Dioda Semiconductoare PDF

Elemente de electronică analogică DIODA SEMICONDUCTOARE -formata din doua zone p, n lipite = jonctiune pn -f. importanta: aplicatii, variante constructive (incl. LED, laser, IR, celula fotovoltaica, Shottkey, etc) + jonctinuea pn apare in majoritatea dispozitivelor electronice C...

Elemente de electronică analogică DIODA SEMICONDUCTOARE -formata din doua zone p, n lipite = jonctiune pn -f. importanta: aplicatii, variante constructive (incl. LED, laser, IR, celula fotovoltaica, Shottkey, etc) + jonctinuea pn apare in majoritatea dispozitivelor electronice CUPRINS: -ce este dioda, cum se comporta la polarizare directa/ inversa, caract aproximative -jonctiunea pn nepolarizata; procese fizice, bariera de potential -regiunea de trecere: caracteristici, formula lungimii ei, ordin de marime -valoarea barierei de potential; valori tipice -jonctiunea pn polarizata: componentele curentului; fenomene fizice la polarizarea inversa/ directa -ec de functionare a diodei ideale: deducerea simplificata, interpretare, dependenta de temperatura -caract. statica a diodei reale: explicarea celor V regiuni de functionare. -Aplicatii tipice ale diodei -Comportamentul in regim dinamic: rd, Cb, Cd Joncţiunea pn, procese fizice, bariera de potential Cele mai multe dispozitive conţin joncţiuni pn. Joncţiunea pn este un semiconductor eterogen format din două regiuni distincte dintre care una este dopată cu impurităţi acceptoare iar cealaltă cu impirităţi donoare; cele două regiuni formează o singură reţea cristalină. Doparea diferită se realizează prin procedee tehnologice adecvate. Analiza care urmează presupune existenţa unei joncţiuni PN in care in zona P s-a folosit o concentraţie de impurităţi acceptoare, practic ionizate in intregime la temperatura camerei, p p  N a , iar in zona N, in mod similar se presupune nn  N d. Elemente de electronică analogică 𝑁(𝑥) 𝑑𝐸 = 𝜀𝑠 𝑑𝑥 𝑑𝑢 𝐸(𝑥) = − 𝑑𝑥 N: concentratia de sarcina (+/-qNimp); : intensitatea campului electric local Cele două regiuni de tip diferit sunt alaturate: o golurile din zona P să difuzeze în zona N; o golurile pătrunse în zona N se recombină rapid cu electronii care sunt majoritari; o acelaşi lucru se întâmplă cu electronii din zona N care difuzează în zona P; rezultă că apare un curent de difuzie. Prin plecarea golurilor din zona P în zona N, în imediata vecinătate a joncţiunii apare o zonă cu sarcină negativă care este sarcina ionilor acceptori pentru neutralizarea cărora nu mai sunt suficiente goluri; la fel, în zona N (regiune de trecere); această sarcină spaţială fixă crează un câmp electric,  ( x) , care duce la aparitia unui curent de câmp ce se opune curentului de difuzie. In regiunea de trecere nu sunt purtatori mobili (se recombina imediat) ci doar sarcina spatiala fixa a ionilor (depletion region) Elemente de electronică analogică Deci, in dreptul joncţiunii apare o barieră de potenţial care duce, prin curentul de câmp, la starea de echilibru; deci, prin joncţiune, la echilibru termodinamic, nu există un transport net de purtători. In regiunile neutre (dupa regiunea de trecere, adica dupa zona cu ioni din jurul jonctiunii) există purtători mobili de sarcină în număr mare, iar conductibilităţile electrice vor fi: - în regiunea p:  p  q p p p - în regiunea n:  