Transcript Ενότητα 2: Η επαφή pn (PPT)

Ηλεκτρονική
Ενότητα 2: Η επαφή pn
Αγγελική Αραπογιάννη
Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών
Περιεχόμενα ενότητας (1από2)
• Η δομή του ημιαγωγού
• Ενδογενής ημιαγωγός
• Οπές και ηλεκτρόνια
• Ημιαγωγός με προσμίξεις:
– τύπου-p
– τύπου-n
• Μηχανισμοί αγωγιμότητας του ημιαγωγού
Ενότητα 2: Η επαφή pn
2
Περιεχόμενα ενότητας (2από2)
• Η επαφή pn:
– χωρίς πόλωση
– ορθά πολωμένη
– ανάστροφα πολωμένη
• Το φαινόμενο της κατάρρευσης της επαφής
pn
• Η χαρακτηριστική τάσης - ρεύματος της
διόδου επαφής pn
Ενότητα 2: Η επαφή pn
3
H επαφή pn
Ενότητα 2: Η επαφή pn
4
Η κρυσταλλική δομή του ημιαγωγού
Η μοναδιαία κυψελίδα
του κρυστάλλου
πυριτίου (δομή
διαμαντιού)
Ενότητα 2: Η επαφή pn
Οι δεσμοί μεταξύ
Άποψη του
τεσσάρων
κρυσταλλικού
πλησιέστερων γειτόνων πλέγματος κατά μήκος
ενός
κρυσταλλογραφικού
άξονα
5
Ενδογενές πυρίτιο
n  p  ni
pn  n
2
i
Ενότητα 2: Η επαφή pn
6
Οι ενεργειακές ζώνες του πυριτίου
Ζώνη Σθένους
Ζώνη Αγωγιμότητας
Ενεργειακό Χάσμα
Τα ηλεκτρόνια σθένους
σε θερμοκρασία 00Κ
 E 
ni2  B  T 3 exp  G 
 kT 
Ενότητα 2: Η επαφή pn
Δημιουργία
ελεύθερων
ηλεκτρονίων και οπών
σε θερμοκρασία
περιβάλλοντος
7
Διάχυση και ολίσθηση φορέων

p
 p 
j pdiff  ( q) D p     qDp
A / cm2
x
 x 
n
 n 
jndiff  (q) Dn      qDn
A / cm2
x
 x 



Ρεύμα διάχυσης οπών και ηλεκτρονίων
n
j  q n nE  qDn
x
Ρεύμα διάχυσης και ολίσθησης οπών και ηλεκτρονίων
p
T
j p  q p pE  qDp
x
Ηλεκτρική αγωγιμότητα του ημιαγωγού   q(nn  p p )
Ενότητα 2: Η επαφή pn
T
n
8
Ημιαγωγοί με προσμίξεις
Ημιαγωγός τύπου n
Ημιαγωγός τύπου p
𝑝𝑛 = 𝑛2
nn  N D
pp  N A
ni2
pn 
Τίτλος Ενότητας
ND
ni2
np 
NA
9
Οι ενεργειακές ζώνες των ημιαγωγών
με προσμίξεις
Ημιαγωγός τύπου n ή με
προσμίξεις δότου.
Ηλεκτρόνια από την ενεργειακή
στάθμη ΕD εύκολα μετακινούνται
στη ζώνη αγωγιμότητας.
Ενότητα 2: Η επαφή pn
Ημιαγωγός τύπου p ή με
προσμίξεις αποδέκτη.
Ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους
εύκολα καταλαμβάνουν την
ενεργειακή στάθμη ΕΑ και
δημιουργούν οπές στη ζώνη
σθένους.
10
Η επαφή pn χωρίς πόλωση
(ανοιχτό κύκλωμα)
V(x)
Vn
V0
Vp
  
