Cap3 alba iulia.ppt
of 69
/69
-
Upload
biancamihalache -
Category
Documents
-
view
248 -
download
3
Embed Size (px)
description
23
Transcript of Cap3 alba iulia.ppt
DE
Capitolul III
DIODE SEMICONDUCTOARE
3.6 Contactul metal-semiconductor (C.M.S.)
3.1 Introducere
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
3.3 Joncţiunea pn polarizată
3.4 Străpungerea jonctiunii pn
3.5 Diode cu joncţiune pn
3.7 Comportarea în temperatură a diodelor semiconductoare
DE
3.1 Introducere
3.1 Introducere
A K
np
Aplicatii
•Redresare
•Mixare si detectie
•Stabilizare
•Multiplicare
Fig. 3.1a Fig. 3.1b
A K
nmetal
Tipuri de diode
Diode cu jonctiune pn Dioda Schottky
DE
Capitolul III
DIODE SEMICONDUCTOARE
3.6 Contactul metal-semiconductor (C.M.S.)
3.1 Introducere
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
3.3 Joncţiunea pn polarizată
3.4 Străpungerea jonctiunii pn
3.5 Diode cu joncţiune pn
3.7 Comportarea în temperatură a diodelor semiconductoare
DE
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Fig. 3.2a
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
0nw00pw
A K
x
p n
•joncţiune pn : două zone de tip opus, una p şi alta n aflate în contact intim
• - lăţimea (constructivă) zonei p şi - lăţimea zonei n
•suprafaţa comună : joncţiunea metalurgică
•la x = 0 trecere brusca de la zona p ( x < 0 ) la zona n ( x 0 )
•bară semiconductoare de-a lungul axei Ox
•A şi K la masă joncţiunea la echilibru termic
0pw0nw
DE
0nw00pw
0px x0nx
AD NN ,
•zona p dotată cu impurităţi acceptoare de concentraţie NA
Fig. 3.2b
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
AN
DN
Doparea joncţiunii
• zona n dotată cu impuritãţi donoare de concentraţie ND
• NA şi ND constante (pentru simplitate) şi (de ex) NA ND
• trecere abruptă de la zona n la zona p joncţiune abruptă
DE
Prin punerea în contact a zonelor n şi p
Fenomene fizice
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
0 0 0B• câmp electric intern , potenţial intern tensiunea internă
• zonă golită de purtători mobili; are o sarcină netă (imobilă şi distribuită uniform în
spaţiu) datorată difuziei şi recombinării de-o parte şi de alta a joncţiunii
metalurgice (x = 0)
• recombinarea purtătorilor mobili minoritari în regiunea în care au difuzat cu cei
majoritari din această regiune
• difuzia purtătorilor mobili din zonele unde sunt majoritari spre cele unde sunt
minoritari
DE
Fig. 3.2c
0nxx
0nw0nx00pw
0px x
Zonaneutră p
Zona de sarcină spaţială
Zonaneutră n
0A K
)( DNn)( ANp
- - -- - -- - -- - -
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Zonele joncţiunii
• jocţiunea are 3 zone:
0pxx • zone neutră - zone fără sarcină netă
o zona neutră p - anod (A), corespunde
o zona neutră n - catod (K) corespunde
• zonă golită – regiune de sarcină spaţială RSS – regiune de barieră
DE
Expresii analitice pentru şi0 0
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Aproximări:
•caz unidimensional : joncţiunea pn - bară semiconductoare de-a lungul axei Ox
•dopările NA , ND constante cu NA > ND
•joncţiune abruptă
•golire completă
DE
0
qN
qN
D
A
S0
00
0
0
np
n
p
xx,xx
xx0
0xx
(3.1a)
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Fig. 3.2d
Sarcina electrică
0S
0nw00pw
0px x0nx
DE
s
so 0
dx
d
Condiţii la limită: 0xx00 n0p0
0
0)(00
xxxxqN
pps
A
000)( nn
s
D xxxxqN
00 np xx,xx0
(3.1b)
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Câmpul electric
DE
Fig. 3.2e
0nw00pw
0px0nx
0
0M
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Câmpul electric
DE
Condiţii la limită: 0000 nn0pp0 )x()x(
00
dx
d
0
0
00
00
2
2
0)(
2
)(2
n
p
ns
Dn
ps
Ap
xxqN
xxqN
0
0
0
0
0
0
n
p
n
p
xx
xx
xx
xx
(3.1c)
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Potenţialul electric
DE
•potenţialul electric constant în zonele neutre
•tensiunea internă între zonele neutre:
•în zona de golire - variaţie parabolică.
Fig. 3.2f
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
Potenţialul electric
0B
0n
0p
0nw0pw
0pxx
0nx0
0dx
0
00 np0B
DE
2i
DAth0B
n
NNlnV
0B tensiunea internă - diferenţă internă de potenţial (cu (+) pe n şi (–) pe p)
(3.2)
Tensiunea internă
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
00 np0B problema (2.1)
DE
00 BDA
DA
S
2M NN
NNq2
(3.4b)
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
000 nS
Dp
S
AM x
qNx
qN
(3.4a)
0M - valoarea maximă a câmpului electric este la x = 0 (fig. 3.2g)
Câmpul electric maxim
x = 0 în (3.1c)
x = 0 în (3.1b)
DE
Regiunea de sarcină spaţială se întinde mai mult în zona mai slab dopată
00
00
dDA
An
dDA
Dp
xNN
Nx
xNN
Nx
(3.5a)
Lăţimea zonei golite
000 npd xxx
00 nDpA xNxN
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
x = 0 în (3.1b)
DE
000 pnB
Lăţimea regiunii de golire
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
2n
S
Dn
2p
S
Ap
0000x
2
qNx
2
qN
2
1
BDA
Sd 00
)N
1
N
1(
q
2x
(3.5b)
Continuitatea potenţialului la x = 0
000 npd xxx
DE
• zonă de golire, regiune de sarcină spaţială
• înălţimea energetică:
• lăţimea:
• determină comportarea redresoare / unidirecţională a joncţiunii
Joncţiune asimetrică
• p+n000 dnp xxx DA NN
• pn+DA NN
000 dpn xxx
Zona de barieră
0Bq
0dx
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
DE
Capitolul III
DIODE SEMICONDUCTOARE
3.6 Contactul metal-semiconductor (C.M.S.)
3.1 Introducere
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
3.3 Joncţiunea pn polarizată
3.4 Străpungerea jonctiunii pn
3.5 Diode cu joncţiune pn
3.7 Comportarea în temperatură a diodelor semiconductoare
DE
3.3. Joncţiunea pn polarizată
A polariza un dispozitiv înseamnă a aplica tensiuni continue între electrozii săi.
(+) pe A şi (–) pe KFig. 3.3a
3.3 Joncţiunea pn polarizată
0Dv
DiA Knp
Dv
Di
Polarizarea joncţiunii - aplicarea unei tensiuni între zonele neutre p şi n
(–) pe A şi (+) pe K0vD
DE
•modificarea tensiunii interne
2
1
)(2
0
DB
DA
DA
sM v
NN
NNq
2
1
DBDA
sd v
N
1
N
1
q
2x
0
• modificarea câmpului maxim şi lăţimii regiunii golite
(3.4c)
(3.5c)
3.3 Joncţiunea pn polarizată
DBBB v00
Efectele polarizarii
DE
3.3.1 Polarizarea directă (în conducţie)
•tensiunea internă scade
•câmpul electric maxim scade
•lăţimea barierei scade vezi (3.5.b,c)
0, MFM
•mulţi purtători majoritari difuzează intre zonele neutre
curent important având sensul deplasării golurilor (de la A la K)
0dF,d xx
0BF0BF,B V
3.3 Joncţiunea pn polarizată
0 FD Vv
vezi (3.4.b,c)
DE
•electronii minoritari din zona neutră p - atraşi de (+) de pe catod (K), •golurile minoritare din zona neutră n - atrase de (-) de pe anod (A). •curent foarte mic datorită concentraţiilor reduse de minoritari
•tensiunea internă creşte
•câmpul electric maxim creşte
•lăţimea barierei creşte
3.3.2 Polarizarea inversă (în blocare)
610F
R
I
I•
0MR,M
0dR,d xx
0 RD Vv
3.3 Joncţiunea pn polarizată
0BR0BR,B V
DE
Capitolul III
DIODE SEMICONDUCTOARE
3.6 Contactul metal-semiconductor (C.M.S.)
3.1 Introducere
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
3.3 Joncţiunea pn polarizată
3.4 Străpungerea jonctiunii pn
3.5 Diode cu joncţiune pn
3.7 Comportarea în temperatură a diodelor semiconductoare
DE
iD
I0 = I0gr+ I0d
IRm
IRM
VBR
VR
IR
0.7 VBR
3.4 Străpungerea joncţiunii pn
3.4. Străpungerea joncţiunii pn
Fig. 3.4a
DE
a) Regiunea de blocare - vD = VR
0 < VR <
0,7 VBR
- iD = I0
b) Regiunea de stabilizare
- vD = VR VBR
VBR - tensiunea de străpungere
(breakdown)
3.4 Străpungerea joncţiunii pn
I0 - curentul rezidual al joncţiunii
DE
A KZona neutră p
Zona neutră n
RSS
Fig. 3.4b
3.4.1 Multiplicarea în avalanşă
3.4 Străpungerea joncţiunii pn
-VBR
DE
n
BRVRV
1
1M
(3.4d)
3.4 Străpungerea joncţiunii pn
•Formulă empirică
•n = 4,5 – 7 pentru Si
•IR = MI0
•M - factor de multiplicare în avalanşă.
DE
Capitolul III
DIODE SEMICONDUCTOARE
3.6 Contactul metal-semiconductor (C.M.S.)
3.1 Introducere
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
3.3 Joncţiunea pn polarizată
3.4 Străpungerea jonctiunii pn
3.5 Diode cu joncţiune pn
3.7 Comportarea în temperatură a diodelor semiconductoare
DE
3.5.1 Dioda pn redresoare
3.5 Diode cu joncţiune pn
Fig. 3.5a
Simbolul diodei pn
iD
+ -
vD
A K
DE
În practica inginerească:
1exp0
th
DD mV
vIi (3.6.a)
I0 - curentul rezidual al
diodei
m (1,2) - factorul de idealitate
3.5 Diode cu joncţiune pn
Ecuatia curent - tensiune
DE
dDD vVv VD - componenta continuă a
tensiunii
Curentul prin diodă:
dDDDD iIvii )(
ID - curentul continuu datorat tensiunii VD
Componentele tensiunii / curentului
Tensiunea pe diodă:
3.5 Diode cu joncţiune pn
vd - componenta variabilă / de semnal a tensiunii
id - curentul variabil datorat tensiunii vd
DE
DD Vv
Curentul prin diodă: DD Ii
D( ID ,VD) = PSF-ul diodei
Regimul staţionarTensiunea pe diodă:
3.5 Diode cu joncţiune pn
v
d = 0
i
d = 0
Punctul static de funcţionare - PSF
DE
1.2 Proprietăţile dispozitivelor electronice
Regimul stationar
0 0DI I
Conducţie
Blocare
0 exp DD
th
VI I
mV
0 exp 1DD
th
VI I
mV
(3.6.b)
(3.6.c)
DE
Circuitul de regim staţionar – polarizare în blocare
AK
Fig. 3.5b
I0
Generator de curent constant – independent de tensiune
3.5 Diode cu joncţiune pn
DE
• vd - semnal alternativ, lent variabil în timp
• regim cvasistaţionar = succesiune de regimuri staţionare independente
• semnal mic - între componentele de semnal ale curentului şi tensiunii
există o relaţie liniară
id ~ vd
d thv V
Vth 25 mV la T =
300K
( 3.7 )
3.5 Diode cu joncţiune pn
Condiţia de semnal mic
DE
Rezistenţa internă /dinamică
dd
d
DD
Dd v
r
1v
dv
dii
0D
th
1
DD
Dd II
mV
dv
dir
(3.8a)
3.5 Diode cu joncţiune pn
dth
D0d v
Vm
IIi
DE
Comentarii
•rd =Ri
1 dd rg
•Conductie : ID >> I0
D
thd I
mVr (3.8b)
•Blocare ID - I0
rd → (3.8c)
3.5 Diode cu joncţiune pn
rd foarte mare - zeci, sute de GΩ
rd de valori mici – unitati, zeci de Ω
DE
a) Capacitatea de difuzie
Asociată variaţiei cu tensiunea a sarcinii purtătorilor mobili din zonele neutre.
b) Capacitatea de barierăAsociată variaţiei cu tensiunea a sarcinii spatiale din zona de barieră.