n  q n pn valori suficient de mari pentru a considera conducţia curentului foarte bună. În primă aproximaţie, se presupune că rezistenţa electrică a acestor zone este suficient de mică astfel încât pot fi neglijate căderile de tensiune corespunzătoare. În aceste condiţii, limitarea curentului prin joncţiune va fi determinată de regiunea de trecere în care numărul de purtători mobili de sarcină este mai mic. Elemente de electronică analogică Se determină: - lungimea regiunii de trecere, l = l p + ln - înălţimea barierei de potenţial, U 0 Aproximaţii: 𝑛𝑖2 𝑝𝑝 >> 𝑛𝑝 𝑝𝑝 𝑛𝑝 = 𝑛𝑖2 𝑝𝑝 ≅ 𝑁𝑎 𝑛𝑝 ≅ 𝑁𝑎 𝑛𝑖2 𝑛𝑛 >> 𝑝𝑛 𝑛𝑛 𝑝𝑛 = 𝑛𝑖2 𝑛𝑛 ≅ 𝑁𝑑 𝑝𝑛 ≅ 𝑁𝑑 Model unidimensional pp nn ln = l şi: lp = l p p + nn p p + nn lungimea zonei de trecere: 2U 0 p p + nn l= q p p nn Observaţii:  Si = 1,1*10(-12). Fie Nd = 1016 /cm3 q = 1,6 * 10-19 C Na=1015 /cm3 - rezulta l de ordinul micronilor - lungimea de trecere este mică dacă zonele sunt dopate puternic; - regiunea de trecere se extinde mai mult în zona mai puţin dopată cu impurităţi. - Emax este f. mare (datorita l mic) Elemente de electronică analogică Deducerea înălţimii barierei de potenţial Se foloseşte structura de benzi energetice ale semiconductorului:  2 − 1 Se constată:  2 = 1 + qU 0 ; U 0 = q Dar: W − 1 W −  2 − − p (ln ) = pn = p e kT ; p (−l p ) = p p = p e kT W − 1 W −  2 +  2 − 1  − 1 qU 0 − − − 2 − pn = n e kT = ne kT = p pe kT = p pe kT   +  2 − 1   − 1  − 1 − 2 − 1 − 1 − 2 − 2 n(−l p ) = n p = n e kT = ne kT = ne kT e kT = nn e kT Din ambele relaţii rezultă: kT nn kT p p kT p p nn kT N a N d U0 = ln = ln = ln 2 = ln q np q pn q ni q ni2 Pentru valori tipice ale concentraţiilor de impurităţi, rezultă valori de ordinul zecimi de V: Elemente de electronică analogică N a = 1015 / cm3 ; N d = 1018 / cm3 ; ni2 = 1020 / cm6  U 0 = 0,777 V OBS: echilibru termodinamic – nivel Fermi constant in cele doua zone Joncţiunea pn cu tensiune aplicată Regim de echilibru termodinamic: Indiferent de polarizare, exista 4 componente ale curentului (dar valorile lor depind mult de polarizare). Curentul total este suma celor 4 componente, in ordine: curent de difuzie goluri (din zona P in N, deci +), curent de camp de goluri (din zona N in P, deci -), curent de difuzie de electroni (din zona N in P, dar electronii au sarcina -, deci se aduna cu cel de difuzie goluri, asadar cu +) si de camp de goluri. 𝑖𝐷 = 𝑖𝑝𝑀 − 𝑖𝑝𝑚 + 𝑖𝑛𝑀 − 𝑖𝑛𝑚 La echilibru termodinamic (fara tensiune externa aplicata) Elemente de electronică analogică Numărul de purtători care difuzează (purtători care înving bariera de potenţial) depinde de U 0 si este egal cu numarul de purtatori care sunt atrasi inapoi de camp, deci curentul total e nul 𝑖𝐷 = 𝑖𝑝𝑀 − 𝑖𝑝𝑚 + 𝑖𝑛𝑀 − 𝑖𝑛𝑚 = 0 Se aplică tensiune inversă: Fizic: la polarizare inversă, nu există difuzie de purtători, dar în imediata vecinătate a regiunii de trecere apare o generare termică de perechi de purtători care sunt antrenaţi de câmpul electric; astfel, curentul invers este un curent de generare (al purtatorilor minoritari). iD = i pM − i pm + inM − inm  0 Acest curent este negativ, deci circula de la N la P. El este foarte mic, deoarece numarul de purtatori minoritari (de ex goluri in zona dopata N) este foarte mic. Se aplica tensiune directă: Elemente de electronică analogică Fizic: la polarizare