Embed Size (px)
DESCRIPTION
OE
Osnovi elektronike
PREDAVANJE BR. 2. 2PROVODNOST POLUPROVODNIKA
DIODE - UVOD
Mr. sc. Alma Šećerbegović, dipl. ing. el.
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna i inverzna polarizacija dioda
Statička karakteristika diode 2
OSVRT NA PRETHODNO PREDAVANJE
3
OSVRT NA PRETHODNO PREDAVANJE
4
OSVRT NA PRETHODNO PREDAVANJE
5
OSVRT NA PRETHODNO PREDAVANJE
6
OSVRT NA PRETHODNO PREDAVANJE
7
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja
8
Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna i inverzna polarizacija diode
Statička karakteristika diode
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 1/6
E = 0
9
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 1/6
Haotično kretanjeI = 0
E = 0
10
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 1/6
11
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 1/6
E = 0Haotično kretanje
I = 0
12
E ≠ 0
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 1/6
Haotično kretanjeI = 0
E = 0
13
nn m
qE
m
Fa
qEF
==
=
Efektivna masa elektrona
E ≠ 0
Srednja brzina nosioca u pravcu polja
srednje vrijeme između 2 sudara
aτ
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 2/6
14
2
lE
av
τ=
Srednja brzina nosioca u pravcu polja
srednje vrijeme između 2 sudara
qa ττ
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 2/6
15
Em
qav
n
llE
22
ττ==
qa ττ
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 2/6
Srednja brzina nosioca u pravcu polja
srednje vrijeme između 2 sudara
16
EEm
qav n
n
llE µ
ττ===
22
=
Vs
m
m
q
n
ln
2
2
τµ
pokretljivost elektrona
Srednja brzina nosioca u pravcu polja
srednje vrijeme između 2 sudara
qa ττ
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 2/6
17
pokretljivost elektrona
pokretljivost šupljina
EEm
qav n
n
llE µ
ττ===
22
=
Vs
m
m
q
n
ln
2
2
τµ
=
Vs
m
m
q
p
lp
2
2
τµ
Zavisnost brzine nosilaca od jačine električnogpolja
dv
Evd µ=
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 3/6
18
dv
E
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 3/6
dv Za elektronZa elektronee
Evd µ=
Zavisnost brzine nosilaca od jačine električnogpolja
19
dv
E E
Za elektronZa elektronee
Za šupljineZa šupljine
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 4/6
Evd µ=
Zavisnost brzine nosilaca od jačine električnogpolja
20
E E
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 5/6
Zavisnost pokretljivosti nosilaca od temperature
21elektroni šupljine
PROVODNOST POLUPROVODNIKA 6/6
Zavisnost pokretljivosti nosilaca od koncentracije primjesa
22
STRUJA U POLUPROVODNIKU
Driftna struja
23
STRUJA U POLUPROVODNIKU
Driftna struja
Difuziona struja
24
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna i inverzna polarizacija diode
Statička karakteristika diode 25
DRIFTNA STRUJA 1/3
Nastaje uslijed djelovanja električnog polja E
26
DRIFTNA STRUJA 1/3
Nastaje uslijed djelovanja električnog polja E
Pokretni naboji unutar poluprovodnika se pomjeraju srednjombrzinom koja je proporcionalna jačini polja E
27
DRIFTNA STRUJA 1/3