2
d V
dx 2
Πυκνότητα φορτίου
V0  VT ln(
N AND
)
ni2
Ενότητα 2: Η επαφή pn
E
dV

  dx
dx

Ηλεκτρικό πεδίο
Wdep 
2 s
q
 1
1 

V0

N
N
D 
 A
V    Edx
Φραγμός
δυναμικού
Δυναμικό
C jo  A
2 s
q
 N A N D  1 

 
 N A  N D  V0 
11
Η επαφή pn ανάστροφα πολωμένη
Ανάστροφη πόλωση σημαίνει εφαρμογή εξωτερικής τάσης υD<0:
•
Ο φραγμός δυναμικού αυξάνεται
•
Τα ηλεκτρόνια και οι οπές πλειονότητας διασχίζουν δύσκολα την επαφή
•
Η διάχυση μειώνεται
• Το ρεύμα ολίσθησης δεν μεταβάλλεται καθώς υπάρχει μικρή τροφοδοσία
σε φορείς μειονότητας
iD  I diffusion  I drift  0  I drift
Ενότητα 2: Η επαφή pn
12
Η επαφή pn στην περιοχή
κατάρρευσης
Φαινόμενο Zener
VR<5V
Ενότητα 2: Η επαφή pn
Φαινόμενο χιονοστιβάδας
VR>7V
13
Η επαφή pn ορθά πολωμένη (1/2)
Ορθή πόλωση σημαίνει εφαρμογή εξωτερικής τάσης υD>0:
• Ο φραγμός δυναμικού μειώνεται
• Τα ηλεκτρόνια και οι οπές πλειονότητας διασχίζουν εύκολα την επαφή
• Χαλάει η ισορροπία μεταξύ διάχυσης και ολίσθησης
• Εμφανίζεται ρεύμα στους ακροδέκτες
iD  I diffusion  I drift  0
Ενότητα 2: Η επαφή pn
14
Η επαφή pn ορθά πολωμένη (2/2)
pn ( xn )  pn0eV / VT
pn ( x )  pn0  [ pn ( xn )  pn0 ]e
( x xn ) / Lp
• Κατανομή της συγκέντρωσης των φορέων μειονότητας κοντά στην
περιοχή απογύμνωσης στην ορθά πολωμένη επαφή pn
• Αποδεικνύεται ότι το ρεύμα οπών είναι ανάλογο του ολικού
πλεονάζοντος φορτίου οπών που αποθηκεύεται στην περιοχή n.
I  A(
qDp pn0
L

p
Ενότητα 2: Η επαφή
pn
qDn n p0
Ln
V / VT
)( e
 1 )  Aqn (
2
i
Dp
Lp N D

Dn
)( eV / VT  1 )  I S ( eV / VT  1 )
Ln N A
15
Το ρεύμα της διόδου συναρτήσει της
τάσης πόλωσης
Ανάστροφη πόλωση
   
iD  I s exp D   1  I s 0  1   I s , για  D  4VT
  VT  
Μηδενική πόλωση
  D  
iD  I s exp   1  I s 1  1  0
  VT  
Ορθή πόλωση
  D  
 
iD  I s exp   1  I s exp D  , για  D  4VT
 VT 
  VT  
Συμβολισμός της διόδου pn
Ενότητα 2: Η επαφή pn
16
Τέλος Ενότητας
Χρηματοδότηση
• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του
εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.
• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών»
έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού
υλικού.
• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος
«Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την
Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς
πόρους.
Ενότητα 2: Η επαφή pn
18
Σημειώματα
Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου
Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.01.
Ενότητα 2: Η επαφή pn
20
Σημείωμα Αναφοράς
Copyright Εθνικόν και Καποδιστριακόν Πανεπιστήμιον Αθηνών, Αραπογιάννη
Αγγελική 2014. «Ηλεκτρονική. Ενότητα 2: Η επαφή pn». Έκδοση: 1.0. Αθήνα
2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:
http://opencourses.uoa.gr/courses/DI4/
Ενότητα 2: Η επαφή pn
21
Σημείωμα Αδειοδότησης
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons
Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής
Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα
κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους
όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων».
[1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση:
• που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για
το διανομέα του έργου και αδειοδόχο
• που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση
στο έργο
• που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος
(π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο
Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για
εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.
Ενότητα 2: Η επαφή pn
22
Διατήρηση Σημειωμάτων
Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει
να συμπεριλαμβάνει:
 το Σημείωμα Αναφοράς
 το Σημείωμα Αδειοδότησης
 τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων
 το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει)
μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.
Ενότητα 2: Η επαφή pn
23