Rodzaje złącz p-n

a) Złącza LH - złącza półprzewodników o tym samym przewodnictwie, lecz różnej koncentracji domieszek, np. złącze PP⁺, NN⁺. b) Złącze MS - złącze metalu z półprzewodnikiem (metal-semiconductor) c) Heterozłącza - złącza dwóch różnych półprzewodników np. germanu i krzemu

Przedstaw model pasmowy złącza p – n bez polaryzacji zewnętrznej.

Przedstaw model pasmowy złącza p – n dla polaryzacji przewodzenia.

Przedstaw model pasmowy złącza p – n dla polaryzacji zaporowej.

- prądy dyfuzji, - prądy unoszenia, Kółeczkami ze znakiem oznaczono swobodne nośniki ładunku, kwadracikami ładunki zjonizowanych donorów i akceptorów.

Przedstaw mechanizm powstawania złącza p – n .Wyjaśnij pojęcia: bariera potencjału;

warstwa zaporowa; napięcie dyfuzyjne.

Złącze pn otrzymuje się przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek, które zmieniają własności półprzewodnika. Domieszka donorów – atomów, które mają nadmiar elektronów w porównaniu z atomami sieci krystalicznej, wprowadza poziomy w pobliżu dna pasma przewodnictwa, natomiast domieszka akceptorów, które mają mniej elektronów niż atomy sieci, wprowadza poziomy w pobliżu wierzchołka pasma walencyjnego. W temperaturze wyższej od zera bezwzględnego w półprzewodnikach istnieją swobodne dziury i elektrony. W obszarze domieszkowanym akceptorami, zwanym obszarem typu p, koncentracja swobodnych dziur przewyższa koncentrację elektronów. W materiale donorowym (typ n) koncentracja elektronów przewyższa koncentrację dziur. Mówimy, że w materiale istnieją nośniki większościowe np. dziury w obszarze typu p i mniejszościowe np. elektrony w obszarze p.

Swobodne nośniki przemieszczają się w wyniku dyfuzji. Część dziur z obszaru p znajdzie się w obszarze typu n, a część elektronów z obszaru n przemieści się do obszaru p.

Na granicy obszarów n i p powstaje dipolowa warstwa ładunku przestrzennego zwana warstwą zubożoną lub warstwą zaporową. Siły elektrostatyczne wytwarzane przez ładunki jonów utrudniają dalszy ruch dyfuzyjny nośników większościowych, natomiast na nośniki mniejszościowe powstałe pole elektryczne działa przyśpieszająco. Przez złącze płyną przeciwnie skierowane prądy dyfuzji i prądy unoszenia dziur i elektronów.

Jeżeli złącze znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej i bez przyłożonego napięcia,

to prądy dyfuzji i unoszenia muszą być równe oddzielnie dla dziur i dla elektronów.

(1)

Indeksy p i n oznaczają odpowiednio prądy dziur i elektronów.

BARIERA POTENCJAŁU

W obszarze złącza, w wyniku istnienia ładunku przestrzennego o przeciwnym potencjale, indukuje się pole elektryczne i powstaje bariera potencjału. Powstałe pole elektryczne przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych powyżej pewnego poziomu, natomiast zwiększa przepływ nosników mniejszościowych, czyli elektronów swobodnych z obszaru typu p do obszaru typu n, oraz dziur z obszaru typu n do obszaru typu p.

WARSTWA ZAPOROWA

Na drodze dyfuzji w warstwie granicznej powstałej pomiędzy dwoma obszarami, po stronie obszaru n następuje zanik elektronów swobodnych. Pozostałe elektrycznie dodatnie jony donorów tworzą dodatni ładunek przestrzenny w tym obszarze. Analogicznie po stronie obszaru p niedostatek nośników większościowych w postaci dziur powoduje powstanie ujemnego ładunku przestrzennego. Obszar na styku obu obszarów półprzewodnikowych, w którym występuje zmniejszona koncentracja nośników większościowych nazywamy warstwą zubożałą (zaporową).

NAPIĘCIE DYFUZYJNE

Napięcie dyfuzyjne UD oznacza całkowity skok potencjału występujący na warstwie zaporowej złącza Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru n do p i z p do n.

Co to jest napięcie dyfuzyjne złącza p – n . Od czego zależy jego wartość (wzór).

Napięcie dyfuzyjne jest to bariera potencjału, która powstaje na styku obszarów n i p w skutek wyrównania potencjałów. Zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury.

