docPobierz - Zakład TwT WT PW
download 
Reklamacja Transkrypt
Pobierz - Zakład TwT WT PW
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 3. Złącze p-n ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 1 ___________________________________ Złącze p n jest to obszar półprzewodnika monokrystalicznego utworzony przez dwie graniczące ze sobą warstwy - jedna typu p a druga typu n ___________________________________ Myślowy eksperyment ___________________________________ Dwa obszary półprzewodnika: jeden typu p, drugi typu n stykamy ze sobą W rzeczywistości nie można uzyskać złącza przez mechaniczne zetknięcie dwu fragmentów półprzewodnika. Złącze stanowi bryłę półprzewodnika monokrystalicznego z zachowaniem ciągłości budowy krystalicznej w płaszczyźnie styku. ___________________________________ ___________________________________ a) W półprzewodniku typu n istnieją dodatnie nieruchome ładunki zjonizowanych atomów domieszki donorowej i ujemne ładunki ruchomych elektronów nośników większościowych. Istnieje niewielka liczba dziur nośników mniejszościowych. W półprzewodniku typu p istnieją ujemne nieruchome ładunki zjonizowanych atomów domieszki akceptorowej oraz dodatnie ładunki ruchomych dziur nośników większościowych. Istnieje jeszcze niewielka liczba elektronów - nośników mniejszościowych. Oba obszary przed „zetknięciem” zachowują obojętność elektryczną. Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 ___________________________________ ___________________________________ 2 ___________________________________ Obraz złącza p-n ___________________________________ półprzewodnik p i n ___________________________________ ___________________________________ utworzone złącze z zaznaczeniem prądów dyfuzyjnych i unoszenia ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ rozkład ładunku przestrzennego rozkład potencjału Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 3 1 ___________________________________ b) Po „zetknięciu” półprzewodników typu n i typu p następuje proces dyfuzji elektronów z materiału n do p - prąd Jnd oraz dziur z materiału p do n – prąd Jpd. Powstają dwa strumienie prądu dyfuzyjnego . Cel - wyrównanie koncentracji nośników ładunku. Odpływ nośników powoduje powstanie po obu stronach złącza nieskompensowanej dipolowej warstwy ładunku wytwarzającą pole przeciwdziałające dalszej dyfuzji. Skutek – powstanie pola unoszenie elektronów i dziur w kierunkach przeciwnych. Powstają dwa strumienie prądu unoszenia nośników skierowane przeciwnie: dziur z obszaru n do p - prąd Jpu i elektronów z obszaru p do n - prąd Jnu Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 4 ___________________________________ dochodzi do równowagi dynamicznej Jpd - Jpu =0 ___________________________________ ___________________________________ Jnd - Jnu =0 ___________________________________ ___________________________________ c) Skutek równowagi dynamicznej – istnienie na złączu dipolowej warstwy ładunków tzw. warstwy zaporowej lub warstwy ładunku przestrzennego. ___________________________________ d) Napięcie wytworzone w obszarze granicznym - bariera potencjału lub napięcie dyfuzyjne UD ___________________________________ ___________________________________ dla złącza krzemowego UD= 0,7 V dla złącza germanowego UD= 0,3 V Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 5 ___________________________________ POLARYZACJA ZŁĄCZA ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ Złącze p-n spolaryzowane w kierunku: a) zaporowym, b) przewodzenia 6 Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 2 ___________________________________ ___________________________________ Polaryzacja złącza p-n w kierunku zaporowym Zewnętrzne źródło napięcia jest połączone biegunem dodatnim z obszarem typu n, a biegunem ujemnym z obszarem typu p. ___________________________________ ___________________________________ Polaryzacja zewnętrzna jest zgodna z biegunowością napięcia dyfuzyjnego. ___________________________________ Bariera potencjału złącza zwiększa się o wartość napięcia zewnętrznego. ___________________________________ Maleją składowe dyfuzyjne prądu elektronowego i dziurowego, pozostają niezależne od napięcia składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych. ___________________________________ Przy polaryzacji złącza p-n w kierunku zaporowym płynie prąd nośników mniejszościowych dużym zakresie niezależny od przyłożonego napięcia prąd nasycenia Is Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 7 ___________________________________ Polaryzacja złącza p-n w kierunku przewodzenia ___________________________________ Zewnętrzne źródło jest połączone biegunem dodatnim z obszarem typu p półprzewodnika, a biegunem ujemnym z obszarem typu n. ___________________________________ Polaryzacja zewnętrzna jest przeciwna w stosunku do biegunowości napięcia dyfuzyjnego. ___________________________________ Bariera potencjału złącza maleje o wartość napięcia zewnętrznego. ___________________________________ Dominują składowe prądów dyfuzyjnych elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n i ich wartość zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji. ___________________________________ ___________________________________ Przy polaryzacji złącza p-n w kierunku przewodzenia płynie prąd nośników większościowych (prąd dyfuzyjny), którego wartość silnie zależy od przyłożonego napięcia zewnętrznego. Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 8 ___________________________________ Równanie Schockleya ___________________________________ U I = I S exp - 1 T ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ Charakterystyka prądowo - napięciowa złącza p-n ___________________________________ I S - prąd nasycenia złącza ___________________________________ T = ( k T / q) potencjał termiczny elektronu, dla T = 300 K T = 26 mV k = 1,38 10-23 J / K = 8,62 10-5 eV / K q = 1,6 10 -19 C stała Bolzmana ładunek jednostkowy Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 9 3 ___________________________________ WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZA ___________________________________ PRZEBICIE ZŁĄCZA jest to zjawisko gwałtownego przyrostu prądu przy polaryzacji w kierunku zaporowym ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ Charakterystyka złącza p-n uwzględnieniem zakresu przebicia Wyróżnia się dwie podstawowe przyczyny gwałtownego wzrostu prądu: przebicie Zenera i przebicie lawinowe Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 10 ___________________________________ Przebicie Zenera (zjawisko Zenera, zjawisko tunelowe) występuje w złączach o cienkiej warstwie zaporowej. Przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym natężenie pola w cienkiej warstwie zaporowej osiąga duże wartości. ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ Ilustracja przebicia Zenera modelu pasmowym złącza Tunelowe przejście elektronów z pasma walencyjnego przez barierę potencjału (pasmo zabronione) do pasma przewodnictwa bez konieczności pobierania energii. Występuje dla napięcia zaporowego mniejszego od 5 V Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 11 ___________________________________ Zjawisko lawinowej jonizacji zderzeniowej ___________________________________ Swobodny nośnik poruszając się ruchem przyspieszonym w polu elektrycznym może uzyskać energię kinetyczną wystarczającą do jonizacji zderzeniowej. Rozrywa on wiązanie atomów w sieci powstaje para nośników elektron-dziura. Te z kolei uzyskując wystarczającą energię kinetyczną kontynuują proces jonizacji. ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ tj. ___________________________________ ___________________________________ Ilustracja zjawiska powielania lawinowego Występuje dla napięcia zaporowego większego od 7 V Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 12 4 ___________________________________ ___________________________________ Wpływ temperatury na charakterystykę napięciowo-prądową złącza p-n. W zakresie przewodzenia w miarę wzrostu temperatury napięcie na złączu maleje w tempie ok. 2 mV/°C. ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ W zakresie zaporowym ze wzrostem temperatury rośnie wartość prądu nasycenia złącza. Prąd zwiększa się dwukrotnie przy wzroście temperatury o ok. 10°C. ___________________________________ ___________________________________ Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 13 ___________________________________ Zmiany szerokości warstwy zaporowej przy zmianie napięcia polaryzacji złącza. Szerokość warstwy zaporowej ld ___________________________________ UD U ___________________________________ przy polaryzacji w kierunku zaporowym warstwa zaporowa rozszerza się. ___________________________________ ___________________________________ W złączu ładunek jest magazynowany w warstwie zaporowej tworząc pojemność złączową. Jest to pojemność jakby kondensatora utworzonego z dipolowych warstw ładunków oddalonych od siebie na odległość równą szerokości warstwy zaporowej. ___________________________________ ___________________________________ Zależność pojemności złącza Cj od napięcia Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 3 14 5
