Frelsning 5 pnvergngen II Spnningstrm Laddningar vid jmvikt

Föreläsning 5 – pn-övergången II: Spänning&ström • Laddningar vid jämvikt • Yttre pålagd spänning • Laddningar med pålagd spänning • Diffusionsströmmar diodekvationen 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 1

Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 2022 -02 -12 Föreläsning 4, Komponentfysik 2014 2

pn-diod: Från elektroniken P + N I 0 ~ 10 -14 A Ua – pålagd spänning UT – termisk spänning = k. T/e h – idealitetsfaktor (1<h<2) • Varför likriktar dioden? • Vad styr storleken på I 0? • Vad ger storleken på h? 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 3

Rekombination - I • Rekombination sker inte omedelbart. En elektron (hål) har en livstid tn innan den kan rekombinera. • En elektron hinner röra sig: Ln ~ vel×tn under en tid tn ”Kort” halvledare: Wp << Ln ”Lång” halvledare: Wp >> Ln Wp EC Rekombination Oviktigt! Ev 2022 -02 -12 Rekombination! Ev Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 4

Yttre pålagd spänning & kontakter +Ua En yttre spänning ändrar den potentialla energin: Ec EF Ec -e. Ua Ev Ev Ström genom halvledaren: Efn – kvasi ferminivå - elektroner Efp – kvasi ferminivå – hål 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 5

Framspänd pn-diod EF-Ec EF EFn-Ec EFn e. Ua -dn 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 dp 6 EFp

Framspänning: Ua positiv – Stor Ström EF-Ec EF EFn-Ec EFn e. Va -dn EFp dp Diffusion av minoritetsladdningsbärare bestämmer strömmen! 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 7

Laddningar vid pålägd spänning Antalet elektroner ökar exponentiellt med Ua vid dp! EFn-Ec EFn e. Va -dn 2022 -02 -12 dp Antalet hål ökar exponentiellt med Ua vid -dn! Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 8

Strömmar i en halvledare Drift Diffusion • Elektriska fältet e(x)≈0 i de neutrala områderna! • Elektronerna diffunderar från dp till Wp – vi kan enkelt beräkna hur stor strömmen är! 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 9

2 minuters övning - Elektronkoncentration under diffusion Elektron konc. n (m-3) Elektroner diffunderar från dp till Wp – hur måste n(x) se ut om rekombination kan försummas? np np 0 dp 2022 -02 -12 Wp Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 10

e≈0 e >> 0 e≈0 n (m-3) Kort diod - ström WP EC np 0 dp EV Wp WN Diffusionsströmar: 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 11

Kort diod - strömmar Diffusion av elektroner Från N sidan till P-sidan Diffusion av hål Från P sidan till N-sidan Typiska värden på A, Wp, Wn och dopningar: ”lagom” stor ström vid Va ~ 0. 7 -0. 8 V för en Si-diod. Läckström: I 0 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 12

Diffusionsströmmar EFp e. Va -e. Va EFn -dn 2022 -02 -12 dp Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 13

Optokomponenter – Partytrick 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 14

pn-diod: Från elektroniken P + N I 0 ~ 10 -14 A Ua – pålagd spänning UT – termisk spänning = k. T/e h – idealitetsfaktor (1<h<2) • Varför likriktar dioden? • Vad styr storleken på I 0? • Vad ger storleken på h? 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 15

Sammanfattning – nya beteckningar Efn : Kvasi-ferminivå för elektroner (e. V) Efp: Kvasi-ferminivi för hål (e. V) I 0 : läckström diod (A) Wn, Wp : diodens utsträckning n, p-sidan (m) Ln, Lp : Diffusionslängd (m) h: idealitetsfaktor (1 -2) Ua: Yttre pålagd spänning på dioden (V) 2022 -02 -12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 16