04 materiale semiconductoare_2

Electronic analogic i digital n biomedicin Prof. Dr. Ing. Paca Sever

Materiale semiconductoare 1

Prof. Dr. Ing. Sever PacaCatedra de Electronic Aplicat i Ingineria Informaiei

Facultatea Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia InformaieiUniversitatea POLITEHNICA din Bucureti

Materiale semiconductoare

2Materiale semiconductoare

Coninutul cursului

Noiuni fundamentale despre structura corpurilor solide i conducia electric n acestea

Structura i caracteristicile semiconductoarelor fr i cu impuriti

Concentraiile de purttori mobili de sarcin electric n semiconductoare i participarea lor la conducia n semiconductoare

Structura i funcionarea unei jonciuni semiconductoare



3

Corpuri solide

Sunt corpurile care la temperatura normal i pstreaz forma i dimensiunile neschimbate.


Corpuri solide

Structura corpurilor solide Atom = nucleu + electroni care graviteaz pe diverse nveliuri Electronii de valen = electronii de pe ultimul nveli ocupat Atom + energie = ion + electron liber (ionizarea atomului) Electronul liber poate participa la conducia electric Energia electronului e mai mare dac el este mai ndeprtat de nucleu Electronul este mai strns legat de nucleu cnd este mai aproape de el Energia potenial a electronului n cmpul nucleului este negativ Cu ct electronul este mai aproape de nucleu, fora de legtur este mai

mare, energia potenial este mai mare n modul, dar fiind negativ este mai mic (sistemul este mai stabil cu ct energia este mai mic)

Corp solid = structur cristalin n care atomi i moleculele sunt distribuite n nodurile unei reele cristaline regulate

Datorit interaciunii dintre electroni dintr-o reea cristalin, nivelele energetice se scindeaz, astfel c practic electronii ocup benzi energetice i nu nivele energetice singulare

Banda de valen (BV) = ultima band ocupat de electroni Banda de conducie (BC) = prima band neocupat de electroni Banda interzis (BI) = banda dintre BV i BC n care nu pot fi electroni




Corpuri solide

Conducia n corpurile solide

Conducia curentului electric ntr-un corp solid se datoreaz micrii ordonate, sub aciunea unui cmp electric aplicat din exterior, a unor purttori mobili de sarcin.

Clasificarea corpurilor solide din punct de vedere al conduciei electrice: Conductoare (metale) [ = 106 108 (m)-1 la temperatura

camerei] Izolatoare (dielectrici) [ < 109 (m)-1 la temperatura camerei] Semiconductoare [ = 109 105 (m)-1 la temperatura camerei]


Corpuri solide

Conductoare (metale) Banda de valen nu este ocupat complet Electronii de valen (eV) sunt slab legai de

atomii reelei cristaline (BC este lipit de BV) Agitaia termic i cmpul electric din exterior determin eV s urce pe

nivelele energetice superioare din BC, devenind liberi, deci pot participa la conducie devenind astfel electroni de conducie (eC)

eC se mic haotic n interiorul corpului solid sub forma unui gaz electronic iar sub aciunea unui cmp electric exterior, micarea haotic capt un caracter ordonat, dirijat, formnd curentul de conducie

Legtura metalic (care asigur stabilitatea cristalului) este determinat tocmai din punerea n comun a eV a tuturor atomilor dintr-un cristal, care nu mai aparin unui singur atom ci ntregului cristal

La temperatura camerei exist cca. 1028 electroni/m3, ceea ce determin o rezistivitate mic respectiv o conductibilitate mare = 106 108 (m)1

Atomul metalic care a contribuit cu un electron devine un ion pozitiv fix n reea care nu poate participa la conducie

Cristalul este neutru d.p.d.v. al sarcinilor electrice (numrul eC este egal cu numrul ionilor fici n reea)

Banda deconduc ieBanda devalen

W




Corpuri solide

Izolatoare (dielectrici) Banda de valen este complet ocupat Electronii de valen sunt puternic legai de

atomii reelei cristaline (ntre BC i BV exist o band interzis cu W mare)

Legtura ionic este puternic deoarece const n fore columbiene ntre doi ioni de semn contrar, ioni care i-au realizat configuraii electronice stabile (cu ultimul strat de electroni complet ocupat), unul prin cedare i cellalt prin captare de electroni

La temperatura camerei, puini electroni pot trece bariera de potenial W (puine legturi ionice se pot rupe), existnd cca. 107 electroni/m3, ceea ce duce la o rezistivitate mare respectiv conductivitate mic < 109 (m) 1

Banda deconduc ie

Banda devalen

W

Bandainter isz W

8

Semiconductoare

D.p.d.v. al conductibilitii electrice, semiconductoarele constituie o categorie intermediar ntre conductori (metale) i izolatoare (dielectrici) avnd conductivitate intermediar = 109 105 (m)-1, puternic dependent de diveri factori (temperatur, impuriti etc.).Proprietile semiconductoare apar n cristale, corpuri solide ale cror atomi sunt aranjai ntr-o reea regulat, simetric i periodic.Proprieti semiconductoare prezint elementele tetravalente Ge i Si, precum i unii compui intermetalici: GaAs, CdS, ZnO, CdSe, AlGaAs.




Semiconductoare

Semiconductoare fr impuriti

+ 32

Ge 32= 2+ 8+ 18+ 4

+ 14

Si 14= 2+ 8+ 4

eV nu sunt liberi ci particip la formarea unei legturi covalente ntre atomii din nodurile reelei cristaline

Legtura covalent const n punerea n comun de ctre doi atomi vecini a cte unui eV, cei doi aparinnd n egal msur ambilor atomi

Legtura covalent este intermediar, adic electronii nu sunt nici aa de legai de atomi ca la izolatoare, nici liberi ca la metale

La elementele din grupa a IV-a, exist 4 eV i reeaua cristalin este tetraedric, astfel nct fiecare atom este situat la egal distan de ali 4 atomi

Astfel, fiecare atom i-a realizat o configuraie stabil cu 8 electroni pe ultimul strat (4 proprii + 4 de la 4 atomi nvecinai)

Banda deconduc ie

Banda devalen

W

Bandainter isz W

W = 0,7eV pentru Ge 1,1 eV pentru Si


Semiconductoare

Semiconductoare fr impuriti (cont.) O reprezentare schematic ntr-un model

bidimensional al unui cristal de semiconductor este prezentat alturat.

Dac nu intervine o aciune exterioar (radiaii), la temperaturi foarte coborte, apropiate de zero absolut, eV sunt ataai atomilor, fr a seputea deplasa prin reeaua cristalin (deci nu pot participa la conducie). La temperaturi mai mari, o parte a legturilor covalente se rup datorit agitaiei termice.

Ruperea unei legturi covalente datorit agitaiei termice se numete generare de purttori mobili.

Completarea unei legturi covalente rupte cu un electron care se mic liber prin reea se numete recombinare de purttori.

Agitaia termic determin continuu ruperea i completarea legturilor covalente. La fiecare temperatur se stabilete un echilibru dinamic ntre cele dou fenomene contrarii (generarea i recombinarea), rezultatul fiind existena unui anumit numr de legturi covalente rupte, numr care este cu att mai mare cu ct temperatura cristalului este mai mare.

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4




Semiconductoare

Semiconductoare fr impuriti (cont.) Ruperea unei legturi covalente determin:

Apariia unui electron liber (o sarcin electric q, care se deplaseaz liber prin reea, unde q = 1,6 1019 C);

Apariia unei legturi covalente nesatisfcute, care este echivalent cu o sarcin electric +q dat de sarcina electric pozitiv, necompensat, a nucleului atomic; ea se deplaseaz n interiorul semiconductorului, deoarece lipsa electronului din legtura covalent se poate transfera de la un atom la altul prin transferul n sens invers al unui electron din banda de valen. Micarea complex a electronilor legai n legturile covalente este echivalent din punct de vedere macroscopic cu un gol, avnd sarcina electric +q, care se deplaseaz liber prin reea.

Generarea termic determin apariia unei perechi electron-gol, iar recombinarea determin dispariia unei perechi electron-gol.

Determinarea curentului electric necesit cunoaterea numrului de purttori mobili participani la conducie. Specificarea acestui numr se face prin intermediul concentraiei de purttori mobili, reprezentnd numrul de purttori mobili de sarcin din unitatea de volum (n = numr electroni/unitatea de volum, p = numr goluri/unitatea de volum).

Pentru semiconductorul fr impuriti, n = p. Semiconductorul este neutru d.p.d.v. al sarcinilor electrice.


