Föreläsning 7 – pn-övergången III

En presentation över ämnet: "Föreläsning 7 – pn-övergången III"— Presentationens avskrift:

1 Föreläsning 7 – pn-övergången III
Temperatur Diodvarianter Småsignalmodell Utarmningskapacitans Diffusionskapacitans Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

2 Komponentfysik - Kursöversikt
Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar 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 7, Komponentfysik 2013

3 pn-diod: kort diod - laddningar
EFn eUa EFp -dn dp Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

4 pn-diod: kort diod – Wp, Wn << Lp,Ln
y Elektroner diffunderar np N: ND -dn dp P: NA Hål diffunderar pn x Wn Wp Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

5 pn-diod: Från elektroniken
+ P N - I0 ~ 10-14A va – pålagd spänning Ut – termisk spänning = kT/e h – idealitetsfaktor (1<h<2) Vad ger storleken på h? Temperaturberoende? Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

6 Diodström som fuktion av temperatur
< 0 eUa < Eg! Högre temperatur: fler elektroner diffunderar - För en fix spänning – stor variation in strömmen + Integrerad termometer i en mikroprocessor! Backspänning: I0 ~ ni2 (T) Va=0.5V Föreläsning 5, Komponentfysik 2013

7 Fysikalisk förklaring till I(T)
EC EV T=300K T=400K Föreläsning 5, Komponentfysik 2013

8 Kort diod med rekombination I rymdladdningsområdet
Vid framspänning: np > ni2 i RLO Elektroner och hål kan rekombinera i RLO – jmf lysdiod : Livstid t. Komplicerad matematik – ger idealitetsfaktor η=2 EC EV Ofta både rekombination och diffusion i de neutrala områderna: 1< η <2 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013

9 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013
Diodkarakteristik Föreläsning 5, Komponentfysik 2013

10 Lång diod – rekombination i p/n- sidan
Diffusionslängd Ln Wn EFn eUa Lp -dn dp Ln, Lp: materialparameter – styrs av livstiden t. h=1, lite annorlunda I0 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013

11 Diodekvationer - formelsamlingen
Dioden är lång om Wn >> Ln! Ersätt Wn med Ln i uttrycken för IO Föreläsning 5, Komponentfysik 2013

12 Serieresistans: n+p diod
N: ND P: NA Wn=Wp=10µm -dn dp A= 103 µm2 ND = 1024 m-3 NA = 1021 m-3 µn=0.135 m2/Vs µp=0.045 m2/Vs ni=1016 m-3 Drift Diffusion Diffusion / Drift Wn Wp Diffusion över rymdladdningsområdet ( Ua ) Diffusion över P-sidan (Diffusion! Inget spänningsfall!) Drift genom ledningarna (Kräver spänningsfall) Drift genom N-sidan (Kräver spänningsfall) Dioden har alltid en serieresistans! Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

13 Backgenombrott – Zenerdiod
Ubr n+p diod V Tunnel-genombrott / stötjonisation då emax =ebr ebr ≈ 30 MV/m Vi kan styra Ubr genom att välja NA Typiska värden på genombrottsspänning: Genombrott betyder inte att komponenten går sönder – bara att den börjar leda i backriktningen! 0 < Ubr < -1kV Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

14 Föreläsning 7, Komponentfysik 2013
2 minuters övning Ubr normalt negativ, går mot 0 för ökande NA Skissa en I-V kurva för en diod med Ubr = 0V I V Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

15 Småsignalmodell av dioden
u U0 = + + Du P N t - U=U0+Du I=I0+Di Taylorutveckling kring V0 Olinjär funktion – komplicerad matematik Linjärisera kring en arbetspunkt U0 Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

16 Föreläsning 7, Komponentfysik 2013
Småsignal av en diod Storsignal Småsignal Rs Rs Ua >> 0 + P N Ua << 0 Ua gd - Småsingalmodell: Resistans, som minskar med ökande ström Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

17 Utarmningskapacitans – Storsignal
Exempel: Plattkondensator Definition: -Q er +dQ d Olinjärt förhållande mellan Q och Ua  C(U) dn dp dn dp Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

18 Utarmningskapacitans – Småsignal p+n
Liten förändring av spänningen Definition: Utarming n-sidan: Total laddning: PN-dioden har samma utarmningskapacitans (småsignalkapacitans) som en plattkondensator med avståndet dtot mellan plattorna! Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

19 Utarmningskapacitans - Cj
+Spänningsstyrd C(V) Spänningsstyrda oscillatorer Spänningsstyrda filter - Skapar en förskjutningsström genom dioden ? RS Cj (V) 1/gd Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

20 2 minuter övning – framspänd diod
När man framspänner dioden flyter en diffusionsström – vilken kurva är den mest troliga C-V kurvan? Enbart Cj A B C C C C V V V Oförändrad kapacitans Större kapacitans i framriktningen Mindre kapacitans i framriktningen Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

21 Framspänning – diffusionskapacitans n+p
Framspänning : Injecerar minoritetsladdningsbärare Fler elektroner som diffunderar på p-sidan: dQ EFn eVa -dn dp DQ U0+Du n U0 x dp Wp Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

22 Diodens småsignalkapacitanser – Cj+Cdiff
Total kapacitans: Ctot Cj Cdiff Parallellkopplade kapacitanser! RS Cj: Dominerar när dioden är backspänd Cdiff: Dominerar när dioden är framspännd. Cdiff ~ 0 vid backspänning 1/gd(Ua) Cj (Ua) Cdiff (Ua) Föreläsning 7, Komponentfysik 2013

23 Föreläsning 7, Komponentfysik 2013
Sammanfattning gd: Diodens konduktans (S) Cj: utarmningskapacitans (F) Cdiff: Diffusionskapacitans (F) Ubr: genombrottsspänning (V) Föreläsning 7, Komponentfysik 2013