8. Dispozitive semiconductoare - mail.uaic.rogasner/FT4_Fizica_Microundelor/FT4_08_Disp... ·...

Copyright Paul GASNER 1

8. Dispozitive semiconductoare


Cuprins

● Joncţiunea PN la frecvenţe înalte● Diode varactor● Diode PIN● Diode tunel● Dispozitive cu transfer de electroni● Diode IMPATT


8.1 Joncţiunea PN la frecvenţe înalte● se consideră o jocţiune plană, abruptă,

ideală şi asimetrică la echilibru termodinamic

● nn>>np şi pp>>pn şi atunci purtătorii majoritari migrează de cealaltă parte a joncţiunii

● se formează o regiune de sarcină spaţială în regiunea sărăcită de sarcină (regiune de barieră sau de trecere)

● sarcina spaţială creează un câmp electric şi un potenţial de barieră, care se opune migrării purtătorilor majoritari

● apar două tipuri de capacităţi:– capacitatea de barieră– capacitatea de difuzie


8.1.1 Capacitatea de barieră● apare ca urmare a acumulării de sarcină spaţială în regiunea sărăcită● prin definiţie

● în cazul sărăcirii complete, sarcina acumulată este

unde A este aria joncţiunii şi l lărgimea totală a regiunii de trecere, care, în prezenţa unei tensiuni externe V de polarizare, are expresia

iar potenţialul de barieră este

(8.1.1) C bV Q=dQdV ∣

V=V Q

(8.1.2) Q=qN A N D

N AN DAl

(8.1.3) l=l pln= 2s

qN AN D

N A N DVV b =l01 V

V b

(8.1.4) V b=W b

q=V T ln

N A N D

ni2


8.1.1 Capacitatea de barieră● pentru o joncţiune P+N, NA>>ND şi atunci din relaţiile precedente,

efectuând derivata din definiţie

unde l0 şi Cb0 corespund echilibrului termodinamic

(8.1.5) C b=s A

l=

C b0

1V /V b


8.1.2 Capacitatea de difuzie● Cd se datorează acumulării de purtători minoritari în exces la polarizări

directe● curentul prin diodă este dat de ecuaţia Shockley

unde Is este curentul de saturaţie dat de purtătorii minoritari

● Cd este dată de

unde τ sunt timpii de viaţă ai purtătorilor minoritari iar dacă τn=τp=τ atunci

gd fiind conductanţa diferenţială

a diodei în polarizare directă

(8.1.6) I= I s eV /V T−1

(8.1.7) C d= p I spn I sn

V TeV /V T−1

(8.1.8) C d= IV T

= g d , g d=dIdV ∣

V=V Q

= 1V T


8.2 Diode varactor● prin reglarea tensiunii de alimentare, diodele varactor (variable reactor) îşi

modifică puternic reactanţa capacitivă

8.2.1 Capacitatea de barieră● se consideră o joncţiune puternic asimetrică P+N, unde impurităţile

acceptoare au o variaţie abruptă● Ecuaţia lui Poisson unidimensională pentru regiunea de trecere este

unde Nx are expresia generală

(8.2.1) d 2 Vdx2 =

−qN x

(8.2.2) N x=Bxm

● integrând (8.2.1) cu condiţiile la limită V(0)=0, V(l)=Vb+Vi unde Vi tensiunea inversă aplicată, se obţine


8.2.1 Diode varactor. Capacitatea de barieră

● sarcina spaţială acumulată în regiunea de trecere este

● capacitatea de barieră are atunci expresia generală

unde Cb0 este dat de

● valori diferite pentru m înseamnă profile diferite de joncţiuni, cum ar fi: m=0 pentru joncţiunea abruptă şi ideală; m=1 pentru joncţiunea liniar gradată în regiunea slab dopată; m<0 – joncţiuni hiperabrupte.

