Návrat na detail prednášky / Stiahnuť prednášku / Technická Univerzita Košice / Fakulta Elektrotechniky a Informatiky / Základy Inžinierstva Materiálov

Prednaska zo ZIM 25.11.2008 Paralelka D (prednaska_zo_zim_25.11.2008_paralelka_d.doc)

Polovodičové materiály

Difúzia voľných nosičov náboja

Difúzia – je spontánny prienik častíc objemom látky spôsobený teplotnou alebo koncentr. Nerovnováhou  so snahou ju vyrovnať.

Difúzia vyvoláva difúzny prúd –usmernený prúd nosičov náboja spôsobený nerovnomerným rozložením náboja alebo teploty – koncentračným alebo teplotným gradientom.

1.Fickov zákon – v jednorozmernom tvare vyjadruje hustotu prúdu difundujúcich častíc úmernú koncentračnému gradientu, pričom ich tok smeruje smerom k oblasti s ich nižšou koncentráciou

D0 – teplotne nezávislá materiálová konštanta

∆W – aktivačná energia difúzie (J) – energia potrebná na prenesenie difundujúceho atómu do najbližšieho voľného miesta kryštalickej mriežky

Koeficient difúzie je závislý na pohyblivosti difundujúcich častíc podľa Einsteinovej rovnice

Difúzna dĺžka je úmerná dobe života difundujúcich častíc

Elektrónová a dierová difúzna prúdová hustota

Neutrálny polovodič sa  nabíja, pretože difundujúce  častice zanechávajú opačný náboj. Vznikajúce difúzne napätie vytvára ohmický prúd smerujúci proti difúznemu prúdu

Ohmická prúdová hustota Jdr = neu ED vždy sprevádza difúznu

V rovnovážnom sú prúdové hustoty vyrovnané, pričom difúzne elektrické pole intenzity ED bráni difúzii  

Pôsobením vonkajšieho elektrónového poľa intenzity E nastáva nerovnovážny stav. Intenzita tohto poľa superponuje na difúznu

Celková prúdová hustota      

2.Fickov zákon – vyjadruje časovú zmenu koncentračného gradientu. V jednorozmernom tvare znamená časovú zmenu koncentrácie v objemovom elemente hrúbky dx

PN priechod

PN priechod je priestorová oblasť polovodiča so zmenou typu vodivosti N na P

Spojením polovodičov opačného typu vodivosti nastáva kvôli rozdielnej koncentrácii voľných nosičov náboja difúzia elektrónov do polovodiča P a dier do polovodiča N. následkom difúzie tečie ohmický prúd rovný difúznemu

Ochudobnením o nosiče náboja nastáva rovnovážny stav brániaci ďalšej difúzii

Ochudobnená – tzv. hradlová vrstva má väčší elektrický odpor ako zvyšok polovodiča . Je úmerná difúznemu napätiu a možno ju meniť vonkajším elektrickým poľom.

Polarizáciou priechodu v závernom smere vonkajším elektrickým poľom v zmysle difúzneho napätia smerujú elektróny hradlovej vrstvy do polovodiča N a diery do P

Polarizácia priechodu v priepustnom smere prechádzajú priechodom majoritné nosiče náboja do oblasti, kde ako minoritné rekombinujú.

Hradlová vrstva sa zužuje a zaniká pri dosiahnutí vonkajšieho napätia rovného difúznemu.

                             Volt -ampérová charakteristika PN priechodu  

V rovnovážnom stave  je difúzna prúdová hustota rovná ohmickej

Kde dosadením Einsteinovej rovnice      

A úpravou dostaneme

n0 – sú rovnovážne koncentrácie elektrónov v polovodiči N a P

dosadením

a integráciou v oblasti priechodu medzi oblasťami rovnovážnych koncentrácií je na ňom difúzne napätie  

Prúd PN priechodu kde Is je zvyškový (nasýtený záverný) prúd

Ideálna charakteristika PN priechodu v závernom smere je, ak I=Is

Šírka a kapacita PN priechodu        

Šírka PN priechodu

Kapacita PN priechodu

Pripojením vonkajšieho napätia je

Strmý PN priechod má podstatne užšiu oblasť zmeny koncentrácie prímesí .

Závislosť kapacity PN priechodu na vonkajšom napätí využívajú varikapy