Föreläsning 4 – pn-övergången

En presentation över ämnet: "Föreläsning 4 – pn-övergången"— Presentationens avskrift:

1 Föreläsning 4 – pn-övergången
Geometri Bandstruktur Inbyggd spänning och elektriskt fält Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

2 Komponentfysik - Kursöversikt
Bipolära Transistorer Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar och kapacitanser MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

3 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
N - typ P - typ E E Elektroner Elektroner Ec Ec Joniserade donator-atomer Positivt laddade! Joniserade acceptor atomer Negativt laddade! Eg Eg Ev Ev Hål Hål ND – koncentration av donatorer nn0 – koncentration av elektroner Elektronerna är rörliga och negativa Donatoratomerna sitter fast och är positivt laddade NA – koncentration av donatorer pp0 – koncentration av elektroner Hålen är rörliga och positiva Acceptoratomerna sitter fast och är negativt laddade Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

4 Mer om Fermi-Energin, EF
Drift+Diffusionsström: Gradient av EF Ingen ström (jämvikt): EF är konstant N P EC EF EF konstant: N,P-sidan behöver ändra sin potentiella energi! -eDU EF Ev Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

5 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
Rekombination Termisk Jämvikt Om np > ni2: elektroner kan rekombinera med hål för att minska överskottet! nn0=ND+ nn0 < ND+ N EC Tre elektroner rekombinerar: Kvar blir 3 positivt laddade donator-atomer! Ev p > p0 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

6 Föreläsning 4, Komponentfysik 2011
Varför pn-övergång? Dagens föreläsning: Var används pn-övergången? Inbyggd potentialskillnad Utarmningsområde Inbyggt elektriskt fält Formler för tre parametrar som karakteriserar pn-övergången: Inbyggt potentialskillnad. Inbyggt elektriskt fält. Utarmnings (rymdladdnings) längd. Föreläsning 4, Komponentfysik 2011

7 Föreläsning 4, Komponentfysik 2011
Varför pn-övergång? Bas Diod Lysdiod Solcell NPN BJT N-typ P N-typ Kollektor Emitter N-typ P-typ MOSFET nFET Gate Source Drain P-typ N-typ N-typ Substrat Föreläsning 4, Komponentfysik 2011

8 Mekanisk Analogi - diffusionsströmmar i en halvledare
Vattenhöjd – n, EF Höjdskillnad – potentiell energi Diffusionsström – ett flöde av vatten från vänster – höger. Höjdskillnaden styr flödet. Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

9 PN-övergång - bandstruktur
+ Positiv donator atom - Negativ Acceptor atom Fria elektroner E Fria Hål N-typ P-typ Ec Ev Ec Stor diffusionsström Inget e-fält – ingen driftström Ev Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

10 1 minuts övning : laddningsfördelning?
N-typ P-typ x=0 Vilken total laddningsfördelning är korrekt? A, B eller C? dn dp A B C z(x) z(x) z(x) eNA eND eND -dn dp dp x x x -dn -dn dp -eND -eNA -eNA Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

11 PN-övergång - bandstruktur
+ Positiv donator atom - Negativ Acceptor atom Fria elektroner E Fria Hål N-typ P-typ Ec Ev e Ec Ev Föreläsning 4 Komponentfysik 2013

12 PN-övergång - bandstruktur
+ Positiv donator atom - Negativ Acceptor atom Fria elektroner E Fria Hål N-typ P-typ Ec Ev e Ec Ev dtot e Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

13 Potentialbarriär för elektroner och hål!
Inbyggd Potential, Inbyggd Spänning E dtot N P Ec qUbi Ec EFn qUbi Ev EFp Ev Rymdladdningsområde Potentialbarriär för elektroner och hål! Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

14 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
Diod - likrikting N P I e e V I = I0(exp(Va/VT)-1) Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

15 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
Diod - framspänning N P I e DEpot=-eUa eUa V Ua I = I0(exp(Va/VT)-1) - Ua + Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

16 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
Diod - backspänning N e P I DEpot=-eUa eUa V -Ua I ≈ 0 + Ua - Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

17 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
dtot, dn dp och emax dtot dn dp Vi behöver kunna räkna ut: dn, dp, dtot : beskriver delvis diodens kapacitans. Ger hur stor volym som en solcell kan absorbera ljus Maximala elektriska fältstyrkan e: Genombrottsspänning Indirekt – Solceller, fotodiod ND NA x=-dn x=0 X=dp e Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

18 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
dtot, dn dp och emax dtot dn dp Laddning - fält Fält - Potential x=-dn x=0 X=dp z (m-3) X=dp Två obekanta: dn och dp Integrera två gånger  U(X) Ubi= U(dp)-U(dn) x=-dn x=0 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

19 Laddning – Fält – Potential - Energi
U(x) (V) z (m-3) X=dp Ubi X=dp x=-dn x=-dn x=0 x=0 e (V/m) X=dp x=-dn x=0 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

20 Föreläsning 4, Komponentfysik 2013
dtot, dn dp och emax Un Up Utarmningsområdet längd: Maximal fältstyrka: Föreläsning 4, Komponentfysik 2013

21 Sammanfattning: Nya beteckningar
Ubi: inbyggd potential, spänning (V) Ut: termisk spänning: kT/e=25.8mV vid T=300K dn: utarmningslängd på n-sidan (m) dp: utarmningslängd på p-sidan (m) dtot=dn+dp: total utarmingslängd (m) emax: maximal fältstyrka i pn-övergången Föreläsning 4, Komponentfysik 2013