn ph E g = qp/h ν~p Prąd zwarcia jest proporcjonalny do strumienia padającego promieniowania. I sc

16 Złącze jest rozwarte Efekt fotowoltaiczny Złącze p-n przed oświetleniem Wygenerowane światłem elektrony płyną do obszaru n a dziury do obszaru p. W wyniku tego obszar typu n ładuje się ujemnie a typu p dodatnio. Taka polaryzacja obszarów złącza jest równoważna polaryzacji w kierunku przewodzenia. Wartość tego napięcia polaryzacji nazywa się fotonapięciem rozwarcia V oc. Obniżenie bariery potencjału w złączu p-n powoduje, że rośnie prąd wstrzykiwania. W stanie równowagi, ten prąd wstrzykiwania jest równoważony prądami fotogeneracji. I sc I d = 0

17 Efekt fotowoltaiczny Prąd ciemny płynący przez złącze p-n spolaryzowane napięciem V oc, wyraża się równaniem: I d = I 0 [exp( qv oc kt ) 1)] Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd fotogeneracji, czyli I sc : Po przekształceniu: V I sc = I d = I 0 [exp( qv oc kt ) 1)] oc kt Isc kt I ln( 1) ln q I q I o sc o Ponieważ I sc ~ P, to V oc ~ ln P

18 Urządzenie, które zamienia energię słoneczną w energie elektryczną. P = I U=I 2 R= U 2 /R Jest podobne do baterii, bo dostarcza mocy prądu stałego. Różni się od baterii, bo napięcie które wytwarza zależy od oporności obciążenia. Bateria słoneczna

19 Promieniowanie słoneczne Atmosfera może pochłaniać więcej niż 50% światła słonecznego AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m 2

20 Widmo promieniowania i energie wzbronione Bandgap - przerwa wzbroniona, lattice constant stała sieciowa

21 Dioda elektroluminescencyjna (LED)

22 LED diagram pasmowy Diagram pasmowy diody LED bez polaryzacji i po spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia. Napięcie polaryzujące diodę zmniejsza barierę potencjału Vo i nośniki większościowe dyfundują do odpowiednich obszarów złącza, rekombinując w obszarze złącza.

23 Dioda GaAs (1-x) P x Przerwa prosta Przejście prosta - skośna Przerwa skośna E Poziom N Poziom N k x = 0.4 LED świecą na czerwono, x = 0.65 na pomarańczowo, x = 0.85 na żółto i x = 1 na zielono. GaAs 1-x P x dla składów molowych x<0.42 jest półprzewodnikiem z prostą przerwą wzbronioną. Dlatego prawdopodobieństwo rekombinacji promienistej jest duże. Natomiast dla większych składów półprzewodnikiem o skośnej przerwie wzbronionej. Stąd czysty GaP nie nadaje się na diody LED. Aby umożliwić rekombinację promienistą w tym krysztale, wprowadza się do niego tzw. domieszkę zlokalizowaną - azot.

24 Widmo LED GaAsP / GaAs 655nm / czerwone GaP 568nm / żółto-zielone GaP 700nm / jasno czerowne GaAsP / Gap 610nm / bursztynowe GaP 555nm / czysta zieleń GaAsP / GaP 655nm / czerwone o wysokiej wydajności GaP 568nm / żółto-zielone GaAlAs / GaAs 660nm / czerwone InGaAlP 574nm / zielone InGaAlP 574nm/zielone InGaAlP 620nm / pomarańczowe InGaAlP 595nm / żółte

25 Sposoby otrzymywania białych emiterów LED poprzez mieszanie trzech barw podstawowych przez konwersję promieni UV w luminoforze RGB przez częściową konwersję promieni niebieskich w luminoforze żółtym

26 Laser półprzewodnikowy a) Dioda laserująca bez polaryzacji i b) spolaryzowana napięciem równym energii wzbronionej półprzewodnika. Warunek wystąpienia akcji laserowej: półprzewodniki zdegenerowane E FC E FV 0 napięcie polaryzujące równe ~ przerwie wzbronionej

27

28 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.

29 TRANZYSTOR POLOWY UNIPOLARNY Obszary pracy tranzystora JFET: - obszar odcięcia: Tranzystor jest wyłączony. Nie ma przepływu prądu (I D = 0) przez kanał. Dzieje się to gdy napięcie bramka-źródło 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: I D I DSS GS 1 - 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. V V P 2

30 Tranzystor polowy złączowy JFET

31 Idea tranzystora bipolarnego

32 Tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria E C ), natomiast złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria E B ). Rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszaru n I B1 oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p I B2.

33 Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego (złącze E). Część tych elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektor-baza (złącze C) są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza.

34 Rodziny charakterystyk statycznych tranzystora w układzie OE