Wykład 6

Złącza półprzewodnikowe

Złącze półprzewodnikowe

0dx

dEF

W stanie równowagi gradient poziomu Fermiego jest równy zeru!

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 :

- Szybkość przejścia z 2 do 1 :- w stanie równowagi :

- a stąd:

- więc :

- zatem :

  

kTEEkTEE FF eEf

eEf

/)(2/)(121 1

1)(

1

1)(

21 FF EE

0dx

dEF

     

)]}(1)[({)}()({ 2211 EfENEfEN

)]}(1)[({)}()({ 1122 EfENEfEN

)]}(1)[({)}()({)]}(1)[({)}()({ 11222211 EfENEfENEfENEfEN

)()()()()()()()()()()()()()( 11221222211211 EfENEfENENEfENEfENEfENENEfEN

)()()()()()( 122211 ENEfENENEfEN

)()( 21 EfEf

A więc w stanie równowagi gradient poziomu Fermiego jest równy zeru!

+ +

+

++

-

-

-

--

A

Dioda półprzewodnikowa

Charakterystyka I-V - nieliniowa

V

I

Polaryzacja w kier. przewodzenia

Polaryzacja zaporowa

np

+ +

+

+

-

-

-

--

+

+

+

-

--

AA

++

++

-

-

-

-

-

+

-

+

Złącze pn

P N

Ujemne elektrony +

dodatnio naładowane nieruchome

donory

Dodatnie dziury +ujemnie

naładowane nieruchome akceptory

+-

Tylko naładowane donory/akceptory (obszar zubożony)

elektrony

dziury

P N

Złącze pn

+- elektrony

dziury

Bez polaryzacji

P N

+ -+- elektrony

dziury

kier. przewodzenia

prąd

- ++- elektrony

dziury

kier. zaporowy

b. mały prąd

b. mały prąd

b. duży prąd

U

symbol:

I

charakterystyka IV:

Złącze p-n

I

charakterystyka IV:

Złącze p-n

EC

EV

EC

EV

p - typ n - typ

Holes

EC

EV

EC

EV

p - type n - type

EC

EV

EC

EV

EF

p - typ n - typ

elektrony

dziury qVbi

Ind

Ipd

Inu

Ipu

Charakterystyka I-VPrąd 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-VZł. jednostronne:

2 2

1/ 2

1/ 2

( ) ( ) 1

// 2 / 2

2

2

2

2

B BB

B sB s B s

s s Bbi

s s Bbi external

d eN W d eN WdQ dWC eN

dV dW eN Wd eN W d eN W

e N kTC V

W e

e N kTC V V

W e

Po przyłożeniu napięcia zewnętrznego:

Vbi

zaporowy

przewodzenie

Prostownik

Jest to układ, który zamienia prąd przemienny na prąd stały

a) jednopołówkowy b) dwupołówkowy

I

t

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.

Dioda Zenera

Efekt tunelowy (dominuje w złaczach p-n:Si, Ge gdy Vprzebicia<4Eg/e)

Dioda lawinowa

• Powielanie lawinowe (Vprzebicia>6Eg/e)

p

n

-elektrony

uzyskują energię

--

+

aby kreować pary elektron-dziuraprzez zderzenie nieelastyczne

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 ; tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze

• złącze jest zwarte (Uzewn = 0)

-

EC

EV

EC

EV

F

0

hf

Isc = q Nph(Eg)

ID (A)

VD (V)

Isc

Fotodiodaghf E

Fotodioda• złącze jest rozwarte

EC

EV

EC

EV

qVbi

qVOC

ID (A)

VD (V)

Voc

Id = Io [exp(eVoc /kT)-1]

Isc – Id = 0

Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd fotogeneracji, czyli Isc

Podstawiając za Id wartość Isc ln( 1) lnsc sc

oco o

I IkT kTV

q I q I

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

12-23IR absorptions of H2O & CO2UV absorbed by O2 & O3

AMO: available solar energy for satellite solar cells.AM 1.5: AMO reduced by gases in earth’s atmosphere.

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

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

0FC FVE E