Wykład V Złącze P-N 1

Transkrypt

1 Wykład V Złącze PN 1

2 Złącze pn skokowe i liniowe N D N A N D N A p n p n zjonizowane akceptory + zjonizowane donory x + x Obszar zubożony Obszar zubożony skokowe liniowe 2

3 Złącze pn skokowe N D N A p n N A x p0 + x n0 N D x p p : większościowe w p n p : mniejszościowe w p n n : większościowe w n p n : mniejszościowe w n 3

4 Diagram pasmowy złącza pn w stanie równowagi termodynamicznej I nd E C I nu elektrony E F E C E V Hole s dziury I pd qv bi E V ptype P typ ntype N typ I pu I nd (I pd ) prąd dyfuzyjny elektronowy (dziurowy) I nu (I pu ) prąd unoszenia elektronowy (dziurowy) V bi potencjał wbudowany

5 5

6 Złącze pn dioda półprzewodnikowa Charakterystyka IV nieliniowa p n A Polaryzacja zaporowa Polaryzacja w kier. przewodzenia I V

7 Równanie Shockley a I = I s (e qv kt 1) 7

8 Kierunek przewodzenia V >0 23 k stała Boltzmanna 1.38x 10 J / s T temperatura w K=273+ C 19 q ład. elektronu 1.6x10 C 1<n<2, zależne od materiału; Przykład: Dioda z n=1 ; dla 0.7V prąd 1mA. Znajdź Rozwiązanie: I S Dla n=1: Dla n=2: I S e 700/ x10 A 10 A 3 700/ I S 10 e 8.3x10 A 10 A

9 Kierunek zaporowy V <0 i I s V<0 i kilka razy większe niż kt / q Prąd w kier. zaporowym jest stały ( prąd nasycenia) I S 9 9

10 Zastosowanie: prostownik Złącze PN Schemat blokowy zasilacza.

11 Praca diody prostowniczej 11

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

13 Prostownik dwupołówkowy Przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu prostownika 13

14 Transformator Siła elektromotoryczna indukcji dla jednego zwoju cewki: ε ind = dф dt 14

15 Kondensator 15

16 Kondensator t =RC stała czasowa

17 Wygładzanie przebiegów Przebiegi napięcia i prądu dla prostownika jednopołówkowego z filtrem, dla CR >>T, przy założeniu, że dioda jest idealna 17

18 Równanie Poissona ε(x) natężenie pola elektrycznego V(x) potencjał pola elektrycznego divε = ρ ε 0 ε s ε = gradv divgradv = V V = ρ ε 0 ε s W 1D d 2 V dx 2 = ρ ε 0 ε s d2 V dε x = dx2 dx = ρ(x) ε s

19 Ładunek przestrzenny w złączu pn Warunek neutralności qax p0 N a = qax n0 N d Obliczymy pole elektryczne w obszarze W korzystając z równania Poissona: d ( x) q ( p n N d N a) dx s s stała dielektryczna półprzewodnika Założymy, że wszystkie domieszki są zjonizowane i zaniedbamy nośniki swobodne w obszarze złącza pn: d ( x) q q Nd dx s d ( x) q q Na dx s s N s d N a (0 < x < x n0 ) ( x p0 < x < 0 ) 19

20 Ładunek przestrzenny w złączu pn Ładunek przestrzenny i pole elektryczne dla złącza pn 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. 20

21 Kwazipoziomy Fermiego. Złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia pn n e 2 i ne ( F F )/ kt n 2 qv / kt i p (a) Rozkład nośników mniejszościowych po obydwu stronach złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Odległości x n i x p mierzone są od krawędzi obszaru zubożonego (b) położenie kwazi poziomów Fermiego 21

22 Polaryzacja zaporowa Dla polaryzacji zaporowej V = V r (V r >> kt/q) : 22

23 Czy równanie Shockley a jest spełnione? Dobrze opisuje IV dla złączy pn w Ge, Gorzej dla złączy pn w Si i GaAs. Powody: generacja/rekombinacja nośników w obszarze zubożonym powierzchniowe prądy upływu oporność szeregowa n współczynnik idealności 23

24 Kier. przewodzenia prąd rekombinacji 24

25 Kier. zaporowy prąd generacji 25

26 Charakterystyka IV w rzeczywistym złączu pn (a) prąd rekombinacji, (b) prąd dyfuzyjny, (c) wpływ rezystancji szeregowej, (d) prąd generacji n=2 n=1 I 0 26