Cap3 alba iulia.ppt

Post on 15-Jan-2016

247 views 3 download

description

23

transcript

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