PODSTAWY ELEKTRONIKI Jacek Zientkiewicz
ZŁĄCZE p–n
Złącze p-n powstaje w rezultacie połączenia (zbliżenia na odległość międzyatomową) dwóch półprzewodników typu „p” i typu „n”.
|pp| > |nn| Þ
|xn| > |xp|
Rozkład koncentracji nośników przed połączeniem półprzewodników – linie ciągłe
oraz po ich połączeniu – linie przerywane
Wniosek: granica złącza wnika głębiej do p.p. słabiej domieszkowanego.
Wskutek różnych gęstości nośników w połączonych p.p. wystąpi ich dyfuzja (do obszarów o mniejszej gęstości):
typ „n”
typ „p”
pp
nn
Zwroty dyfuzji / odpływu nośników
W efekcie dyfuzyjnego odpływu nośników powstają w złączu nieruchome jony domieszek:
W obszarze <–xp, xn> nie ma ruchomych nośników ładunku, ma on więc dużą rezystywność i nazywany jest warstwą zaporową złącza.
Jony tworzą nieskompensowany lokalnie ładunek przestrzenny:
Warunek obojętności wymaga aby: r(-) ® Q-+ r(+) ® Q+ = 0
Z ładunkiem przestrzennym r związane jest prawem Gaussa pole elektryczne:
gdzie: S – oznacza powierzchnię obejmującą obszar o objętości V,
e - stałą dielektryczną p.p.
W rozpatrywanym przypadku jednowymiarowym, pole elektryczne ma tylko składową wzdłuż x, więc można zapisać:
gdzie: x’ – jest zmienną pomocniczą.
Granice całkowania
bo r na zewnątrz warstwy zaporowej jest = 0.
Przedstawiony na ostatnim rysunku rozkład gęstości ładunku można scałkować graficznie:
Emax = E(0)
Obecność ładunku przestrzennego wywołuje różnicę potencjałów pomiędzy p.p. typu „p” i „n”, nazywaną napięciem dyfuzyjnym UB lub barierą potencjału, która jest równa:
Po przekształceniach:
Gdy T=300K Þ UBSi @ 0,8V, UBGe @ 0,2V.
Pole elektryczne i bariera potencjału mają takie zwroty, że powstrzymują dalszy odpływ dyfuzyjny nośników większościowych:
typ „n”
typ „p”
dyfuzja dziur z części „p”
pp
Hamowanie dyfuzji
dziur za pomocą pola elektrycznego
nn
Zwrot pola jest taki, że jednocześnie wspomaga ruch nośników mniejszościowych przez złącze:
typ „n”
typ „p”
dryft nośników mniejszościowych w polu elektrycznym
np
Wspomaganie dryftu
za pomocą pola elektrycznego
pn
Nośniki mniejszościowe, które przeszły przez złącze, obniżają wysokość bariery potencjału (częściowo neutralizują nieskompensowany ładunek przestrzenny), co umożliwia dalszy dyfuzyjny przepływ nośników większościowych.
Po pewnym czasie następuje równowaga i suma wszystkich prądów płynących przez złącze (dwóch dyfuzyjnych i dwóch unoszenia) wynosi zero.
Dokładniej: przy braku napięcia polaryzacji zewnętrznej, dyfuzja dziur z obszaru „p” do obszaru „n” jest równoważona unoszeniem dziur w stronę przeciwną.
Podobnie, dyfuzja elektronów z obszaru „n” do obszaru „p” jest równoważona przez unoszenie elektronów w stronę przeciwną.
ZAKŁÓCENIE RÓWNOWAGI W ZŁĄCZU p-n
Barierę potencjału można zmieniać np. za pomocą zewnętrznego źródła napięcia dołączonego do złącza p-n.
1. Napięcie zewnętrzne zgodnie dodaje się do napięcia bariery:
Z rysunku Þ że aby otrzymać zgodne sumowanie napięć do półprzewodnika typu „p” należy dołączyć elektrodę ujemną zewnętrznego źródła napięcia, a do półprzewodnika typu „n” dodatnią. Napięcie dyfuzyjne (bariera potencjału) powiększa się o wartość napięcia zewnętrznego i wynosi UB+U.
Zewnętrzne źródło U wspomaga barierę potencjału złącza Þ .
Wzrost powoduje silne ograniczenie prądów dyfuzyjnych nośników większościowych i jednoczesny nieznaczny wzrost prądów unoszenia (dryftu) nośników mniejszościowych.
W rezultacie, przez złącze i w obwodzie zewnętrznym płynie niewielki prąd wypadkowy (rzędu mA) a ten sposób polaryzacji złącza nazywany jest polaryzacją zaporową lub wsteczną.
2. Polaryzacja przewodzenia
Zewnętrzne źródło U osłabia barierę potencjału złącza Þ ¯.
Zmniejszenie powoduje b. silny wzrost prądów dyfuzyjnych nośników większościowych i jednoczesne zmniejszenie prądów unoszenia nośników mniejszościowych.
Źródło zewnętrzne przeciwdziała napięciu dyfuzyjnemu, bariera potencjału maleje o wartość napięcia zewnętrznego i wynosi: UB-U.
Prąd dyfuzji nośników większościowych jest znacznie większy niż prąd unoszenia nośników mniejszościowych.
W efekcie przez złącze (i w obwodzie zewnętrznym) płynie znaczny prąd (dziesiątki mA – tysiące A) tzw. prąd przewodzenia.
Czy jest możliwa całkowita kompensacja napięcia bariery (np. za pomocą napięcia zewnętrzego)?
CHARAKTERYSTYKA PRĄDOWO-NAPIĘCIOWA ZŁĄCZA p-n
Dla złącza p-n rozważmy: I = f(U)
Wypadkowy prąd I płynący przez „teoretyczne” złącze p-n jest wykładniczą funkcją napięcia na złączu:
Prąd nasycenia złącza IS ma postać:
gdzie: Dn , Dp – współczynniki dyfuzji elektronów bądź dziur,
Ln , Lp – długości drogi dyfuzyjnej elektronów bądź dziur, definiowana jako odległość, na której koncentracja nośników maleje e-krotnie (około 63%), przy czym:
,
gdzie: tn , tp czas życia nośników mniejszościowych – elektronów bądź dziur.
Przykładowe wartości współczynników dyfuzji dla T=300K
Si
Ge
Dn[m2/s]
33,8×10-4
98,8×10-4
Dp[m2/s]
13×10-4
46,8×10-4
Z wzoru na prąd nasycenia złącza Þ że zależy on od koncentracji nośników mniejszościowych Þ IS jest bardzo silnie rosnącą funkcją temperatury.
W prostych zastosowaniach, przy ustalonej temperaturze T=300K, można skorzystać z przybliżenia:
Charakterystyka I=f(U) rzeczywistej diody p.p. różni się od charaktrystyki „teoretycznej” ponieważ
- napięcie na przewodzącym złączu jest mniejsze od doprowadzonego do diody wskutek spadku napięcia na rezystancjach p.p.
- prąd wsteczny jest większy od prądu nasycenia złącza IS wskutek skończonej rezystywności (upływności) warstwy zaporowej.
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾...