Föreläsning 7 – pn-övergången III

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

1 Föreläsning 7 – pn-övergången III
Temperatur Rekombination Höga strömmar/spänningar Småsignalmodell Utarmningskapacitans Diffusionskapacitans Sol LeWitt Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

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 2014

3 pn-diod: kort diod - laddningar
EFn eUa EFp -dn dp Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

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 2014

5 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 7, Komponentfysik 2014

6 Fysikalisk förklaring till I(T)
EC EV 𝐸 𝑘𝑖𝑛 = 3 2 𝑘𝑇 T=300K T=400K Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

7 Mer exakt beskrivning av dioden:
Effekt av rekombination - idealitetsfaktor Höga Strömmar : Högnivåinjektion - idealitetsfaktor Serieresistans Höga backspänningar (?) Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

8 Föreläsning 7, Komponentfysik 2014
Rekombination: I rymdladdningsområdet Neutrala området 𝑛∙𝑝> 𝑛 𝑖 2 𝑊 𝑣 𝑒𝑙 <𝜏 𝑊 𝑣 𝑒𝑙 >𝜏 W W EC EC Rekombination Oviktigt! Rekombination! Ev Ev Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

9 Kort diod med rekombination i rymdladdningsområdet
Vid framspänning: np > ni2 i RLO Komplicerad matematik – ger idealitetsfaktor m=2 EC EV Rekombination i RLO ger m=2 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

10 Lång diod – rekombination i p/n- sidan
Diffusionslängd Ln Wn EFn eUa Lp -dn dp Samma idealitetsfaktor som en vanlig diffusion: m=1 ”Lång diod” Ln<Wp: Wp ersätts med Ln Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

11 Föreläsning 7, Komponentfysik 2014
“Stora” strömmar Höga Strömmar : Serieresistans Högnivåinjektion - idealitetsfaktor Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

12 Serieresistans – kort diod
N: ND P: NA -dn dp Spänningsfall på n/p-sidan: Drift Diffusion Diffusion / Drift 𝑈 𝑛 = 𝐼 𝑛 𝐿 𝐴 1 𝑒 𝜇 𝑛 𝑁 𝐷 Wn Wp Ua U 𝑈= 𝑈 𝑎 + 𝑈 𝑛 𝐼= 𝐼 𝑜 (exp 𝑈−𝐼𝑅 𝑚𝑘𝑇 −1) Viktigt vid höga strömmar – strömmen ökar inte exponentiellt med U! Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

13 Högnivåinjektion – np(dp)≈NA pn(dn)≈ND
Komplicerad matematik – ger idealitetsfaktor m=2 EC EV Högnivåinjektion ger m=2 Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

14 Diodkarakteristik - sammanfattning
Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

15 Föreläsning 7, Komponentfysik 2014
Stora backspänningar Tunnelströmmar Impact Ionization (Stötjonisation) Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

16 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 2014

17 Föreläsning 7, Komponentfysik 2014
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 2014

18 Mer exakt beskrivning av dioden:
Effekt av rekombination - idealitetsfaktor Höga Strömmar : Högnivåinjektion - idealitetsfaktor Serieresistans Höga backspänningar Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

19 Småsignalmodeller – DC + AC
Småsignaldmodell Utarmnigskapacitans Diffusionskapacitans Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

20 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 2014

21 Småsignal av en diod - DC
Storsignal Småsignal Rs Rs Ua >> 0 + P N Ua << 0 Ua gd - Småsingalmodell: Resistans, som minskar med ökande ström Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

22 Utarmningskapacitans – Storsignal
Exempel: Plattkondensator Definition: -Q er +dQ d Olinjärt förhållande mellan Q och Ua  C(U) dn dp dn dp Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

23 Utarmningskapacitans – Småsignal p+n
Definition: Liten förändring av spänningen Utarming n-sidan: Total laddning: PN-dioden har samma utarmningskapacitans (småsignalkapacitans) som en plattkondensator med avståndet dtot mellan plattorna! Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

24 Utarmningskapacitans - Cj
Backspännd diod: Varaktor : C(V) ? RS Cj (V) 1/gd Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

25 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 2014

26 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 2014

27 Diodens småsignalkapacitanser – Cj+Cdiff
Total kapacitans: Ctot Cj Cdiff Parallellkopplade kapacitanser! Cj 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 2014

28 Småsignalmodeller – DC + AC
Småsignaldmodell Utarmnigskapacitans Diffusionskapacitans Föreläsning 7, Komponentfysik 2014

29 Föreläsning 7, Komponentfysik 2013
Sammanfattning m: Idealitetesfaktor Ln,Ld: Diffusionslängd gd: Diodens konduktans (S) Cj: utarmningskapacitans (F) Cdiff: Diffusionskapacitans (F) Ubr: genombrottsspänning (V) Föreläsning 7, Komponentfysik 2013