Wykład VI

Wykład 6
Złącza półprzewodnikowe
Złącze półprzewodnikowe
W stanie równowagi gradient poziomu Fermiego jest równy zeru!
dE F
0
dx
Dla energii E, szybkość przejścia elektronów ze stanu 1 do stanu 2 jest ~
do liczby stanów zajętych o energii E w materiale 1 razy liczba stanów
pustych o energii E w materiale 2 :
- Szybkość przejścia z 1 do 2 :  {N 1 ( E ) f1 ( E )}  {N 2 ( E )[1  f 2 ( E )]}
- Szybkość przejścia z 2 do 1 :
- w stanie równowagi :
 {N 2 ( E ) f 2 ( E )} {N 1 ( E )[1  f1 ( E )]}
{N1 ( E ) f1 ( E )} {N 2 ( E )[1  f 2 ( E )]}  {N 2 ( E ) f 2 ( E )} {N1 ( E )[1  f1 ( E )]}
- a stąd:
N 1 ( E ) f1 ( E ) N 2 ( E )  N 1 ( E ) f1 ( E ) N 2 ( E ) f 2( E ) N 2 ( E ) f 2 ( E ) N 1 ( E )  N 2 ( E ) f 2 ( E ) N1 ( E ) f1 ( E )
- więc :
- zatem :
N 1 ( E ) f1 ( E ) N 2 ( E )  N 2 ( E ) f 2 ( E ) N 1 ( E )
1
1
f
(
E
)


f
(
E
)


f1 ( E )  f 2 ( E )
1
2
( E  E F 1 ) / kT
1  e ( E  E F 2 ) / kT
1 e
E F1  E F 2
dE F
0
dx
A więc w stanie równowagi gradient poziomu
Fermiego jest równy zeru!
Dioda
półprzewodnikowa
Charakterystyka I-V - nieliniowa
Polaryzacja w kier.
przewodzenia
n
+
I
+
+
+
+
+
+
+
+
+ + + + +
-- - -
p
A
Polaryzacja
zaporowa
V
-
--
-
Złącze pn
P
N
Dodatnie dziury
+ujemnie
naładowane
nieruchome
akceptory
Ujemne elektrony
+ dodatnio
naładowane
nieruchome donory
N
P
dziury
- +
elektrony
Tylko naładowane donory/akceptory (obszar zubożony)
Złącze pn
Bez polaryzacji
dziury
- +
charakterystyka IV:
I
elektrony
N
P
kier. przewodzenia
prąd
+
dziury
-+
elektrony
-
U
b. mały prąd
kier. zaporowy
b. mały prąd
-
dziury
-
+
elektrony
+
symbol:
b. duży prąd
Złącze p-n
charakterystyka IV:
I
Złącze p-n
Ind
Inu
EC
elektrony
EC
EF
EV
dziury
Holes
qVbi
EV
Ipd
pp--typ
typ
type
nn-- typ
type
Ipu
Charakterystyka I-V
Prąd dziurowy:
•
Dyfuzyjny Ipd = C1Npexp (-eVbi/(kT))
•
Unoszenia Ipu = CNpn = Ipd = C1Npexp (-eVbi/(kT))
•
Po spolaryz. w kier. przewodzenia IpF = C1 Np exp (-e(Vbi- V) /(kT))
•
Ip = IpF - Ipu = C1Np exp (-e(Vbi- V) /(kT)) – C1Np exp (-eVbi/(kT)) =
C1Npexp [-eVbi/(kT)][exp(eV/(kT)-1] =Ipd [exp(eV/(kT))-1]
Prąd elektronowy:
In = Ind [exp(eV/(kT))-1
gdzie Ind = C2Nn exp (-eVbi/(kT))
I = Io [exp(eV/(kT))-1]
prąd nasycenia
Io = Ind + Ipd = (C1 Np + C2Nn) exp (-eVbi/(kT))
Rzeczywista dioda:
I = Io [exp(eV/(nkT))-1]
Charakterystyka C-V
Zł. jednostronne:
Vbi
d (eN BW )
d (eN BW )
dQ
dW
1
C