(8.2.3) l0=[ m2 V bV i qB ]

1/m2

(8.2.4) Qb=qAN x l n

(8.2.5) C b=dQb

dV i=[ qABm1

m2V bV i ]1/m2

=C b0 1 V i

V b −1 /m2

(8.2.6) C b0=[ qABm1

m2V b ]1/m2


8.2.2 Diode varactor. Rezistenţa serie● rezistenţa serie (de volum) este determinată de regiunea slab dopată într-o

joncţiune asimetrică● rezistenţa de volum este aproximativ egală cu cea a stratului epitaxial

iar pentru o joncţiune abruptă m=0, unde ρn(x) este constantă, ecuaţia de mai sus devine

(8.2.7) Rs=1A∫l n

xe

n x dx= 1A∫l n

xe 1n x

dx

(8.2.8) Rs=1

An xe−ln


8.2.3 Diode varactor. Scheme echivalente● Cb este capacitatea de barieră, Rd

rezistenţa diferenţială a joncţiunii (la polarizări inverse), Rs rezistenţa serie, Cc capacitatea de încapsulare, Ls inductanţa terminalelor, Cs capacitate datorată efectelor de margine

● la frecvenţe joase este preferată schema echivalentă simplificată din b

● Frecvenţa limită pentru o tensiune inversă de polarizare Vi

(8.2.9) f V i= 1

2C b Rs


8.2.3 Diode varactor. Scheme echivalente● Frecvenţa limită pentru polarizare nulă

● Frecvenţa critică

unde Cbmin este capacitatea corespunzătoare tensiunii inverse de străpungere iar Cbmax corespunde unei tensiuni pozitive apropiate de zero

● Factorul de calitate, (raportul dintre energia înmagazinată în elementele reactive şi energia disipată)

(8.2.10) f V i= 1

2C b0 Rs

(8.2.11) f cr=1/C bmin−1/C bmax

2Rs

(8.2.12) Q=C b Rd

12 C b2 Rd Rs


8.2.4 Diode varactor. Aplicaţii● mixere de semnal (modulatoare, multiplicatoare de frecvenţă)● detecţie● generatoare● amplificatoare parametrice● elemente de acord


8.2.4 Amplificator parametric


8.3 Diode PIN● dioda PIN este formată din două regiuni

puternic dopate P şi N, izolate printr-o regiune intrinsecă I

● stratul I conţine mici cantităţi de impurităţi acceptoare (strat π) sau donoare (strat ν)

● w<<Lp,Ln

● sarcina spaţială a regiunii de trecere se formează în regiunile puternic dopate

● sărăcirea totală a regiunii intrinseci se realizează prin aplicarea unei tensiuni inverse Vs numită tensiune de sărăcire


8.3.1 Diode PIN. Polarizarea inversă● Capacitatea de barieră Cb este aproximativ constantă la

polarizări inverse deoarece lărgimile regiunilor de sarcină spaţială rămân constante şi egal distanţate din cauza dopării puternice a regiunilor P şi N

● Rezistenţa diferenţială inversă Rd are valori foarte mari

● Rs = rezistenţa de volum a regiunilor P şi N şi rezistenţa contactelor ohmice

● Ri = rezistenţa de volum asociată regiunii I

● Cc = capacitatea de încapsulare, Cs capacitatea de margine datorată contactelor, Ci capacitatea regiunii I

● La tensiuni de polarizare relativ mici (Vinv<Vs), regiunea intrinsecă nu este sarăcită în totalitate, ci doar pe o distanţă a<w


8.3.1 Diode PIN. Polarizare inversă

● dacă A este aria joncţiunii, iar este rezistivitatea stratului, se găseşte

● dacă Vinv=Vs, atunci a=w şi atunci

● pentru Vinv>Vs, Cc, Cs şi Ls au valori foarte mici iar Rd foarte mari, astfel că în schema echivalentă generală numai Cb şi Rs sunt importante

● pentru Vinv<Vs, Ri este mică din cauza existenţei purtătorilor de sarcină în această regiune incomplet sărăcită

(8.3.1) a=[ 2q N I

V b−V inv ]1/2

i=1/qN I

(8.3.2) C b= Aa

, C i= A

w−a, Ri=i

w−a A

C b= A/w ,C i=∞ , Ri=0


8.3.1 Diode PIN


8.3.2 Diode PIN. Polarizare directă● goluri din regiunea P şi electroni din regiunea N sunt injectaţi în regiunea I

şi cum w<<Lp,Ln această regiune va conţine purtători mobili în concentraţie relativ mare