Nastaje uslijed djelovanja električnog polja E
Pokretni naboji unutar poluprovodnika se pomjeraju srednjombrzinom koja je proporcionalna jačini polja E
Elektroni
28
Elektroni
E
Jdn
→→
−= Ev nn µ
DRIFTNA STRUJA 1/3
Nastaje uslijed djelovanja električnog polja E
Pokretni naboji unutar poluprovodnika se pomjeraju srednjombrzinom koja je proporcionalna jačini polja E
Elektroni Šupljine
29
Elektroni Šupljine
E
Jdn
E
Jdp
→→
−= Ev nn µ→→
= Ev pp µ
Gustina driftne struje elektrona
EqnEqnJ nndn µµ =−−= )(
DRIFTNA STRUJA 2/3
30
Gustina driftne struje elektrona
EqnEqnJ nndn µµ =−−= )( EJ ndn σ=
DRIFTNA STRUJA 2/3
31
Gustina driftne struje elektrona
Gustina driftne struje šupljina
EqnEqnJ nndn µµ =−−= )( EJ ndn σ=
DRIFTNA STRUJA 2/3
32
EqpJ pdp µ=
Gustina driftne struje elektrona
Gustina driftne struje šupljina
EqnEqnJ nndn µµ =−−= )( EJ ndn σ=
DRIFTNA STRUJA 2/3
33
EqpJ pdp µ= EJ pdp σ=
Gustina driftne struje elektrona
Gustina driftne struje šupljina
EqnEqnJ nndn µµ =−−= )( EJ ndn σ=
DRIFTNA STRUJA 2/3
Ukupna gustina driftne struje
34
EqpJ pdp µ= EJ pdp σ=
EqpEqnJJJ pndpdnd µµ +=+=
Gustina driftne struje elektrona
Gustina driftne struje šupljina
EqnEqnJ nndn µµ =−−= )( EJ ndn σ=
DRIFTNA STRUJA 2/3
Ukupna gustina driftne struje
35
EqpJ pdp µ= EJ pdp σ=
EqpEqnJJJ pndpdnd µµ +=+=
EEpnqJ pnd σµµ =+= )(
DRIFTNA STRUJA 3/3
Električna provodnost poluprovodnika
+=
cm
Spnq pn )( µµσ
36
DRIFTNA STRUJA 3/3
Električna provodnost poluprovodnika
Električna otpornost (specifični otpor) poluprovodnika
+=
cm
Spnq pn )( µµσ
37
[ ]cmpnq pn
Ω+
=)(
1
µµρ
DRIFTNA STRUJA 3/3
Električna provodnost poluprovodnika
Električna otpornost (specifični otpor) poluprovodnika
+=
cm
Spnq pn )( µµσ
38
Logaritamska zavisnost
provodnost od recipročne
vrijednosti temperature
[ ]cmpnq pn
Ω+
=)(
1
µµρ
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna i inverzna polarizacija diode
Statička karakteristika diode 39
Za razliku od driftne struje, može nastati iukoliko ne postoji električno polje
Pretpostavka – linearna ovisnost koncentraciješupljina po dužini
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
DIFUZIONA STRUJA 1/3
šupljina po dužini
40
Za razliku od driftne struje, može nastati iukoliko ne postoji električno polje
Pretpostavka – linearna ovisnost koncentraciješupljina po dužini
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
DIFUZIONA STRUJA 1/3
šupljina po dužini
41
lpp
qJl
pτ6
21 −=
Za razliku od driftne struje, može nastati iukoliko ne postoji električno polje
Pretpostavka – linearna ovisnost koncentraciješupljina po dužini
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
DIFUZIONA STRUJA 1/3
šupljina po dužini
42
lpp
qJl
pτ6
21 −=
l
pp
dx
dptg 21 −
=−=α
Za razliku od driftne struje, može nastati iukoliko ne postoji električno polje
Pretpostavka – linearna ovisnost koncentraciješupljina po dužini
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
DIFUZIONA STRUJA 1/3
šupljina po dužini
43
lpp
qJl
pτ6
21 −=
l
pp
dx
dptg 21 −
=−=α
dx
dplqJ
l
pτ6
2
−=
Difuziona konstanta šupljina
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
=
s
cmlD
l
p
22
6τ
DIFUZIONA STRUJA 2/3
44
Difuziona konstanta šupljina
Gustina difuzione struje uslijed kretanja šupljina
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
DIFUZIONA STRUJA 2/3
=
s
cmlD
l
p
22
6τ
45
dx
dpqDJ pp −=
Difuziona konstanta šupljina
Gustina difuzione struje uslijed kretanja šupljina
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
DIFUZIONA STRUJA 2/3
=
s
cmlD
l
p
22
6τ
46
dx
dpqDJ pp −=
Gustina difuzione struje uslijed kretanja elektrona
difuziona konstanta elektrona
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
dx
dnqD
dx
dnDqJ nnn =−−= )(
DIFUZIONA STRUJA 3/3
difuziona konstanta elektrona
47
Gustina difuzione struje uslijed kretanja elektrona
difuziona konstanta elektrona
Poluprovodnik
Neravnomjerna koncentracija nosilaca
dx
dnqD
dx
dnDqJ nnn =−−= )(
DIFUZIONA STRUJA 3/3
difuziona konstanta elektrona
U trodimenzionalnom prostoru
48
)(→
−= rgradpqDJ pp
)(→
= rgradnqDJ nn
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna i inverzna polarizacija diode
Statička karakteristika diode 49
Gustina struje elektrona
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 1/3
)(→
+= rgradnqDEqnJ nnn µdx
dnqDEqnJ nnn += µ
50
Gustina struje elektrona
Gustina struje šupljina
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 1/3
)(→
+= rgradnqDEqnJ nnn µdx
dnqDEqnJ nnn += µ
51
dx
dpqDEqpJ ppp −= µ)(
→
−= rgradpqDEqpJ ppp µ
Gustina struje elektrona
Gustina struje šupljina
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 1/3
)(→
+= rgradnqDEqnJ nnn µdx
dnqDEqnJ nnn += µ
52
Ukupna gustina struja
dx
dpqDEqpJ ppp −= µ)(
→
−= rgradpqDEqpJ ppp µ
pn JJJ +=
Srednja termička brzina nosioca
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 2/3
l
T
lv
τ=
53
Srednja termička brzina nosioca
Kinetička energija čestica na temperaturi T
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 2/3
l
T
lv
τ=
kTmvT
2
3
2
2
=
54
Srednja termička brzina nosioca
Kinetička energija čestica na temperaturi T
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 2/3
l
T
lv
τ=
kTmvT
2
3
2
2
=
kTl 3
2
=
55
kTml
=
τ
Srednja termička brzina nosioca
Kinetička energija čestica na temperaturi T
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 2/3
l
T
lv
τ=
kTmvT
2
3
2
2
=
kTl 3
2
=
Difuziona konstanta
56
kTml
=
τ
µµτ
τ
τ
τT
l
l
l
l
Uq
kTkT
m
llD =====
3
6662
22
Srednja termička brzina nosioca
Kinetička energija čestica na temperaturi T
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 2/3
l
T
lv
τ=
kTmvT
2
3
2
2
=
kTl 3
2
=
Difuziona konstanta
Termički napon
57
kTml
=
τ
q
kTUT =
µµτ
τ
τ
τT
l
l
l
l
Uq
kTkT
m
llD =====
3
6662
22
Difuzione konstante
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 3/3
nTn UD µ=
pTp UD µ=
58
Difuzione konstante
Einstein-ova relacija
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 3/3
nTn UD µ=
pTp UD µ=
59
p
p
n
nDD
µµ=
Difuzione konstante
Einstein-ova relacija
UKUPNA STRUJA U POLUPROVODNIKU 3/3
nTn UD µ=
pTp UD µ=
Na sobnoj temperaturi (300K)
60
p
p
n
nDD
µµ=
mVq
kT26≅
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna i inverzna polarizacija diode
Statička karakteristika diode 61
Spajanje dva tipa poluprovodnika n-tip (većinski nosioci elektroni) p-tip (većinski nosioci šupljine)
PN SPOJ
62
Spajanje dva tipa poluprovodnika n-tip (većinski nosioci elektroni) p-tip (većinski nosioci šupljine)
PN SPOJ
63
Spajanje dva tipa poluprovodnika n-tip (većinski nosioci elektroni) p-tip (većinski nosioci šupljine)
Pri prelasku šupljina u n-tip i elektrona u p-tip dolazi dorekombinacije i formiraju se joni donora i akceptora koji stvarajuelektrično polje E
PN SPOJ
64
Struje difuzije šupljina i elektrona
PN SPOJ - JEDNAČINE
dx
dpqDJ pp −=
dx
dnqDJ nn = Dp, Dn – difuzione konstante
65
Struje difuzije šupljina i elektrona
Zbog električnog polja, javljaju se i struje provodnosti
dx
dpqDJ pp −=
dx
dnqDJ nn = Dp, Dn – difuzione konstante
pPnP II ,
PN SPOJ - JEDNAČINE
66
Struje difuzije šupljina i elektrona
Zbog električnog polja, javljaju se i struje provodnosti
Struje difuzije su struje većinskih nosilaca, dok su struje
PN SPOJ
dx
dpqDJ pp −=
dx
dnqDJ nn = Dp, Dn – difuzione konstante
pPnP II ,
Struje difuzije su struje većinskih nosilaca, dok su struje provodnosti struje manjinskih nosilaca
67
Ukupna struja
PN SPOJ
0=+++= nPpPnDpD IIIII
68
Ukupna struja
Sloj d – zaporni sloj, prelazni sloj, potencijalna barijera
PN SPOJ
0=+++= nPpPnDpD IIIII
Fermijevi nivoi PN spoja kada nema priključenog vanjskog napajanja
69
PN SPOJ
70
Koncentracija šupljina u PN spoju u p-tipu poluprovodnika u n-tipu poluprovodnika
PN SPOJ – KONCENTRACIJE NOSILACA
kT
WW
vP
Fp
V
eNp
−
=
)(
kT
WW
vN
Fn
V
eNp
−
=
)(
PpNp
71
Koncentracija šupljina u PN spoju u p-tipu poluprovodnika u n-tipu poluprovodnika
PN SPOJ – KONCENTRACIJE NOSILACA
kT
WW
vP
Fp
V
eNp
−
=
)(
kT
WW
vN
Fn
V
eNp
−
=
)(
PpNp
Koncentracija elektrona u PN spoju u p-tipu poluprovodnika u n-tipu poluprovodnika
72
kT
WW
sN
nSF
eNn
)(−
=kT
WW
sP
pSF
eNn
)(−
=
Pn Nn
Ako podijelimo izraze za koncentracije šupljina u p i n-tipu poluprovodnika
PN SPOJ – KONCENTRACIJE NOSILACA
kT
WW
kT
WW
kT
WW
v
N
P
nV
pV
Fn
V
Fp
V
e
eN
eN
p
p)()(
)(
)(
−
−
−
==
73
kTveN
Ako podijelimo izraze za koncentracije šupljina u p i n-tipu poluprovodnika
PN SPOJ – KONCENTRACIJE NOSILACA
kT
WW
kT
WW
kT
WW
v
N
P
nV
pV
Fn
V
Fp
V
e
eN
eN
p
p)()(
)(
)(
−
−
−
==
Logaritmiranjem izraza slijedi da je
74
kTveN
kT
WW
p
pn
Vp
V
N
P)()(
ln−
=
=−
N
PnV
pV
p
pkTWW ln
)()(
Energiju možemo zapisati kao proizvod naelektrisanja i napona
gdje je kontaktni napon tj. napon između n i p-tipa poluprovodnika
PN SPOJ – KONCENTRACIJE NOSILACA
= Pk
pkTU ln
kn
Vp
V qUWW =−)()(
kU
75
=N
Pk
pqU ln
Energiju možemo zapisati kao proizvod naelektrisanja i napona
gdje je kontaktni napon tj. napon između n i p-tipa poluprovodnika
PN SPOJ – KONCENTRACIJE NOSILACA
= Pk
pkTU ln
kn
Vp
V qUWW =−)()(
kU
Analogno, vrijedi i za elektrone
76
=N
Pk
pqU ln
=
P
Nk
n
n
q
kTU ln
Energiju možemo zapisati kao proizvod naelektrisanja i napona
gdje je kontaktni napon tj. napon između n i p-tipa poluprovodnika
PN SPOJ – KONCENTRACIJE NOSILACA
= Pk
pkTU ln
kn
Vp
V qUWW =−)()(
kU
Analogno, vrijedi i za elektrone
77
=N
Pk
pqU ln
=
P
Nk
n
n
q
kTU ln
T
k
U
U
PN epp
−
= T
k
U
U
NP enn
−
=
PN SPOJ - DIODA
78
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna polarizacija diode
Primjena dioda 79
Napon barijere se smanjuje UUU KB −=
DIREKTNA POLARIZACIJA
80
Napon barijere se smanjuje UUU KB −=
U−
DIREKTNA POLARIZACIJA
Uvrštavanjem u izraz
81
T
K
T
B
U
UU
U
U
P
N eep
p)(
)0(−
−−
==
T
k
U
U
PN epp
−
=
Napon barijere se smanjuje UUU KB −=
U−
DIREKTNA POLARIZACIJA
Uvrštavanjem u izraz
82
T
K
T
B
U
UU
U
U
P
N eep
p)(
)0(−
−−
==
T
k
U
U
PN epp
−
=
TT
K
T
B
U
U
U
U
P
U
U
PN eepepp−−
==)0(TU
U
NN epp =)0(
DIREKTNA POLARIZACIJA
Smanjenjem barijere smanjuje se i električno polje
p
NNp
p
NNppDiffPP
L
ppqD
L
ppqD
dx
dpqDJJ
−=
−−=−==
)0()0(
83
DIREKTNA POLARIZACIJA
Smanjenjem barijere smanjuje se i električno polje
difuziona dužinap
NNp
p
NNppDiffPP
L
ppqD
L
ppqD
dx
dpqDJJ
−=
−−=−==
)0()0(
lpp DL τ=
84
−= 1TU
U
N
p
p
p epL
qDJ
−= 1TU
U
P
n
nn en
L
qDJ
DIREKTNA POLARIZACIJA
Smanjenjem barijere smanjuje se i električno polje
difuziona dužinap
NNp
p
NNppDiffPP
L
ppqD
L
ppqD
dx
dpqDJJ
−=
−−=−==
)0()0(
lpp DL τ=
Ukupna gustina struja
85
−= 1TU
U
N
p
p
p epL
qDJ
−= 1TU
U
P
n
nn en
L
qDJ
pn JJJ +=
DIREKTNA POLARIZACIJA
Ukupna struja
gdje je S poprečni presjek PN spoja
−
+=⋅= 1TU
U
P
n
nN
p
pen
L
Dp
L
DSqJSI
86
DIREKTNA POLARIZACIJA
Ukupna struja
gdje je S poprečni presjek PN spoja
−
+=⋅= 1TU
U
P
n
nN
p
pen
L
Dp
L
DSqJSI
pnn ⋅=2 Uvođenjem zakona termodinamičke ravnoteže
87
PNi pnn ⋅=2
A
i
P
iP
N
n
p
nn
22
==
D
i
N
iN
N
n
n
np
22
==
DIREKTNA POLARIZACIJA
Ukupna struja
gdje je S poprečni presjek PN spoja
−
+=⋅= 1TU
U
P
n
nN
p
pen
L
Dp
L
DSqJSI
pnn ⋅=2 Uvođenjem zakona termodinamičke ravnoteže
88
PNi pnn ⋅=2
A
i
P
iP
N
n
p
nn
22
==
D
i
N
iN
N
n
n
np
22
==
−
+=⋅= 1
2 TU
U
An
n
Dp
p
i eNL
D
NL
DSqnJSI
DIREKTNA POLARIZACIJA
Ukupna struja
gdje je Is inverzna struja zasićenja
−= 1TU
U
S eII
Shockley-eva jednačina
89
DIREKTNA POLARIZACIJA
Ukupna struja
gdje je Is inverzna struja zasićenja
−= 1TU
U
S eII
Shockley-eva jednačina
Za područja malih i srednjih napona, statička karakteristika diode I=f(U) se može prikazati u obliku
* Faktor m uzima vrijednosti 1 ≤ m ≤ 2
90
−= 1TmU
U
S eII
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna polarizacija diode
Inverzna polarizacija diode
Statička karakteristika diode91
INVERZNA POLARIZACIJA
Napon barijere
Struja kroz diodu se može aproksimirati
92
UUU KB +=
S
mU
U
S IeII T −≈
−= 1
SADRŽAJ
Provodnost poluprovodnika
Driftna struja
Difuziona struja Difuziona struja
Ukupna struja u poluprovodniku
PN spoj
Direktna polarizacija diode
Statička karakteristika diode 93
STATIČKA KARAKTERISTIKA DIODE
94
SNIMANJE STATIČKE KARAKTERISTIKE DIODE
95
SNIMANJE STATIČKE KARAKTERISTIKE DIODE
96
HVALA NA PAŽNJI!
97
