Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Transkrypt

1 Wykład VI Diody

2 Równanie Shockley a Potencjał wbudowany 2

3 I-V i potencjał wbudowany Temperatura 77K a) Ge E g =0.7eV b) Si E g =1.14eV c) GaAs E g =1.5eV d) GaAsP E g =1.9eV qv 0 ( )E g 3

4 I-V i potencjał wbudowany W złączach p-n zwykle qv E 0 g 4

5 Charakterystyka I-V, przebicie złącza Napięcie przebicia Prąd nasycenia Kierunek zaporowy 5

6 Przebicie złącza w kier. zaporowym Trzy mechanizmy efekt termiczny, efekt tunelowania, powielanie lawinowe Efekt termiczny (głównie w półprzewodnikach z wąską przerwą) I T 3 / 2 s g / exp E kt temperatura rośnie wydzielanie ciepła Pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego 6

7 Przebicie złącza w kier. zaporowym Efekt tunelowy (dominuje w złączach Si, Ge gdy V przebicia < 4Eg/e) p elektrony n Jonizacja zderzeniowa (dominuje gdy V przebicia > 6Eg/e) p - mniejszościowy nośnik zyskuje energię - generuje parę elektron-dziura + n 7

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 - 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 9

10 Stabilizator na diodzie Zenera Dla diody Si V F 0. 65V V F Dla diody Ge V F 0. 3V U WY = I R D 10

11 Dioda Zenera jako ogranicznik napięcia V F 11

12 Przebicie lawinowe Występuje dla złączy słabiej domieszkowanych Pary elektron dziura powstają w wyniku jonizacji zderzeniowej w silnym polu elektrycznym : Fotodioda lawinowa (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. 12

13 Powielanie lawinowe P : prawdopodobieństwo jonizacji zderzeniowej z siecią n in : liczba elektronów przechodzących ze strony p złącza n out n in (1 p p 2 p 3...) Współczynnik powielania (M n ) : M n n n out in M 1 1 p 1 V p 2 V przebicia p n p zwykle n = 3 ~ 6 13

14 Dioda i fotodioda lawinowa Fotodioda lawinowa (Avalanche Photodiode) Licznik pojedynczych fotonów (Single Photon Counter) 14

15 Dioda i fotodioda p-i-n Obszary p i n silnie domieszkowane (kontakty omowe) Szeroki obszar zubożony W, mała pojemność C = εε 0A W Krótka stała czasowa, b. szybka dioda Pracuje jako element przełączający Odporna na duże napięcia 15

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

17 Dioda tunelowa Esakiego V=0 V=V A V A <V<V B V=V B B. szybka dioda mikrofalowa efekt tunelowy jest b. szybki Zastosowanie generatory (obszar ujemnej rezystancji różniczkowej). 17

18 Dioda tunelowa Esakiego 18

19 Ładunek przestrzenny w złączu p-n Ładunek przestrzenny i pole elektryczne dla złącza p-n w którym N d > N a : (a) złącze w x=0, b) ładunek przestrzenny w złączu przy założeniu, że nośniki swobodne są zaniedbane; (c) rozkład pola elektrycznego. 19

20 Ładunek przestrzenny w złączu p-n Maksymalne pole elektryczne : (0 < x < x n0 ) (- x p0 < x < 0 ) dv ( x) xn 0 ( x) lub V0 ( x) dx dx xp0 (pole pod wykresem) Ale x p0 N a = x n0 N d i W = x p0 + x n0 1 q 1 q NN V N x W W a d 0 d n0 2s 2s Na Nd 2 x n0 W N a N a ε s = ε ε 0 N d 20

21 Pojemność obszaru zubożonego Symbol diody pojemnościowej C dq dv W 20V q 0 Na N N N a d d 1/ 2 Q qax n0 N d qax po N a N a d xno W xpo W Na Nd Na Nd N 21

22 Pojemność obszaru zubożonego Q = qax no N d = qa N an d W = A[ 2εε 0 V 0 V N a + N d q N a +N d N a N d ] 1/2 C j dq A 2q0 NaNd d( V 0 V ) 2 ( V0 V ) Na Nd 1/ 2 q 0A 2 0( V 0 V ) N N a Nd N a d 1/ 2 0 A W Dla p + n (N a >> Nd) C j = A 2 2qεε 0 N d (V 0 V) 1/2 22

23 Pojemność obszaru zubożonego Dla p + n (N a >>N d ) C j = A 2 2qεε 0 N d (V 0 V) 1/2 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 +. 23

24 Pojemność dyfuzyjna Dyfuzyjna ( związana z ładunkiem nośników mniejszościowych) przy polaryzacji w kier. przewodzenia: qv Q i( V ) I exp 1 D S kt 24

25 Pojemność dyfuzyjna złącza p-n g r d qv QD i( V ) IS exp 1 kt di qi qv I I exp q S o S dv V, Io kt kt kt 1 dq ; C g d g d VI, d o d dv C j dqj K C jo dv V 2 V0 V V 1 V 0 25

26 Pojemność złącza p-n C 26

27 Złącze p-n Model małosygnałowy 27