● rezistenţa serie a diodei scade foarte rapid cu tensiunea aplicată, în mod identic ca la o diodă semiconductoare obişnuită

● Conductanţa diodei este proporţională cu sarcina acumulată în zona intrinsecă, iar sarcina este dependentă de curentul ce trece prin diodă:

unde τ este timpul mediu de recombinare al purtătorilor mobili de sarcină în stratul I, Qd sarcina acumulată în regiunea I, iar Qd/τ reprezintă curentul injectat în stratul I

● dacă alimentarea diodei se face cu un curent continuu peste care se suprapune o componentă alternativă, atunci sarcina acumulată va fi modulată de componenta alternativă

(8.3.3) id=dQd

dt

Qd


● la frecvenţe mai mari decât f0 dioda se comportă ca un rezistor liniar a cărui rezistenţă poate fi controlată cu un curent continuu sau alternativ de joasă frecvenţă ce străbate dioda.

8.3.2 Diode PIN. Polarizare directă

● o componentă cu o frecvenţă mai mare decât f0=1/2πτ are acelaşi efect ca şi componenta continuă, redresând semnalul alternativ ca o diodă obişnuită

(8.3.4) Qd =id j1 j



8.3.3 Mod de funcţionare cu rezistenţă variabilă


8.3.4 Diode PIN. Comutatoare


8.3.5 Diode PIN. Atenuatoare


8.3.6 Diode PIN. Defazoare


8.4 Diode tunel (DT)● funcţionarea se bazează pe efectul de tunelare interbenzi:● tunelarea unei bariere de energie potenţială de către electroni a căror

energie este mai mică decât înălţimea barierei; pentru ca acest fenomen să fie posibil este necesar ca lăţimea acesteia să fie foarte mică, de ordinul 10-100Å

● limita inferioară a benzii de conducţie Wc din regiunea de tip N este situată energetic mai jos decât limita superioară a benzii de valenţă Wv din regiunea de tip P (joncţiuni PN la polarizări inverse puternice)

● la DT suprapunerea benzilor are loc chiar la echilibru termodinamic şi la tensiuni directe nu prea mari

● semiconductorul trebuie să fie degenerat● funcţionarea DT şi forma caracteristicii statice pot fi explicate utilizându-

se modelul zonal simplificat


8.4 Diode tunel


8.4 Diode tunel


8.4 Diode tunel


8.5 Dispozitive cu transfer de electroni. Efect Gunn● Gunn (1963) observă apariţia

oscilaţiilor de înaltă frecvenţă în eşantioane de GaAs sub acţiunea unor câmpuri electrice foarte puternice (2-4KV/cm)

● perioada oscilaţiilor este aproximativ egală cu timpul de tranzit al electronilor (semiconductor tip N) între catod şi anod

● oscilaţiile sunt efectul formării şi deplasării unor dipoli de sarcină spaţială în semiconductor

● câmpul creat de dipol se numeşte domeniu de câmp înalt

● <1000GHz


8.5.1 Mecanismul Ridley-Watkins-Hilsum● oscilaţiile (efectul) Gunn se explică prin existenţa unei rezistenţe

diferenţiale negative de volum (RDNV)● RDNV a fost prezisă de Ridley, Watkins şi Hilsum bazându-se pe

mecanismul de transfer de electroni ● într-un semiconductor tip N, curentul de drift este dat de:

unde n0 – concentraţia electronilor la echilibru termodinamic, µn – mobilitatea electronilor

● se aplică modelul two-valley, în care BC prezintă două minime, corespunzătoare direcţiilor [000] pentru minimul fundamental şi [100] pentru minimul satelit

● masa efectivă în minimul fundamental este m1*, mobilitatea electronilor

este µ1, iar concentraţia n1; în minimul satelit, masa efectivă, mobilitatea şi concentraţia electronilor sunt m2

* şi µ2 respectiv

(8.5.1) j=q n00E


8.5.1 Mecanismul RWH● concentraţia de echilibru este

n0=n1+n2

● deoarece m1*<m1

*, mobilităţile vor fi µ1>µ2

● mecanismul RWH constă în transferul de electroni (sub influenţa unui câmp electric) din minimul fundamental în minimul satelit

● conductivitatea în regim staţionar este

iar densitatea de curent(8.5.2)

=q n11n22=q n0

j= E=q n0 E=q n0v(8.5.3)


8.5.1 Mecanismul RWH

● pentru Ea≤E≤Eb, electronii ocupă stări în ambele minime

● RDVN există doar dacă

● la câmpuri slabe E≤Ea, toţi electronii sunt în minimul fundamental şi densitatea de curent este j1

● la câmpuri intense E≥Eb, toţi electronii sunt în minimul satelit şi densitatea de curent este de tipul j2

1 E a2 Eb(8.5.4)


8.5.1 Mecanismul RWH. Condiţii● Condiţii necesare transferului inter-minime

– temperatură suficient de joasă pentru ca electronii să se situeze în minimul fundamental în absenţa câmpului electric

– în minimul fundamental, densitatea de stări şi masa efectivă să aibă valori mici şi mobilitatea să fie ridicată, iar în minimul satelit densitatea de stări şi masa efectivă să aibă valori mari şi mobilitatea redusă

– intervalul energetic dintre minime să fie mai mic decât lăţimea benzii interzise (pentru a evita multiplicarea în avalanşă)


8.5.2 Moduri de funcţionare a DTE


8.5.2 Criteriul Kroemer● pentru formarea unei instabilităţi puternice de

sarcină spaţială sunt necesare:– concentraţii mare de electroni– lungimea eşantionului mare pentru ca

instabilitatea să se formeze complet● rata de creştere a sarcinii în instabilitate este

unde

● maximul din (8.5.5) se obţine pentru t=l/v, iar exponenţiala devine exp(l/vτD)

● e necesar ca exponentul sa fie supraunitar, deci

Q x , t =Q x−vt ,0et /D(8.5.5)

(8.5.6) D=s

=

s

q n0∣d∣

(8.5.7) no ls v /q n0∣d∣


8.5.2 Moduri de funcţionare a DTE în GaAs

1. n0l >1012cm-2: domeniile de câmp înalt se formează complet - mod cu timp de tranzit sau mod Gunn pur (oscilator)

2. n0l <1012cm-2: domeniile de câmp înalt nu se formează, dar iau naştere unde crescătoare de sarcină spaţială – regim de amplificare stabilă

3. la DTE cu neuniformităţi de concentraţie şi acumulări iniţiale foarte mici, câmpul electric rămâne constant pe lungimea dispozitivului; pentru circuitul extern, DTE va prezenta o rezistenţă diferenţială negativă pură – mod cu sarcină spaţială limitată (LSA – limited space-charge accumulation)

s v /q n0∣d∣≈1012 cm−2


8.5.3 Oscilatoare


8.5.3 Oscilatoare


8.6 Diode IMPATT8.6.1 Structura Read● Impact Ionization Avalanche and Transit

Time● modul IMPATT presupune polarizarea

inversă a unei joncţiuni PN în regiunea de străpungere în avalanşă

● la tensiuni inverse mari, sarcina spaţială se întinde în regiunile N şi I, iar câmpul electric este maxim la interfaţa P+N

● pe o distanţă xa, câmpul este suficient de puternic pentru a produce multiplicarea în avalanşă a purtătorilor minoritari:– golurile sunt captate în regiunea P+ – electronii se deplasează spre N+,

traversând regiunea de tranzit I


8.6 Diode IMPATT● se formează două regiuni:

– regiunea de multiplicare în avalanşă 0 ≤ x ≤ xa

– regiunea de tranzit xa ≤ x ≤ w ● în regiunea de multipicare în avalanşă se suprapune peste câmpul de

polarizare E0 un câmp alternativ E~<<E0 , astfel încât E~+E0≈Ecr – câmpul de la care se declanşează multiplicarea

Date post:	04-May-2018
Category:	Documents
Upload:	buinhi
View:	221 times
Download:	1 times

8. Dispozitive semiconductoare - mail.uaic.rogasner/FT4_Fizica_Microundelor/FT4_08_Disp... ·...

Documents