Capacităţi interne
3.5 Diode cu joncţiune pn
vd - rapid variabil în timp contează componentele capacitive
Dd
Jsj Vx
AC
•relaţie similară cu cea a capacităţii condensatorului plan-paralel
•aria armăturilor - aria joncţiunii
•distanţa dintre armături - lăţimea zonei de barieră
(3.9a)
DE
Joncţiune pn abruptă (Fig. 3.1b) :
(3.9b)
0d
d
0jj
0d
Js0vj0j
x
x
CC
x
ACC
D
21
0B
D
0jj
V1
CC
Notaţie
3.5 Diode cu joncţiune pn
DE
Circuitul echivalent la semnal mic
Fig. 3.5c
3.5 Diode cu joncţiune pn
A
dC
K
jCdr
sr
di
+
vd
DE
Circuitul echivalent de semnal mic
circuitul modeleaza comportarea diodei numai pentru semnale alternative ce
verifică condiţia de semnal mic
circuitul e liniar / între componentele de semnal mic e o relaţie liniară;
elementele circuitului: rd , Cd , Cj - parametrii dinamici ai diodei;
dependenţi de PSF-ul diodei
pentru rs nu există o formă analitică; rs nu apare în relatia (3.6m)
3.5 Diode cu joncţiune pn
DE
3.5.2 Dioda Varicap
VD= - VR < 0
La semnale alternative de frecvenţe înalte
)V(CV
1
CC Rjm
0B
R
0jj
j
(3.9c)
Ex BB313: Cj variază între 500 pF –20 pF când VR [0…10 V]
A K
mj (1,2) – joncţiune hiper-abruptă
3.5 Diode cu joncţiune pn
DE
3.4 Străpungerea joncţiunii pn
Fig. 3.5d
3.5.3 Dioda Zener AK
IZM
I0
IZm
VZ
vZ
iZ
0.7 VZ
zRtg
DE
3.5 Diode cu joncţiune pn
Modelarea în regim staţionar
• sursă de tensiune continuă, cu rezistenţa internă Rz
• RZIZ<<VZ ; RZ efect neglijabil
• IZ [IZm; IZM]
Fig. 3.5e
Modelarea în regim dinamic (semnal mic)
AK Rz
Fig. 3.5f
Iz AK
+ -
Rz
VZ
Z
ZMZM V
PI
DE
Capitolul III
DIODE SEMICONDUCTOARE
3.6 Contactul metal-semiconductor (C.M.S.)
3.1 Introducere
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
3.3 Joncţiunea pn polarizată
3.4 Străpungerea jonctiunii pn
3.5 Diode cu joncţiune pn
3.7 Comportarea în temperatură a diodelor semiconductoare
DE
3.6.1 Procese fizice la contactul metal-semiconductor (CMS)
•difuzia de electroni din semiconductor în metal ( qS < qM )
•plecarea electronilor din semiconductor (pe o porţiune din vecinătatea
joncţiunii cu metalul) creează o zonă golită, cu sarcină spaţială fixă (datorată
ionilor de impuritate) – numită şi RSS sau regiune de bariera – în rest
semiconductorul este neutru
•sarcina spaţială din RSS determină un câmp intern, un potenţial intern si
o tensiune internă (între zona neutră a semiconductorului şi metal) - B0.
3.6 Contactul Metal-Semiconductor
DE
Înălţimea barierei
•Pentru electronii din semiconductor : qΦB0
MBn qq
Bariera C.M.S.
(3.5d)
3.6 Contactul Metal-Semiconductor
(3.12)
cs0 EE •Afinitatea pentru electroni a semiconductorului
0B M S
•q · B(S) : lucrul mecanic de extracţie pentru electronii din metal (sem)
•Pentru electronii din metal
DE
RSS acţionează ca barieră între metal şi semiconductor (zonă de barieră).
Bariera C.M.S.
0BD
s0d qN
2x (3.5d)
3.6 Contactul Metal-Semiconductor
Lăţimea barierei
DE
3.6.2 Tipuri de C.M.S.
Joncţiunea pn şi contactul Schottky au, datorită R.S.S.,
comportare redresoare.
