1EE 044125

התקני מוליכים למחצה9פרק

בממתח אחורי וקדמי PNזרם בצומת

פרופ' אבינעם קולודני

2EE 044125

בממתח אחורי וקדמי PNזרם בצומת :למדנו קודם בעיקר מצב שיווי משקל

reverseV

נלמד עכשיו הזרםעל

בהתקן:

P N

P N

-+

P N

- + ראינו השפעת ממתח

על עובי שכבת מיחסור:

+---

---

---

---++

+++

+++

+++

+---

---

---

---++

+++

+++

+++-

--

+ ++ +

+

+ +

3EE 044125

האם יהיה זרם בצומת בממתח ?אחורי

P N

- +

4EE 044125

?האם יהיה זרם בצומת בממתח קדמי

P N

-+

5EE 044125

דיאגרמת פסים ורכיבי זרם בממתח אחורי

6EE 044125

פרופיל ריכוזי נושאי מטען סביב צומת בממתח אחורי

nn

x

np

pp

pn

7EE 044125

?איך נוצר זרם הזליגה? מה משפיע עליו

8EE 044125

סיכום ממתח אחורי

9EE 044125

דיאגרמת פסי אנרגיה בממתח קדמי

EF

EV

EC

ממתח אפס ממתח קדמיP-side Positive

EFN

10EE 044125

Charge density

Electric field

Potential

איך ישתנה פתרון משוואת פואסון ?בממתח קדמי

11EE 044125

?האם יש זרם בצומת בממתח קדמי

P N

-+

12EE 044125

דיאגרמת פסים ורכיבי זרם בממתח קדמי

13EE 044125

פרופיל ריכוזי נושאי מטען סביב צומת בממתח קדמי

nn

x

np

pp

pn

14EE 044125

?איך נוצר הזרם הקדמי? מה משפיע עליו

15EE 044125

סיכום ממתח קדמי בהשוואה לאחורי

P N P N+V-V

ממתח אחוריממתח קדמי

PN junction applets:http://jas2.eng.buffalo.edu/applets/education/pn/biasedPN2/BiasedPN2.html E-field under bias

http://jas2.eng.buffalo.edu/applets/education/pn/biasedPN/index.html Current processes under bias

16EE 044125

לכל רכיב זרם בצומת: האם יגדל/יקטן כשיופעל ממתח קדמי/אחורי?

EF

EC

EV

Eן

+

-

+

-

+

-

+

-

+

- - ---

+ + +

-

+

-

--

- --

--

-

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+ +

-

--

Electron diffusion

Hole diffusion

Electron drift

Hole drift

P-type N-type

17EE 044125

Injection and collection of minority carriers הזרקה ואיסוף של נושאי מיעוט משתקפים בריכוזים מחוץ לשכבת המחסור

nn

x

nn

np

Reverse bias (collection) Forward bias (injection)

(Concentrations are drawn in logarithmic scale)

np

18EE 044125

כהתקן דיודה: PNצומת סימון סכמטי וחישוב מחסום הפוטנציאל הפנימי

appV

P N

-+

-+

appbij VVV Vapplied is the external voltage

Vj is the internal potential barrier

Vapp>0 : Forward bias

Vapp<0 : Reverse bias

( )appI f V

appV

jV

19EE 044125

מדידת אפיין מתח-זרם של צומת

(c) Zoom-in around 0V

( )appI f V

20EE 044125

)( שלבים לחישוב זרם הדיודה appD VfI

x

np

Reverse bias (collection) Forward bias (injection)

np

np(0-) pn(0+)

X= X=

נחשב את ריכוז נושאי המיעוט בקצות שכבת המחסור 1.)מוזרקים או נאספים(

נפתור את משוואת הרציפות מחוץ לשכבת המחסור 2.באזורים הנייטרליים

נחשב את זרמי הדיפוזיה של נושאי המיעוט ע"י נגזרת 3.הפתרון שמצאנו

21EE 044125

אי-שיווי-משקלחישוב ריכוזים במודל פסים במצב :1שלב )כשיש נושאי מטען בעודף או בחוסר(

קוואזי רמות-פרמי

EC

EV

EFNEi EFp

22EE 044125

דוגמה שהיכרנו לאי-שווי-משקל

P-type

Ec

Ev

EFn

EFp

23EE 044125

.....דימוי למצב בצומת

P-type

Ec

Ev

EFn

EFp

N-type

Ec

Ev

EFn

EFp

24EE 044125

יחסי בולצמן בדיודה הנחת קואזי-שיווי משקל

EFn

EFp appqV

25EE 044125

תנאי שפה בולצמני לממתח קדמי(המוזרקים: ריכוז נושאי המטען 1)שלב

Lo

g s

cale

Lin

ear

scal

e

np pn

nn

np pn

x

pn(xn)

np(Xp)

x=xp x=xn

pp

26EE 044125

תנאי שפה בולצמני לממתח אחורי(הנאספים: ריכוז נושאי המטען 1)שלב

Lo

g s

cale

Lin

ear

scal

e

nppn

x

nn

np pn

pp

pn(xn)np(xp)

x=xp x=xn

27EE 044125

:1סיכום של שלב קובע את ריכוז נושאי המיעוטVapp החיצוני הממתח

בקצות שכבת המיחסור

Lo

g s

cale

x

Lo

g s

cale

Lo

g s

cale

x

x

28EE 044125

פתרון משוואת הרציפות מחוץ לאזור המחסור :2שלב )לשם פשטות: הנחות לדיודה חד-צדדית(

29EE 044125

פתרון דיודה חד-צדדית ארוכה

30EE 044125

פתרון דיודה חד-צדדית קצרה

31EE 044125

"פתרון דיודה חד-צדדית "בינונית

32EE 044125

: ביטוי זרם עפ"י דיפוזיה בקצה האיזור 3שלב הניטרלי

(P+N)לשם פשטות: נניח דיודה חד-צדדית L

inea

r sc

ale

np pn

pn(xn)

pn

Lin

ear

scal

e

pn

33EE 044125

"ביטויי הזרם בדיודה "דו צדדיתL

inea

r sc

ale

Lin

ear

scal

e

np pn

pn(xn)np(xn)

nppn

34EE 044125

'דיודה "דו-צדדית" קצרה, ארוכה וכו

35EE 044125

יחס הזרקה

36EE 044125

זרמי אלקטרונים וחורים בנקודות שונות

לפי קירכהוף בממתח קדמי

pn

JeJh

np

nn

pp

x

x

Car

rier

con

cen

trat

ion

Cu

rren

t d

ensi

ty

37EE 044125

תפקיד המגעים

ממתח קדמיP-side Positive

P N

-+

--

+ -

+-+ -

++

-

-

-

-

--

+

++

++

++

+

++

++

++

- -

-

-- --

-+-

38EE 044125

הנחות והזנחות שעשינו בדיודה אידיאלית

39EE 044125

מעשית: ממתח קדמי אפיין דיודה

)1( kTapplqV

s eII :קירוב

40EE 044125

ממתח קדמי גבוה מאד ממתח קדמי גבוה מאד השפעת התנגדות אומית של האזורים הנייטרלייםהשפעת התנגדות אומית של האזורים הנייטרליים

41EE 044125

ממתח קדמי גבוהממתח קדמי גבוה (high level injection)(high level injection) הזרקה חזקההזרקה חזקה

)1( kTapplqV

s eII

42EE 044125

גנרציה ורקומבינציה באזור המיחסור,בממתח קדמי – תוספת לזרם מרקומבינציה.בממתח אחורי – תוספת לזרם מגנרציה

43EE 044125

רגישות לטמפרטורה בממתח קדמיהדיודה כמד-טמפרטורה

Source: Rabaey Ch. 3

44EE 044125

אפיין דיודה ריאלית: ממתח אחורי - פריצה

נדון בשני מנגנוני פריצה: פריצת זנר ופריצת מפולת.• בדיודת סיליקון מתקיים המעבר בין שני המנגנונים בערך •

-V6בממתח של

45EE 044125

מנגנון פריצת מפולת

46EE 044125

מקורב למתח הפריצה פריצת מפולת : ביטוי

47EE 044125

מנגנון פריצת זנר )מינהור(

48EE 044125

דיודות זנר ומפולת: תוצאות מדידות

Zener

Avalanche

49EE 044125

פריצת בקיעה

50EE 044125

מודל של דיודה )לאות גדול(

VD

ID = IS(eVD/T – 1)+

–

VD

+

–

+

–VDon

ID

(a) Ideal diode model (b) First-order diode model

51EE 044125

מודל לינארי בקטעים לאות גדול

52EE 044125

מודל לאות קטן של דיודה – התנגדות דיפרנציאלית)האות הקטן בתדר נמוך(

נקודת עבודה

Iop

Vop

53EE 044125

קבול דיפרנציאלי של דיודה

)במיוחד בממתח אחורי(Cj קבול הצומת •

החשמליהשינוי במטען הצומת ובפילוג השדהכתוצאה משינוי הממתח השלילי

54EE 044125

PN + חישוב הקיבול הדיפרנציאלי בצומת מדרגה חד-צדדי

55EE 044125

אפיין קבול-מתח של צומת מדרגה

-Vbi

56EE 044125

:Cd "קיבול דיפוזיה"קיבול המטען האגור באיזורים הנייטרליים

משמעותי רק בממתח קדמי

57EE 044125

מודל לאות קטן של דיודה - כולל קיבול

v

i

rd

cj + cd

קיבול אזור המיחסור

בצומת

קיבול דיפוזיה

58EE 044125

מודלים של דיודה – סיכום

59EE 044125

(solar cell) תא שמש

R

(a)

IDO

VDO

VD (V)

-2 -1 0 1 2

I (m

A)

-40

-20

0

20

IDO

VDO

light

delivered powerPd = |VDO IDO | }

(b)

האפיין בחושך

האפיין באור

60EE 044125

גלאי אור: פוטודיודה

61EE 044125

P-I-N דיודת

x

P+ N- N+

E(x)

62EE 044125

P-I-N Photodiodes

• Only electron-hole pairs generated in depletion region contribute to current• Only light absorbed in depletion region is significant

• Stretch depletion region• Can also operate near avalanche to amplify signal

63EE 044125

Ligh-Emitting-Diode (LED)

64EE 044125

דיודות מנהרה

65EE 044125

דיודות מנהרה

66EE 044125

סיכום: תופעות ושימושים של דיודות

67EE 044125

68EE 044125

סיכום