Semiconductoare

Semiconductoare fr impuriti (cont.)Concluzii:

Un semiconductor are dou feluri de purttori mobili de sarcin: goluri cu sarcina electric +q i electroni cu sarcina electric q; micrile golurilor i electronilor sunt aleatoare i independente una de cealalt.

Electronii respectiv golurile sunt nite modele care descriu micarea electronilor de conducie respectiv a electronilor de valen n interiorul unui semiconductor. Ambele particip la conducie fiind mobile.

Semiconductorul pur, fr impuriti, se numete semiconductor intrinsec deoarece proprietile sale sunt intrinseci materialului. La o temperatur dat, semiconductorul se gsete ntr-un echilibru dinamic. n permanen n semiconductor se genereaz i se recombin perechi de purttori mobili. Numrul purttorilor generai n unitatea de timp este egal cu numrul purttorilor care se recombin n unitatea de timp. Numrul purttorilor existeni la un moment dat este dependent de temperatura la care se afl semiconductorul, fiind cu att mai mare cu ct temperatura este mai mare.




Semiconductoare

Semiconductoare cu impuriti donoare Prezena unei cantiti infime de impuriti

modific echilibrul ntre concentraiile golurilor i electronilor (n p).

Impuritile donoare sunt constituite din atomi pentavaleni, ca de exemplu: Fosfor, Arseniu, Bismut, Stibiu. Concentraia donorilor este notat cu Nd.

Ionizarea atomului de impuritate are urmtoarele efecte: apariia unui electron liber (nu apar

perechi electron-gol!); apariia unei sarcini electrice pozitive

fixe (+q) dat de nucleul atomului de impuritate ionizat.

n semiconductoare cu impuriti donoare, concentraia electronilor este mai mare dect a golurilor (n > p). Semiconductorul este de tip n. El este neutru deoarece sarcina electronilor liberi este compensat de sarcina pozitiv a ionilor fici n reea.

BC

BV

WdonorBI

0 K 300 K

+4

+4

+4

+4

+5

+4

+4

+4

+4

-q-


Semiconductoare

Semiconductoare cu impuriti acceptoare Impuritile acceptoare sunt formate din

atomi trivaleni, ca de exemplu: Bor, Aluminiu, Galiu, Indiu. Concentraia acceptorilor este notat cu Na.

Ionizarea atomului de impuritate are urmtoarele efecte: apariia unui gol care se deplaseaz

liber prin reea; apariia unei sarcini electrice negative

fixe (q), datorat ionizrii atomului de impuritate.

n semiconductoare cu impuriti acceptoare, concentraia golurilor este mai mare dect a electronilor (p > n). Semiconductorul este de tip p. El este neutru deoarece sarcina golurilor libere este compensat de sarcina negativ a ionilor fici n reea.

BC

BV

WacceptoriBI

0 K 300 K

+4

+4

+4

+4

+3

+4

+4

+4

+4

+q+




Semiconductoare

Denumiri frecvent folosite semiconductor intrinsec un semiconductor fr impuriti; semiconductor extrinsec un semiconductor cu impuriti donoare

sau acceptoare; dopare introducerea de impuriti n semiconductor; semiconductor tip n un semiconductor la care predomin impuritile

donoare i deci numrul de electroni este mai mare dect numrul de goluri;

semiconductor tip p un semiconductor la care predomin impuritile acceptoare i deci numrul de goluri este mai mare dect numrul de electroni;

purttori majoritari purttorii mobili, de acelai tip cu cei dai de impuritile predominante;

purttori minoritari purttorii mobili de tip opus cu cei dai de impuritile predominante.

16

Concentraii de purttori mobili de sarcin n semiconductor

Pentru a exprima cantitativ curenii ntr-un semiconductor, este necesar s cunoatem concentraiile de purttori mobili de goluri (p) i de electroni (n) ntr-un semiconductor a crui impurificare (concentraiile atomilor acceptori Na i donori Nd) este cunoscut.




Concentraii de purttori mobili

Concentraii de purttori mobili la echilibru termic Un semiconductor este la echilibru termic dac nu este supus unor

influene perturbatoare externe (radiaii ionizante, radiaii luminoase, injecii de purttori mobili din exterior sau cmpuri electrice i magnetice perturbatoare).

Densitatea de sarcin electric pozitiv (total = mobil plus fix): q(p + Nd) = qp + qNd

Densitatea de sarcin electric negativ (total = mobil plus fix): q(n + Na) = qn + qNa

Densitatea total de sarcin va fi: v = q(p + Nd n Na)

Concluzii: ntr-un semiconductor omogen (dopat uniform) aflat la echilibru termic,

densitatea de sarcin electric se anuleaz, respectiv avem v = 0. La echilibru putem scrie:

p n = Na Nd



Concentraii de purttori mobili la echilibru termic (cont.) n fizica statistic se demonstreaz c produsul concentraiilor de

purttori mobili la echilibru este independent de tipul i numrul impuritilor introduse, respectiv avem

Mrimea ni(T) se numete concentraie intrinsec i este o constant n raport cu concentraiile de impuriti, dar depinde puternic de temperatur.

Concentraiile de purttori mobili la echilibru se pot determina rezolvndsistemul de ecuaii

Soluiile pozitive ale ecuaiei de gradul II care se formeaz sunt:

Tnpn i200

da

i

N = N n p(T) = npn

00

200

2

4 220

idada nNNNNp

24 22

0iadda nNNNNn





Concentraii de purttori mobili la echilibru termic (cont.) Particularizarea soluiilor pentru cele dou tipuri de semiconductoare:

Pentru un semiconductor tip p cu Na > Nd, notnd concentraie efectiv de impuriti acceptoare cu NA = Na Nd, cum uzual avem NA > > ni rezult:

Pentru un semiconductor tip n cu Nd > Na, notnd concentraie efectiv de impuriti donoare cu ND = Nd Na, cum uzual avem ND > > ni rezult:

Variaia cu temperatura a concentraiei intrinseci ni este descris aproximativ de relaia

Valori orientative pentru ni(T0) i a sunt date n tabel

A

iA N

nnNp2

00 i

D

iD N

npNn2

00 i

0022 TTaii eTnTn 10100,18Si10130,12Ge

ni(T0) [cm3] a [1/K]



Purttori n exces Se numesc purttori n exces purttorii mobili care produc abateri ale

concentraiilor de purttori mobili fa de valorile de echilibru: p' = p p0 i n' = n n0 (cu p p0 i n n0).

Aceste concentraii pot fi att pozitive (creteri), ct i negative (scderi). Densitatea de sarcin este n acest caz

ntr-un semiconductor dopat uniform, densitile de purttori n exces (goluri i electroni) sunt peste tot aproximativ egale: p p0 = n n0.

n majoritatea cazurilor se consider c, i n afara echilibrului, neutralitatea electric se pstreaz, respectiv putem scrie v 0. Aceasta reprezint o aproximaie i se numete condiia de cvasineutralitate electric.

Se numesc nivele mici de injecie situaiile n care concentraia purttorilor minoritari nu depete 5 % din concentraia purttorilor majoritari. n aceste condiii cvasineutralitatea electric este respectat.

'n'pq'n'pqNnNpqNnNpq adadv 00





Variaia temporal a purttorilor n exces Dac la un moment dat apare o abatere (exces sau lips) fa de

valorile la echilibru, aceasta va dispare n timp, sistemul tinznd s revin la echilibru (un exces favorizeaz recombinarea iar o lips favorizeaz generarea). Variaia n timp a purttorilor n exces este exponenial:

pt

eppptp

00 0unde p0 este concentraia la echilibru, p(0) este concentraia la momentul t = 0, iar t = p este durata medie de via a unui gol n exces (avnd semnificaia duratei n care concentraia n exces a golurilor dispare scade de e ori).

t0

p(0)-p0

p(0)-p______e

0

p(t)-p0

e__- t p

p0



Variaia spaial a purttorilor n exces Dac la unul din capetele unei bare de semiconductor apare un exces

de goluri (sau de electroni) fa de valorile la echilibru, acetia vor difuza n interiorul semiconductorului, dar pe msur ce ei difuzeaz, se i recombin, astfel nct concentraia n exces a golurilor scade exponenial:

pLx

epppxp

00 0unde p0 este concentraia la echilibru, p(0) este concentraia la captul barei semiconductorului x = 0, iar x = Lp este lungimea medie de difuzie a golurilor (avnd semnificaia lungimii pe care difuzeaz golurile n exces pn la recombinare cnd concentraia lor scade de e ori). x0

p(0)-p0

p(0)-p______e

0

p(x)-p0

ex__L- p

Lp

p(x)-p0



23

Curentul electric n semiconductor

Purttorii mobili de sarcini (golurile i electronii) sunt ntr-o micare continu, aleatoare, n interiorul cristalului de semiconductor. Aceast micare se desfoar sub forma unor deplasri printre atomii reelei, ciocnire cu acetia, schimbarea direciei de mers etc. Vectorul vitez este o mrime aleatoare i este egal probabil n orice direcie. Aceast micare nu produce curent electric.

Pentru apariia unui curent electric, este necesar ca purttorii mobili de sarcin s se deplaseze preferenial ntr-o anumit direcie, astfel nct s avem un transport de sarcin electric ntr-un anumit sens.



Curentul electric de drift Apare datorit influenei unui cmp electric intern. Apar vitezele de drift, viteze medii nenule date de interaciunea

purttorilor mobili de sarcin cu cmpul electric extern, viteze mult mai mici dect vitezele datorate agitaiei termice care au componente medii nule.

Avnd sarcini diferite dar i deplasri pe direcii diferite, golurile i electronii au curenii de drift de acelai sens, sensul cmpului electric.

Densitatea total de curent de drift este

Se definete conductivitatea materialului semiconductor ca fiind mrimea unde mrimile p i n reprezint constantele de proporionalitate ale vitezelor de drift cu cmpul electric i se numesc mobiliti. Unitatea de msur a mobilitilor este [cm2/Vs].

Curenii de drift ai golurilor i electronilor nu sunt egali la acelai cmp electric.

EnpqJJ=J npnpdrift np npq





Curentul electric de difuzie Apare dac exist un gradient de concentraie al purttorilor mobili de

sarcin electric. Purttorii de sarcin difuzeaz n materialul semiconductor, fiind liberi,

tinznd s restabileasc echilibrul prin anularea diferenei de concentraie ntre zonele diferite ale semiconductorului.

Sensul deplasrii purttorilor mobili datorit variaiei concentraiei este acelai pentru electroni i goluri, deplasarea fcndu-se din zonele cu concentraie mai mare ctre zonele cu concentraie mai mic. Curenii de difuzie asociai sunt ns de semne contrare datorit sarcinilor electrice opuse ale golurilor i electronilor.

Expresiile curenilor de difuzie ale golurilor i electronilor sunt

unde constantele Dp i Dn se numesc constante de difuzie i au ca unitate de msur [cm2/s].

Pentru acelai gradient de concentraie, curenii de difuzie a golurilor i electronilor nu sunt egali datorit constantelor de difuzie diferite Dp Dn.

dx

xdpDqJ pp dxxdnDqJ nn

26

Jonciunea pn

Prin procedee speciale, n structura monocristalului de semiconductor pot fi incluse selectiv n regiuni nvecinate impuriti acceptoarerespectiv donoare.

Fenomenele care apar la aceste treceri ntre regiuni de conductivitate diferit stau la baza funcionrii majoritii dispozitivelor electronice semiconductoare.




Jonciunea pn

Structura jonciunii pn O distribuie neuniform de impuriti

care produce o trecere abrupt de la un material semiconductor de tip p la un material de tip n n volumul aceluiai cristal de semiconductor determin formarea unei jonciuni pn.

Se numete jonciune metalurgicsuprafaa de separaie unde doparea efectiv se schimb de la atomi acceptori la atomi donori.

Vom folosi pentru explicaii un model bidimensional.

Zona haurat din jurul jonciunii metalurgice marcheaz regiunea de trecere. Exist o poriune p i una n a regiunii de trecere.

Poriunile p i n rmase n afara regiunii de trecere sunt regiuni neutre. Avem o regiune neutr n i o regiune neutr p.

p n

jonciune metalurgic

ANOD CATOD

A K

A Kp n

x0-lp +ln

00 pp np 00 nn pn


Jonciunea pn

Procese fizice n jonciune Difuzia purttorilor majoritari i

golirea de purttori mobili a regiunii de trecere Datorit gradientului de concentraie, golurile difuzeaz din regiunea

p n n. Aici, ele devin purttori minoritari i sunt anihilate n cea mai mare parte prin recombinare cu electronii liberi.

Acelai lucru se ntmpl i cu electronii, purttori majoritari n n, care difuzeaz i se recombin n p.

ntr-o zon foarte ngust n jurul jonciunii metalurgice, apare o lips de purttori mobili (care fie au difuzat,fie s-au recombinat), concentraia lor scznd brusc fa de zonele neutre mai deprtate. Aceast zon formeaz regiunea de trecere a jonciunii.

A K

p n+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

_ +E_

+ ++

+ ++

+ ++- - -

- - -

- - -

ioni fixi n reeapurttori mobili de sarcin




Jonciunea pn

Procese fizice n jonciune (cont.) Formarea cmpului electric intern

Reducerea masiv a numrului purttorilor mobili n regiunea de trecere a jonciunii produce un dezechilibru de sarcini electrice. Sarcina electric a atomilor de impuritate ionizai, nu mai este compensat de sarcina electric a purttorilor mobili.

n regiunea de trecere p, sarcina electric a atomilor acceptori ionizai negativ nu mai este compensat de sarcina electric pozitiv a golurilor. Apare o sarcin negativ fix n imediata apropiere a jonciunii metalurgice.

Similar i n regiunea n apare o sarcin electric pozitiv fix.

Cele dou sarcini determin apariia unui cmp electric intern ndreptat de la n la p aflat exclusiv n interiorul regiunii de trecere. Cu ct diferena concentraiilor de impuriti este mai mare cu att cmpul electric intern este mai intens.

A K

p n+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

_ +E_

+ ++

+ ++

+ ++- - -

- - -

- - -



Jonciunea pn

Procese fizice n jonciune (cont.) Interaciunea dintre cmpul electric intern i purttorii mobili

Cmpul electric intern, ndreptat de la n la p, prin fore electrostatice, are tendina s mping golurile sarcini pozitive spre regiunea p(n sensul cmpului) i electronii sarcini negative spre regiunea n(n sens opus cmpului). Aceasta are ca efect: Frnarea difuziei purttorilor majoritari, Antrenarea (driftul) purttorilor minoritari.

A K

p n+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

_ +E_

+ ++

+ ++

+ ++- - -

- - -

- - -





Jonciunea pn

Jonciunea pn la echilibru Cnd jonciunea pn este la echilibru,

curentul total (drift plus difuzie) de goluri i curentul total de electroni trebuie s fie zero.

Transportul de sarcin produs de difuzia purttorilor majoritari va fi echilibrat de driftul purttorilor minoritari.

Zona n care se formeaz cmpul electric (regiunea de trecere) se extinde att ct este necesar pentru ca egalitatea celor dou componente s fie asigurat.

Difuzia purttorilor majoritari este frnat pn la nivelul curentului produs de antrenarea purttorilor minoritari generai n interiorul regiunii de trecere.

+

+

+

Majoritariminoritari

goluri ( )pelectroni (n)

difuziedrift

A K

nmnM

pmpM

ii

ii

E_

A K

ipMinM

inmipm


Jonciunea pn

Variaiile principalelor mrimi n jonciune la echilibru a) Concentraia impuritilor b) Densitatea de sarcin c) Concentraiile de purttori mobili d) Cmpul electric e) Potenialul intern

-1,5E+15

-1E+15

-5E+14

0

5E+14

1E+15

1,5E+15

2E+15

2,5E+15

-4,00E-03 -2,00E-03 0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03

N=ND-NA[cm-3]

x[cm]

a)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-4,00E-03 -2,00E-03 0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03

ln(p) ln(n)

x[cm]

c) n, p

-2,00E-04

-1,00E-04

0,00E+00

1,00E-04

2,00E-04

3,00E-04

4,00E-04

-4,00E-03 -2,00E-03 0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03

x[cm]

v[C]

-lp

+ln

b)

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-4,00E-03 -2,00E-03 0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03

[mV]

x[cm]

e)

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

-4,00E-03 -2,00E-03 0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03

E[kV/cm]

x[cm]-lp +lnd)




Jonciunea pn

Jonciunea pn polarizat direct La aplicarea unei tensiuni din exterior, cmpul electric produs de

aceasta se suprapune peste cmpul electric intern. Polarizare direct = aplicarea unei tensiuni exterioare cu plus la p i

minus la n (+ la anod i la catod) Cmpul electric produs de tensiunea aplicat este de sens contrar

cmpului electric intern. Cmpul electric total se micoreaz i bariera de potenial scade.

Difuzia purttorilor majoritari este mai puin frnat, iar driftul purttorilor minoritari scade.

Echilibrul de cureni se stric i prin jonciune circul un curent determinat n principal de difuzia purttorilor majoritari. Datorit numrului mare al acestora, curentul are valori semnificative jonciunea conduce.

ipMinM

inmipm

E_

+

A K


Jonciunea pn

Jonciunea pn polarizat invers Polarizare invers = aplicarea unei tensiuni exterioare cu minus la p i

plus la n ( la anod i + la catod). Cmpul electric produs de tensiunea aplicat la borne este de acelai

sens cu cmpul electric intern. Cmpul electric total crete i bariera (diferena) de potenial crete.

Difuzia purttorilor majoritari este practic blocat. Driftul purttorilor minoritari crete, dar numrul mic al acestora nu duce dect la apariia unui curent foarte mic prin jonciune.

Jonciunea este practic blocat, curentul prin jonciune fiind neglijabil.

Zona din jurul jonciunii metalurgice n care apare sarcin electric necompensat i cmp electric intern se mai numete regiune de sarcin spaial. E

_

+

A K

ipMinM

inmipm




Jonciunea pn

Concluzii: n vecintatea jonciunii metalurgice, pe o distan de ordinul micronilor,

apare o regiune de trecere caracterizat prin: Existena unei sarcini spaiale dipolare imobile Lipsa purttorilor mobili de sarcin Rezistivitate mult mai mare ca a regiunilor neutre Existena unui cmp electric intern intens Existena unei bariere de potenial care

se opune trecerii purttorilor majoritari favorizeaz trecerea purttorilor minoritari

Prin polarizarea jonciunii:

CreteSe reduceBariera de potenialCreteScadeRezistenajonciuniiSe lrgeteSe ngusteazRegiunea de trecereInverseDirecte


Jonciunea pn

Observaii: Adeseori, concentraiile de impuriti din regiunile p i n difer foarte

mult ca valoare. O asemenea jonciune nesimetric se noteaz cu + n dreptul regiunii mai puternic dopate (p+n dac NA >> ND). ntr-o astfel de jonciune: Regiunea de trecere se gsete practic n ntregime n regiunea

slab dopat i lrgimea ei este practic determinat de concentraiile din aceast regiune;

Curentul direct va fi predominant de purttorii majoritari ai regiunii puternic dopate (goluri la jonciunea p+n).

Dispozitivele semiconductoare la care curentul este condus de dou tipuri de purttori de sarcin se numesc dispozitive bipolare. Cele la care curentul este dat de un singur purttor de sarcin se numesc dispozitive unipolare.

Condiia de funcionare a unei jonciuni este ca trecerea de la o conductibilitate la alta s se fac pe o distan foarte scurt.




Jonciunea pn

Curentul prin jonciunii pn Teoria din fizica solidului demonstreaz urmtoare expresie a curentului

prin jonciune (ecuaia jonciunii idealizate):

unde q este sarcina elementar, k constanta lui Boltzman, T este temperatura absolut iar IS este curentul de saturaie al jonciunii.Observaii:

Mrimea vT = kT/q = 26mV la T = 300K se numete tensiune termic. Dependena curent-tensiune este puternic neliniar datorit prezenei

funciei exponeniale. Sensul curentului ID i al tensiunii VD pentru care este valabil ecuaia

este cel dat alturat mpreun cu simbolul diodei. Curentul de saturaie IS este direct proporional cu aria jonciunii i

concentraiile de purttori minoritari.

1kT

qV

SD

D

eIIV

I

D

DA K


Jonciunea pn

Caracteristica idealizat a jonciunii pn Dependena ID(VD) dat sub forma grafic se numete caracteristica

idealizat a jonciunii. n figura a) este reprezentat aceast caracteristic la cureni direci

mici, de acelai ordin de mrime cu curentul de saturaie IS. Caracteristica b) este reprezentat la cureni mult mai mari dect IS.

Caracteristica diodei trece prin origine dar acest lucru este mai puin vizibil n graficul de la cureni mari.

Se observ de asemenea c pentru a avea un curent semnificativ prin diod, tensiunea la bornele diodei trebuie s depeasc o tensiune minim numit tensiune de deschidere a diodei.

ID ID

VD VD

a) b)

04 materiale semiconductoare_2

Documents