•contacte ohmice: C.M.S. cu barieră mică
Bn < 0,3 V si / sau xd0 < 100Å
•contacte redresoare (Schottky): C.M.S. cu zonă de barieră reală
Bn > 0,55 V; xd0 > 500Å
3.6 Contactul Metal-Semiconductor
DE
3.6.2 Dioda Schottky
Relaţia curent - tensiune, în regim cvasistationar
(3.6 a)
1
mV
vexpIi
th
D0D
]1,1;1(m
3.6 Contactul Metal-Semiconductor
Fig. 3.6a
+ vD -
A KiD
Bazata pe un contact Schottky ce inlocuieste jonctiuneaComportare similara cu dioda pn redresoare
DE
Curentul rezidual
th
BnnJ
20 V
expAATI
• AJ = aria CMS-ului
• An = 120 A/(cm2K2) - constanta Richardson pentru electroni(Si)
• Ap = 32 A/(cm2K2) - constanta Richardson pentru goluri(Si)
3.6 Contactul Metal-Semiconductor
th
BppJ
20 V
expAATI
(3.6c)
(3.6d)
Semiconductor n
Semiconductor p
DE
Comportarea diodei Schottky în regim variabil – semnal mic
Fig. 3.6b
3.6 Contactul Metal-Semiconductor
A
K
jCdr
sr
di
+
vd
Cd = 0 nu există injecţie de purtători minoritari
rd dat de (3.8a,b)
Cj dat de (3.9a,b)
K A
n
contactohmic
contactSchottky
Structura diodei Schottky
n
ID = 0
Echilibru
VD = 0
AK
RSS
n
E0
Contact Schottky
Contact ohmic
n
E
Conducţie
AK
RSS
n
E0
Contact schottky
Contact ohmic
+VA = VF
Jn
IFIF
n
E
n
E
Conducţie
AK
RSS
Contact Schottky
Contact ohmic
+VA = VD
Jn
IDID
0 exp DD
th
VI I
V
Blocare
AK
RSS
nI0I0
E
Contact Schottky
Contact ohmic
-VA = VD
0DI I
n
Blocare
AK
RSS
nIRIR
E -VA = VR
Contact Schottky
Contact ohmic
Străpungere
AK
RSS
n
-VA = VBR
IRIR
E = EBR
DI - foarte mare
Contact Schottky
Contact ohmic
• Electroni Molecule de lichid (apă)• Curent electric Curgerea lichidului• Terminalele dispozitivelor Bazine infinite cu
lichid• Potenţialele terminalelor Nivelurile lichidului
în bazine• Potenţial pozitiv Un nivel al lichidului mai
mic decât cel de referinţă pentru bazin• Potenţial negativ Un nivel al lichidului mai
mic decât cel de referinţă pentru bazin
Dispozitive electronice – analogie hidrodinamică
Catod Anod
VK = 0VK = 0 VA = 0
Dioda Scotkky – analogie hidrodinamică
Echilibru
Catod
Conducţie
VK = 0
Anod
VA = VFVA
Dioda Scotkky – analogie hidrodinamică
th
ASD V
VexpII
Catod
Blocare
VK = 0
Anod
VA VA = -VR
Dioda Scotkky – analogie hidrodinamică
0ID
Străpungere
Catod
VK = 0
Anod
VA
VA = -VBR
Dioda Scotkky – analogie hidrodinamică
DI Foarte mare
DE
Capitolul III
DIODE SEMICONDUCTOARE
3.6 Contactul metal-semiconductor (C.M.S.)
3.1 Introducere
3.2 Joncţiunea pn la echilibru termic
3.3 Joncţiunea pn polarizată
3.4 Străpungerea jonctiunii pn
3.5 Diode cu joncţiune pn
3.7 Comportarea în temperatură a diodelor semiconductoare
DE
1) Curentul rezidual
2) Factorul de idealitate m nu depinde de temperatură (T).
3.7 Comportarea cu temperatura a diodelor semiconductoare
T I0 (exponential)
Parametrii statici
3) Curentul direct de conductie ( tensiunea directa - constanta cu temperatura )
T ID (exponential)
4) Tensiunea directa de conductie ( curentul direct - constant cu temperatura )
0F
0FF TTT
VTVTV
T VF (liniar)
C
mV)4,26,1(
TV
oF
Panta
DE
3.7 Comportarea cu temperatura a diodelor semiconductoare
5) Curentul in blocare
0DI I
T I0 (exponential)
6) Puterea disipata
DDd IVP
max,dd PP (data de catalog)
DE
Parametrii dinamici1) Rezistenţa dinamică
D
thd I
mVr T Vth rd
T ΦB0 Cj
3) Capacitatea de difuzie
3.7 Comportarea cu temperatura a diodelor semiconductoare
jm0BD
0jj
V1
CC
2) Capacitatea de barieră
T Cd
