Złącze p-n: dioda. Dioda: element nieliniowy. półprzewodniki. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda. Przewodnictwo kryształów

Transkrypt

1 Przwodictwo kryształów Złącz : dioda tomy dyskrt oziomy rgtycz (stay rgtycz); okrślo rgi lktroów TOM KRYSZTŁ Półrzwodiki Przwodictwo ółrzwodików Dioda Dioda: lmt iliiowy TOM atom zjoizoway KRYSZTŁ asmo rzwodictwa rzwodiki ółrzwodiki izolatory asmo rzwodictwa rgia oziomy wzbudzo oziom odstawowy asma rgii wzbroioych rzrwa rgtycza asmo walcyj asmo lktroow Kryształy: asma rgii dozwoloj dla lktroów oddzilo asmami rgii zabroioj E Pasmo walcyj ajwyŝsz asmo rgtycz lktroów związaych z joami sici krystaliczj Pasmo rzwodictwa lktro staj się wsóly dla całgo kryształu i moŝ się w im rzmiszczać od wływm ola lktryczgo ośik rądu Koctracja lktroów w aśmi rzwodictwa dcyduj o rzwodictwi kryształu E Podział matriałów: E E < 5V E~510V asmo walcyj Przwodiki (mtal) asma rzwodictwa i walcyj częściowo rzkrywają się Półrzwodiki (samoist): asmo walcyj i asmo rzwodictwa są rozdzilo małą rzrwą rgtyczą; lktroy mogą rzchodzić z asma walcyjgo do asma rzwodictwa o otrzymaiu orcji rgii > E ( E szrokość asma zabroiogo) Źródło rgii: romiiowai lktromagtycz (fotoy), drgaia sici krystaliczj Koctracja ośików w zalŝy od tmratury, atęŝia romiiowaia zolatory rzrwa rgtycza jst a tyl duŝa, Ŝ w ormalych warukach liczba lktroów zdolych zalźć się w aśmi rzwodictwa jst bardzo mała. 1

2 Mchaizm rzwodictwa rzwodiki (mtal) Prąd lktryczy ruch ładuków od wływm rzyłoŝogo ola lktryczgo W róŝi: ruch jdostaji rzysiszoy Ruch lktroów w jdorodym olu lktryczym: W matriałach sowaliai lktroów w wyiku zdrzń fooami dryf chmury lktroów wzdłuŝ ola lktryczgo z rędkością V (~cm/s) zaczi mijszą iŝ śrdia rędkość ojdyczych lktroów w chmurz. Fooy ctra rozraszaia;. zaiczyszczia lub oscylacj sici rzwodictwo matriału: σ = 2m 2 τ Z wzrostm tmratury rośi koctracja fooów (zwiększają się drgaia sici krystaliczj) W mtalach: zwiększi rozraszaia i zmijszi τ koctracja lktroów zmiia się bardzo słabo ( cost) SKTEK: oór mtali zwiększa się wraz z wzrostm tmratury Rozwój matriałów ółrzwodikowych: Grma Era Krzmu 1962 Gas 1970 Wid bad ga smicoductors 1990 Polimry (ółrzwodiki orgaicz), matriały amorficz,... Półrzwodiki lmtar (samoist): rzrwa rgtycza Si 1.12 V G V C (diamt) 5.46 V amorficzy Si 1.71 V Poular związki ółrzwodikow: rzrwa rgtycza Gas GaP GaSb s P Sb 1.41 V 2.26 V V V V 0.17 V Półrzwodiki o szrokij rzrwi rgtyczj: GaN N ln SiC rzrwa rgtycza 3.4 V 1.89 V 6.2 V V Mchaizm rzwodictwa ółrzwodiki samoist lktro dziura rgia lktrou E E T=300 K =0.025 V lktro w aśmi walcyjym absorbuj orcję (kwat) rgii > E, zrwai wiązaia w krysztal: uwolii lktrou do asma rzwodictwa, dziura w aśmi walcyjym quasiładuk dodati moŝ się rzmiszczać Swobod lktroy i dziury są ośikami rądu w ółrzwodikach Rówowaga dyamicza gęstości ośików obu rodzajów. Rozkład rgii E ośików w rzybliŝiu rozkład Boltzmaa: ( ) x E k=8.62*10 5 V K 1 :stała Boltzmaa, T : tmratura [K] Para ośików lktrodziura rkombiuj śrdio o czasi s Z wzrostm tmratury rośi ilość ośików rądu rzwodość ółrzwodików zwiększa się Półrzwodiki domiszkowa door TYP N P, s, Sb oziom doorowy Wtrąci do sici krystaliczj zbudowaj z atomów cztrowartościowych domiszki trójwartościowj (akctora) owoduj wytworzi dziury słabo związaj z sicią. E akctor Nośiki większościow Wtrąci do sici krystaliczj zbudowaj z atomów cztrowartościowych domiszki ięciowartościowj (doora) owoduj wytworzi lktrou słabo związago z sicią TYP P l, Ga,, B W tmraturz okojowj rawi wszystki domiszki są zjoizowa Porzz odowidi domiszkowai moŝa wytwarzać ółrzwodiki o kotrolowaj, admiarowj koctracji lktroów lub dziur 2

3 Złącz Doświadczi myślow : dokoujmy ztkięcia kryształu tyu z kryształm tyu oczątkowo kaŝdy z kryształów jst lktryczi obojęty RóŜica stęŝń ośików owoduj dyfuzję: h dziury z obszaru dyfudują do obszaru tyu, lktroy obszaru dyfudują do obszaru tyu, kryształ tyu aładował się dodatio Złącz c.d. Na styku obu matriałów owstaj barira otcjału o wartości Barira otcjału ograicza dyfuzję ośików i rowadzi do stabilizacji sytuacji w złączu. rówowaga dyamicza akctory ładuk rzstrzy otcjał doory x kryształ tyu aładował się ujmi rgia dziur ółrzwodik dziurowy rąd rkombiacji otcjał ółrzwodik W złączu isolaryzowaym całkowity rąd łyący rzz złącz jst rówy zru, gdyŝ rąd R jst rówowaŝoy rzz rąd gracji G rozkład rgii dziur E/ liczba dziur liczba lktroów E / lktroowy rąd rkombiacji rozkład rgii lktroów R = G Stąd rąd gracji: ( G = x ) wyadkowy rąd rkombiacji R rgia lktroów ara lktro dziura otcjał rąd gracji G Ruch ośików jst odowidzialy za dziurowy i lktroowy rąd rkombiacji, składając się a wyadkowy rąd rkombiacji R Prąd rkombiacji jst roorcjoaly do liczby ośików zdolych okoać barirę otcjału : R ( ) = x R ( ) x E de rąd gracji G 3

4 SPOLRYZOWNE złącz c.d. SPOLRYZOWNE złącz rgia dziur rąd dziurowy rkombiacji rąd lktroowy rkombiacji 1. Złącz solaryzowa w kiruku zaorowym Barira otcjału wzrasta do wartości Zmijsza się liczba ośików zdolych okoać odwyŝszoą barirę Prąd rkombiacji malj rgia lktroów 2. Naięci zwętrz rzyłoŝo w kiruku rzwodzia Zmijszi bariry otcjału o wartość Rośi liczba ośików, zdolych okoać barirę otcjału Prąd łyący rzz złącz wzrasta Złącz isolaryzowa Złącz solaryzowa zaorowo (1V) Poszrzi obszaru zuboŝogo Wzrost bariry otcjału Złącz solaryzowa w kiruku rzwodictwa 4

5 SPOLRYZOWNE złącz c.d. W ogólości rąd rkombiacji w złączu : PoiwaŜ rąd łyący rzz złącz jst sumą rądu rkombiacji i gracji, to: [ ( ) ] czyli: R = ( ) x [ ] R = G x = G x 1 rówai oisując racę złącza, 2 złącz = G R (rówai Shockly a) 100 DOD Dioda ółrzwodikowa (rostowicza) Dla większych rądów rówai Shockly a modyfikuj się do ostaci: M = l 1 r G gdzi: r rzystacja matriału diody (asoŝyticza), M wsółczyik związay z tym ółrzwodika M~12 aięci rzwodzia złącza to aięci w kiruku rzwodzia, dla którgo rąd diody osiąga umowi duŝą wartość G Si Gas 1 0 G =0.35 =0.65 =2.3 [V] Dioda Zra Zastosowai: stabilizacja aięć Podstawow zastosowai iliiowych własości złącza rostowai rądów lktryczych D WE>Z WY Z Prostowik jdoołówkowy Z WE WY Dzilik aięcia z diodą Zra = stabilizator aięcia D t WE WY t Mijsc irwotj gracji ary lktrodziura Lawiow owilai ośików rądu w złączu w silym olu lktryczym Mijsca wtórj gracji ar lktrodziura Zachodzi dla aięć zaorowych większych od Z Douszczal aięci wstcz (zaorow) diody jst ograiczo rzz aięci rzbicia, zwa aięcim Zra ( Z ) 5

6 Dioda świcąca (lktrolumisccyja) ruch lktroów Ćwiczi: Badai diod ółrzwodikowych 1. Cl ćwiczia. Zaozai się z róŝymi rodzajami diod ółrzwodikowych: dioda rostowicza krzmowa, dioda świcąca (LED) oraz dioda Zra rkombiacj ruch dziur złącz solaryzowa w kiruku rzwodzia w złączu astęują itsyw sotaicz rocsy rkombiacyj Rkombiacja dziury i lktrou jst związaa z misją kwatu romiiowaia o rgii rówj w rzybliŝiu szrokości rzrwy rgtyczj Charaktrystyka rądowoaięciowa odoba do charaktrystyki diody rostowiczj grator obwód wyzwalai KŁD POMROWY B oscylosko Zbudować układ omiarowy Wjści: rzbig trójkąty o aięciach szczytowych od 2.5V do 2.5 V i częstości 1000 Hz Dioda rostowicza xt. Dokoać omiaru charaktrystyki diody D =f( D ) Dzilik aięcia: WE = D WY, D =wy/r Wykrślić wyiki dla dodatich aięć, stosując a osi rądów skalę logarytmiczą Doasować charaktrystykę diody uŝywając zmodyfikowago rówaia Shockly a M D = l 1 G D D r Zastąić diody rostowicz diodami świcącymi LED i wyzaczyć tą samą mtodą aięci rzwodzia. Czy rzkroczi aięcia rzwodzia owoduj świci diody? W tym samym obwodzi wykoać omiar charaktrystyki dla diody Zra (BZX55, ibiska). Wyzaczyć aięci Zra i aięci omijamy czło D r (iwilki rąd) omijamy składik 1 (oiwaŝ D >> G ) doasowywai charaktrystyki będzi rówowaŝ doasowywaiu rostj: D M = (l D l G ) 6