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 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.

5 Minoritets- og majoritetsbærerstrømmer i en diode Driftstrøm av minoritetsbærere er neglisjerbar utenfor W. Generelt er bidraget fra minoritetsbærere hovedsakelig diffusjonsstrøm. Injiserte minoritetsbærere diffunderer inn i de nøytrale områdene og rekombinerer med majoritetsbærere, δp(x n ) og δn(x p ) fordelingene, eksponensielt avtagende dybdefordeling. Flere diffusjonslengder fra W s kant transporteres strømmen hovedsakelig av majoritetsbærere (driftsstrøm). Total strøm I = I p + I n er konstant gjennom dioden. Ikke helt sant at ℇ = 0 i de nøytrale områdene; i så fall ingen drift av majoritetsbærere, men ℇ er dog liten siden konsentrasjonen av majoritetsbærere er høy.

6 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

7 Gjennombrudd To mekanismer 1. Zenereffekt (ved lave reversspenninger, -5 til -10 V); hardt dopede overganger smal W-sone og kryssende E V og E C bånd ved reversspenning tunnelering 2. Avalanche / skred (ved høye reversspenninger) lavt dopede overganger bred W-sone og tunnelering neglisjerbar. Krystallatomene ioniseres ved kollisjoner/støt med energetiske(raske) ladningsbørere generasjon av EHP multiplikasjonseffekt!

8 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.

9 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.

10 To mekanismer 1. Zenereffekt (ved lave reversspenninger, -5 til -10 V); 2. Avalanche / skred (ved høye reversspenninger) 1) og 2) har forskjellig temperaturavhengighet: - Zener; V br minsker med økende T pga E g minsker med økende T lettere å tunnelere. - Avalanche; V br øker med økende T fordi µ (mobiliteten) minsker med økende T høyere spenning (E-felt) kreves for å øke ladningsbærernes hastighet slik at skred av EHP kan dannes

11 Ge Si GaAs GaAsP

12 Rekombinasjon og generasjon av ladningsbærere i deplesjonssonen For en virkelig diode må man også ta høyde for den rekombinasjonen og generasjonen som skjer i W (dvs ikke kun den som skjer utenfor W), og spesielt for W L p, L n (f.eks reversspenning). Diodeligningen modifiseres da til:

13 Rekombinasjon og generasjon (Diffusjon) Jeppson

14 Kapasitans To typer kapasitans: 1. Diffusjonskapasitans; under forspenning pga ladningsopplagring av minoritetsbærere 2. Deplesjonskapasitans; ved reversspenning pga de faste ukompenserte ladningene i W. C depl = εa W parallellplatekondensator tilsvarende en

15 Metall-halvlederovergang

16 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.

17 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.

18 Metall-halvlederovergang

19 n-type Ohmsk kontakt m < s Figure 5.43

20 p-type m > s Ohmsk kontakt Figure 5.43

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

22 Metall-halvlederovergang

23

24 Metall-halvlederkontakt i praksis Den ideelle barrierehøyden basert på arbeidsfunksjonen til metallet er sjelden observert i praksis

25

26 Heterojunction Overgang mellom materialer som har ulikt båndgap