directă, în imediata vecinătate a regiunii de trecere, în zona N, va fi un exces de goluri, dar care nu trăiesc mai mult de  p şi nu pătrund mai mult de L p , ci dispar prin recombinare. La fel pentru electronii din zona P. Apare o recombinare puternică în ambele zone şi se obtine curentul direct total, prin dioda, care este posibil datorita recombinarii din zonele p si n. iD = i pM − i pm + inM − inm  0 Prin recombinare: in reg p scade nr de goluri –> aport de goluri din circuitul exterior (curent de camp dinspre exterior, de la +, in zona p care devine -). Idem in reg n pt electroni. Prin recombinare: NU creste nr de electroni din p, deci difuzia continua! (curent de difuzie prin jonctiune/ regiunea de trecere). Idem pt goluri in n. Deci: curent de difuzie prin jonctiune si curent de camp (din)spre exterior. Sunt egali (componente “in serie” pt iD!) Concluzie: curentul prin joncţiune depinde de tensiunea de la bornele joncţiunii. Interesează o expresie de forma: I 0 = i pm + inm curent de saturaţie Cu nivele energetice : Elemente de electronică analogică 𝑞𝑢𝐷 𝑝𝑛𝑀 =𝑝𝑛𝑚 𝑒 𝑘𝑇 si evident 𝑖𝑝𝑀 ~𝑝𝑛𝑀 𝑖𝑝𝑚 ~𝑝𝑛𝑚 𝑞𝑢𝐷 𝑛𝑝𝑀 =𝑛𝑝𝑚 𝑒 𝑘𝑇 si evident 𝑖𝑛𝑀 ~𝑛𝑝𝑀 𝑖𝑛𝑚 ~𝑛𝑝𝑚 Deci : 𝑞𝑢𝐷 𝑖𝐷 = 𝐼0 (𝑒 𝑘𝑇 − 1) Caracteristica diodei reale Caracteristica ideală a diodei: 𝑞𝑢𝐷 𝑖𝐷 = 𝐼0 (𝑒 𝑘𝑇 − 1) Caracteristica unei diode reale: zona I – zona caracteristicii ideale; zona II – zona curenţilor mari - contează rezisţentele zonelor neutre – apare o tendinţă de liniarizare a caracteristicii; zona III – zona curenţilor direcţi de valoare mică – nu se mai pot neglija fenomenele de generare-recombinare din regiunea de trecere (care creşte); qu D qu D 2 kT kT se obţine o caracteristică de tipul e ; mai corect, e cu valori pentru  de circa 1,2 (pentru Ge) şi, respectiv de 1.2- 2 (pentru Si) Elemente de electronică analogică zona IV – zona tensiunilor inverse mici (normale); curentul invers are mai multe componente: - curentul de saturaţie al joncţiunii (constant); - curentul de generare din regiunea de trecere (creşte odată cu creşterea valorii inverse a tensiunii aplicate); - curentul de pierderi la suprafaţă (dependent de tensiunea aplicată) Ponderile acestor componente sunt diferite în funcţie de material. zona V – zona tensiunilor inverse mari, în care curentul invers creşte nelimitat (poate fi limitat numai de circuitul exterior). Sunt 2 fenomene: - fenomen Zener – smulgerea de purtători din reţea prin câmp electric; - fenomen de multiplicare în avalanşă – producere de purtători prin generare sau prin câmp electric, accelerarea acestora, ciocnirea cu reţeaua şi smulgerea altor purtători. iinvers = MI 0 coeficient de multiplicare în avalanşă: 1 M= m  uD  1 −    str  U U str tensiune de străpungere – dependentă de concentraţiile de impurităţi; m exponent dependent de material: 3 pentru Ge tip P+N, 4-7 pentru Ge tip PN+, Si. Aproximarea caracteristicilor: dioda ideala ; dioda idealizată, cu tensiune de prag, U D cu valori de 0,2-0,3V pentru Ge şi 0,6V pentru Si (la curenţi relativ mici); dioda idealizată cu tensiune de prag şi cu rezistenţă serie. Curentul invers se neglijează, practic, întotdeauna; eventual se ţine seama de rezistenţa de pierderi, de valoare foarte mare. Elemente de electronică analogică Aplicatii ale diodelor Elemente de electronică analogică Vmin = Vmax e −t1 / RC T /2 Vriplu = Vmax − Vmin = Vmax (1 − e −t1 / RC )  Vmax RC Fct. de val. C se schimba si Vcc Combinatii logice (A, B = 0 sau V) Elemente de electronică analogică Regimul dinamic al joncţiunii pn Circuit de polarizare: - necesar daca dorim ca prin dioda sa treaca un curent proportional cu o tensiune sinusoidala (ev de valoare mica) deoarece pentru u < 0.6V dioda este blocata - circuitul de polarizare face ca dioda sa lucreze (in lipsa unui semnal variabil in timp) intr-un punct de pe caracteristica (care depinde de E si R) Determinarea PSF: (U D , I D ) Ecuaţii: E = RiD + u D dreapta de funcţionare statică → PSF iD = iD (uD ) M ( I D ,U D ) Regimul dinamic se aplică peste regimul de curent continuu. Punctul de funcţionare se deplasează în jurul PSF iar pentru semnale variabile suficient de mici, comportarea diodei poate fi considerată liniară. Este necesar un model (o schema echivalentă) valabil pentru regimul dinamic şi anume pentru determinarea curentului prin circuit şi a tensiunii la bornele diodei. a) la frecvenţe joase – se pot neglija fenomenele reactive şi modelul va fi caracterizat printr-o rezistenţă dinamică. Elemente de electronică analogică uD = U D + ud Fie:  componente PSF şi componente variabile; iD = I D + id  qu D   q (U D + u d )   qU D qu d  iD = I 0  e kT − 1 = I 0  e kT − 1 = I 0  e kT e kT − 1 =              qU D  qud    qU D  qu qU D = I 0  e kT 1 +  − 1 = I 0  e kT − 1 + I 0 d e kT   kT   kT    Rezultă: qU D qu id = I 0 d e kT kT Rezistenţa dinamică: ud kT 1 kT rd = = = id q qU D kT q( I D + I 0 ) I 0e kT La polarizare directă: U D  0, U D  = 0,026 V q kT kT vT rd =  = q ( I D + I 0 ) qI D I D rd = vT 26 = ;  = mV  ID ID mA kT La polarizare inversă: U D  0, U D  q  Elemente de electronică analogică kT rd = foarte mare qI 0 b) la frecvenţe înalte apar elemente capacitive: - capacitatea de bariera = datorită sarcinilor fixe din regiunea de trecere - capacitatea de difuzie = datorită sarcinilor mobile din zonele în care are loc difuzia de purtători de sarcină b1) capacitatea de barieră Sarcina acumulată în regiunea de trecere (sarcină electron  concentraţie  volum): nn Qb = −qNa AL p = −qNa A l nn + p p nn u Qb = −qN a A l0 1 − D nn + p p U0 uD  Qb  Cb dQb nn  1 1  1 Cb = = −qN a A l0  −  duD nn + p p  2 U 0  U M 1− D U0 nn qN a A l0 Cb 0 nn + p p Cb = ; Cb 0 = UD 2U 0 1− U0 Cb 0 este proporţional cu aria joncţiunii; În funcţie de profilul de impurităţi se obţin relaţii de forma: Elemente de electronică analogică Cb 0 Cb = m cu m având valori cuprinse între 0,3 si 0,5.  uD  1 −   U 0  De regulă, are efect negativ (întârzie răspunsul la frecvenţe înalte). Se foloseşte sub forma de diodă Varicap. b2) capacitatea de difuzie Este determinată de surplusul de sarcină obţinut prin difuzie: x −ln  qu D  −    Qd = qAl pexces dx = qAl pn e p kT − 1e Lp dx =     n n x −ln   qu D  −  qu D   = qApn e − 1 (− L p )e   = qApn L p e − 1 kT Lp kT       ln   qU D dQdp q Cd = p = qApn L p e kT duD M kT Pentru o jonctiune P+N: 𝑞 𝐶𝑑 = 𝜏 𝐼 𝑘𝑇 𝑝 𝐷 Capacitatea de difuzie este proportională cu curentul direct prin diodă. Capacitatea de difuzie este mai importantă decât capacitatea de barieră în conducţie directă şi este neglijabilă la polarizarea inversă a diodei. Circuitul echivalent la semnale mici al diodei va fi: