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 Mark Rothko Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

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 2014

3 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
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 2014

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 2014

5 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
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 2014

6 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
Varför pn-övergång? N-typ P Bas Kollektor Emitter NPN BJT Diod Lysdiod Solcell N-typ P-typ P-typ N-typ Gate Source Drain Substrat MOSFET nFET Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

7 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
Pn-övergång? Hur ritar vi bandstrukturen? Inbyggt elektriskt fält Inbyggd potential Varför likriktar en diod? Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

8 Mekanisk Analogi – drift/diffusion i en halvledare
Diffusionsflödet kan minskas av ett driftflöde Epot Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

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 2014

10 2 minuters 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 2014

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 2014

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 2014

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 2014

14 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
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 2014

15 Laddning – Fält – Potential - Energi
x=0 Ubi x=-dn X=dp U(x) (V) z (m-3) X=dp x=-dn x=0 e (V/m) x=0 x=-dn X=dp Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

16 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
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 2014

17 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
dtot, dn dp och emax Un Up Utarmningsområdet längd: Maximal fältstyrka: Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

18 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
Pn-övergång! Bandstruktur för en pn-övergång Inbyggt elektriskt fält Inbyggd spänning Varför likriktar en diod? Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

19 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
Diod - likrikting N P I e e V I = I0(exp(Va/VT)-1) Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

20 Diod – framspänning minskar e-fältet
DEpot=-eUa eUa V Ua I = I0(exp(Va/VT)-1) - Ua + Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

21 Diod – backspänning ökar e-fältet
DEpot=-eUa eUa V -Ua I ≈ 0 + Ua - Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

22 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014
Pn-övergång! Bandstruktur för en pn-övergång Inbyggt elektriskt fält Inbyggd spänning Varför likriktar en diod? Föreläsning 4, Komponentfysik 2014

23 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 2014