$U_{D} = \frac{\text{kT}}{e}\ln\frac{n_{n}}{n_{p}}$, n_n i n_p – koncentracja elektronów w półprzewodnikach n i p.

Wymień założenia przyjmowane dla opisu idealnego złącza p – n.

a) rezystancji szeregowej diody,

b) zjawisk generacji i rekombinacji w obszarze złącza,

c) zjawisk powierzchniowych,

d) zjawisk przebicia.

Przedstaw charakterystykę I = f (U) idealnego złącza p – n , opisz ją wzorem ( wzór

Shockley’a), określ przedział zmian wartości współczynnika doskonałości złącza p – n

– co opisuje ten współczynnik?

$$I = I_{S}\left\lbrack \exp\left( \frac{\text{qU}}{\text{kt}} \right) - 1 \right\rbrack$$

Wartość współczynnika doskonałości złącza n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej i rekombinacyjnej w prądzie I_F płynącym przez złącze. Teoretycznie n powinno się zawierać między 1 (tylko prąd dyfuzji) i 2(tylko prąd rekombinacji).

Omów przepływ nośników w złączu p – n dla kierunku przewodzenia.

Jeżeli zewnętrzne pole elektryczne przyłożone jest przeciwnie do pola złącza, wówczas wysokość bariery potencjału obniża się, zwęża się obszar zubożony w nośniki. Prąd dyfuzji nośników większościowych gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Prąd nośników mniejszościowych nie ulega zmianie. Przy dostatecznie dużych wartościach napięcia polaryzującego prąd dyfuzji nośników większościowych zdecydowanie przeważa nad prądem unoszenia nośników mniejszościowych. Przy polaryzacji złącza rzeczywistego w kierunku przewodzenia oprócz prądu dyfuzyjnego należy uwzględnić prąd rekombinacji oraz spadek napięcia.

Omów przepływ nośników w złączu p – n dla kierunku zaporowego.

Jeżeli zewnętrzne pole elektryczne zostanie przyłożone zgodnie z polem powstałym w złączu wtedy powiększa się bariera potencjału na złączu. Prawdopodobieństwo pokonania większej bariery potencjału przez nośniki większościowe jest mniejsze, czyli składowe dyfuzyjne prądów elektronowego i dziurowego maleją. Prądy unoszenia nośników mniejszościowych pozostają bez zmian, ponieważ są one określone przez prędkość dopływu tych nośników do granic warstwy zaporowej z obszarów obojętnych. Przy dostatecznie dużej wartości napięcia, prądy dyfuzji są bliskie zero i płynie tyko niewielki prąd unoszenia niezależny od napięcia. Prawie cały spadek napięcia zewnętrznego odkłada się na złączu, ponieważ nie ma tam swobodnych nośników i oporność tego obszaru jest bardzo duża. Przy polaryzacji zaporowej złącza p-n należy

uwzględnić również prąd generacji (prąd związany z generacją nośników w obszarze ładunku

przestrzennego), prąd upływu oraz zjawisko przebicia.

Przedstaw charakterystykę I = f(U) rzeczywistego złącza p – n ( zaznacz wpływ rezystancji szeregowej i równoległej złącza).

Z czego wynika występowanie w złączu p – n rezystancji szeregowej i równoległej. Przedstaw sposób jej wyznaczania z charakterystyki I = f(U) złącza rzeczywistego.

Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody poza obszarem ładunku przestrzennego zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji szeregowej. Wiąże się to z założeniem, że ten spadek napięcia jest proporcjonalny do prądu płynącego przez złącze. Charakterystyka diody rzeczywistej, uwzględniająca prąd dyfuzji i rekombinacji jest w tym układzie współrzędnych linią prostą,

odstępstwo charakterystyki od liniowości świadczy o istnieniu rezystancji szeregowej RS. Wpływ rezystancji szeregowej jest widoczny przy dużych prądach płynących przez diodę, czyli dla kierunku przewodzenia i zakresu przebicia złącza. Z wykresu RS = ΔU/I

Rezystancja równoległa (upływu) jest rezystancją równoległą do rezystancji obszaru złącza. Rezystancja ta jest wynikiem występowania zjawisk powierzchniowych i defektów w regularnej strukturze złącza. Prąd płynący przez rezystancję upływu dodaje się do prądu płynącego przez idealne złącze p-n, powiększając jego wartość. Z uwagi na to, że wartość rezystancji upływu jest zazwyczaj bardzo duża, jej wpływ na charakterystykę diody uwidacznia się podczas polaryzacji w kierunku zaporowym.