 eN B
2
2
dV d   eN B / 2 s W 
dW d   eN B / 2 s W 
eN BW /  s

e s N B
C s 
W
2
2kT 

V

 bi

e 

1/ 2
Po przyłożeniu napięcia zewnętrznego:
zaporowy
C
s
e s N B

W
2
2kT 

V

V

 bi external

e


przewodzenie
1/ 2
Prostownik
Jest to układ, który zamienia prąd przemienny na prąd stały
a) jednopołówkowy
b) dwupołówkowy
I
t
Dioda Zenera
Wykład VI
(a) Silnie domieszkowane złącze w stanie równowagi; (b) złącze spolaryzowane w
kierunku zaporowym : tunelowanie elektronów z p do n; (c) charakterystyka I–V.
Efekt tunelowy (dominuje w złaczach p-n:Si, Ge gdy Vprzebicia<4Eg/e)
Dioda lawinowa
• Powielanie lawinowe (Vprzebicia>6Eg/e)
- elektrony
p
uzyskują energię
- aby kreować pary elektron-dziura
przez zderzenie nieelastyczne
+
n
Fotodioda
Fotodioda, półprzewodnikowy element bierny,
złącze P-N, z warstwą zaporową. Działanie jest
oparte o efekt fotowoltaiczny. Zastosowania:
•przy braku polaryzacji - bateria słoneczna
•przy polaryzacji zaporowej - nieliniowy
rezystor, w którym opór zależy od
strumienia światła.
Fotodioda
światło jest absorbowane dla hf  Eg ; tworzą się pary elektron-dziura,
które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez
złącze
• złącze jest zwarte (Uzewn = 0)
E
ID (A)
C
hf
E
EF
E
C
V
VD (V)
0
E
V
-
Isc
Isc = q Nph(Eg)
Fotodioda
• złącze jest rozwarte
ID (A)
EC
EC
qVOC
Voc
EV
qVbi
EV
Id = Io [exp(eVoc /kT)-1]
Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd
fotogeneracji, czyli Isc
Isc – Id = 0
Podstawiając za Id wartość Isc
I sc
kT
kT I sc
Voc 
ln(  1) 
ln
q
Io
q
Io
VD (V)
Bateria słoneczna
Urządzenie, które zamienia energię
słoneczną w energie elektryczną.
P = I x U=I2 x R= U2/R
Jest podobne do baterii, bo dostarcza
mocy prądu stałego.
Różni się od baterii, bo napięcie które
wytwarza zależy od oporności obciążenia.
Historia
• 1839 Becquerel zaobserwował pojawianie się
napięcia między 2 elektrodami zanurzonymi
w elektrolicie, zależnego od oświetlenia.
• 1876 ten sam efekt zaobserwowano dla
selenu
• 1941 pierwsza bateria na krzemie
• 1954 początek współczesnych badań ogniw
słonecznych
Promieniowanie słoneczne
• Atmosfera może pochłaniać więcej niż 50% światła słonecznego
•AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło
•AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m2
AMO: available solar energy for satellite solar cells.
AM 1.5: AMO reduced by gases in earth’s atmosphere.
12-23
UV absorbed by O2 & O3
IR absorptions of H2O & CO2
Widmo promieniowania i
energie wzbronione
Bandgap - przerwa wzbroniona, lattice constant – stała sieciowa
Absorpcja światła w
półprzewodnikach
Dioda LED
Dioda LED
Ge
Si
GaAs
Dioda LED – diagram pasmowy
Diagram pasmowy diody LED bez polaryzacji i po spolaryzowaniu w
kierunku przewodzenia. Napięcie polaryzujące diodę zmniejsza
barierę potencjału Vo i nośniki większościowe dyfundują do
odpowiednich obszarów złącza, rekombinując w obszarze złącza.
Laser półprzewodnikowy
EFC  EFV  0