Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 6 Kapittel 5 - Overganger

Transkript

1 Fys2210 Halvlederkomponenter Forelesning 6 Kapittel 5 - Overganger

2 Repetisjon: Vp E Cp E Fp E Vp Particle flow Equilibrium (V = 0) Current Forward bias (V = V f ) E E E Vn (V 0 -V f ) V 0 W = qv 0 (1) Hole diffusion (2) Hole drift E Cn E Fn E Vn Particle flow q(v 0 -V f ) Current 2ε(V 0 V) q Reverse bias (V = V r ) (V 0 +V r ) Particle flow (3) Electron diffusion (4) Electron drift q(v 0 +V r ) Current N a + N d N a N d Med en påtrykt spenning styrer vi potensialbarrieren for fluksen av e - og h + over overgangen. Forspennning lav barriere, Reversspenning høyere barriere. Hele spenningsfallet antas å ligge over W da de nøytrale n- og p-områdene har liten resistans (høy doping og konduktivitet) Diffusjonsstrømmen er sterkt avhengig av barrierehøyden (eksponensielt)! Driftsstrømmen er derimot nesten uavhengig av barrierehøyden Driftsstrømmen begrenses av antallet tilgjengelige ladningsbærere (e - på p- siden, h + på n-siden) som kan «drifte» over barrieren, dvs ikke hvor raskt dette skjer Antallet tilgjengelige ladningsbærere gis av den termiske generasjonen av EHP i W og innen en avstand L p, L n fra W s kant

3 Diodeligningen Utgangspunkt: p p p n = e qv kt, antar lavnivåinjeksjon Bestemmer overskuddsfordelingene δp og δn ved å løse kontinuitetsligningen i de nøytrale områdene Siden E 0 i disse områdene reduseres kontinuitetsligningen til diffusjonsligningen som vi kjenner løsningen til Diffusjonsstrømmen av f.ex. h + blir da I p x n = qad p d dx n δp x n = qa D p L p Δp n e x n/l p Den totale strømmen blir da: I = I p (x n = 0) + I n (x p = 0) = qa D p L p p n + D n L n n p e qv/kt 1

4 I = I p (x n = 0) + I n (x p = 0) = qa D p L p p n + D n L n n p e qv/kt 1

5 Minoritets- og majoritetsbærerstrømmer i en diode

6 Minoritets- og majoritetsbærerstrømmer i en diode

7 W I = I p + I n = konstant Figure 5 17 Electron and hole components of current in a forward-biased p-n junction. In this example, we have a higher injected minority hole current on the n side than electron current on the p side because we have a lower n doping than p doping.

8 Oppgave (Ex 5-4): An skarp pn overgang i Si har følgende karakteristikk: Hva blir strømmen om dioden er: a) forspent med 0.5 V, b) reversspent med -0.5 V? p-side N a = cm -3 τ n = 0.1 µs μ n = 200 cm 2 /Vs μ p = 700 cm 2 /Vs n-side N d = cm -3 τ p = 10 µs μ n = 1300 cm 2 /Vs μ p = 450 cm 2 /Vs

9 Oppgave (Ex 5-4): An skarp pn overgang i Si har følgende karakteristikk: Hva blir strømmen om dioden er: a) forspent med 0.5 V, b) reversspent med -0.5 V? p-side N a = cm -3 τ n = 0.1 µs μ n = 200 cm 2 /Vs μ p = 700 cm 2 /Vs n-side N d = cm -3 τ p = 10 µs μ n = 1300 cm 2 /Vs μ p = 450 cm 2 /Vs

10 Bruk av pn-overgang - likeretter

11 Bruk av pn-overgang - likeretter

12 Bruk av pn-overgang - Detektor (fotodiode)

13 Reversspent pn-overgang med belysning - Fotodioden I tot = I th e qv kt 1 I op

14 Bruk av pn-overgang - Solcellen

15 Fotovoltaisk effekt og solcellen I tot = I th e qv kt 1 I op V = 0 I tot = I sc = I op Fotovoltaisk I = 0 V oc = kt ln I op + 1 q I th effekt (PV) Max effekt produsert av en Silisium solcelle basert på en enkelt diode er ~30% Hva skjer med de andre 67%? ~33% blir til varme (vekselvirkning med fononer) ~18% blir ikke absorbert ~17% annet (rekombinasjon, «black body radiation», impedansmatching, ) I I sc V oc V

16 Bruk av pn-overgang - Lysemitterende diode (LED)

17 Forspent diode - LED Forspent pn-overgang rekombinasjon av injiserte ladningsbærere lysemisjon i materialer med direkte båndgap E C E V External quantum efficiency: η ext = internal radiative efficiency x extraction efficiency

18 Flere pn-overganger satt sammen: Bipolar Junction Transistor I B (BJT) I E p+ n p I C Både elektroner og hull brukes (injeksjon og oppsamling av minoritetsbærare) bipolar To hovedområder for anvendelse; strømforsterkning og switching; f.eks. mobiltelefoner og satelliter (radiokommunikasjon), datamaskiner og minne Oftest npn-transistorer som brukes på grunn av den høye elektronmobiliteten Normalt raskere enn MOSFET men bruker mer effekt og forskjellen i raskhet har blitt mindre

19 Avvik fra den ideelle diodeligningen: - Begrenset forspenning over en diode

20 Ge Si GaAs GaAsP

21 Rekombinasjon og generasjon av ladningsbærere i deplesjonssonen

22 Rekombinasjon og generasjon (Diffusjon) Jeppson

23 Diodeligningen for «kort diode» enkel modell

24

25 Gjennombrudd

26 Figure 5 20 The Zener effect: (a) heavily doped junction at equilibrium; (b) reverse bias with electron tunneling from p to n; (c) I V characteristic.

27 Avalanche (skred) gjennombrudd (b) (c) Figure 5.21: Electron-hole pairs generated by impact ionization; (b) a single ionizing collision by an incoming electron and (c) primary, secondary and tertiary collisions.

28 Temperaturavhengighet:

29 Kapasitans

30 Metall-halvlederovergang

31 Schottky kontakt på n-type halvledere Vakuumnivå Figure 5 40 A Schottky barrier formed by contacting an n-type semiconductor with a metal having a larger work function: (a) band diagrams for the metal and the semiconductor before joining; (b) equilibrium band diagram for the junction.

32 Schottky kontakt på p-type halvledere Vakuumnivå Figure 5 41 A Schottky barrier between a p-type semiconductor and a metal having a smaller work function: (a) band diagrams before joining; (b) band diagram for the junction at equilibrium.

33 - - + V V r + Forward bias Reverse bias Figure 5.42

34 n-type Ohmsk kontakt m < s Figure 5.43

35 p-type m > s Ohmsk kontakt Figure 5.43