La giunzione pn ( )

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1 La giuzioe ( ) Argometi della Lezioe Aalisi della giuzioe - camo elettrico oteziale di cotatto Polarizzazioe iversa caacità di trasizioe feomeo del breakdow Polarizzazioe diretta equazioe del diodo Caratteristica i-v del diodo

2 La giuzioe Si- Si- Suoiamo di avere a disosizioe due blocchetti di silicio, uo drogato di tio e uo drogato tio. Cosa succede se (idealmete) li mettiamo i cotatto?

3 La giuzioe Si- Si- Se mettiamo a cotatto Silicio drogato di tio co Silicio drogato tio, a causa dei gradi gradieti di cocetrazioe avremo diffusioe: lacue da Si- a Si- ed elettroi da Si- a Si- Ma il rocesso o uo rocedere all ifiito altrimeti la giuzioe sarirebbe

4 La giuzioe Si- E Si- Cosa frea la diffusioe? La diffusioe di ortatori mobili lascia atomi ioizzati che dao luogo ad u CAMPO ELETTRICO, E Iotesi di svuotameto comleto a gradio : l iterfaccia della giuzioe risulta comletamete svuotata di ortatori mobili.

5 La giuzioe all equilibrio deriva Si- I deriva E Si- Si raggiuge ua codizioe di equilibrio diamico ella quale le due comoeti di correte si bilaciao e quidi risulta: diffusioe I diff = I deriva I diff

6 Si- RCS Si- RQN RQN Regioe Quasi Neutra ρ(x) B qn D Carica etta e ulla (A=B) A qn A -x E(x) x x usado l eq. di Poisso: δe ρ = δx ε Si E E(0) = qn A x ε Si = qn D x ε Si

7 Si- RQN RCS Si- RQN -x E(x) x E(0) V 0 = area sottesa dal camo elettrico= Usado l eq. di Poisso: Barriera di oteziale V 0 kt N V 0 = l( D N A ) q 2 i V δφ δx 0 = = -E(x) E(0) (x + x ) 2

8 Si- RQN RCS deriva diffusioe Si- RQN electros La giuzioe all equilibrio E C E F E i diffusioe holes deriva E V E

9 Giuzioe, regioe di svuotameto -Si W de -Si RQN RQN x -x x 0 W = x + x = 2ε V s de 0 q NA ND x x = N N A D ε s = F/cm 0.1µ m W 1µ m de

10 Giuzioe regioe di svuotameto x = W N 1+ N de A D x = W N 1+ N de D A Se N A >>N D, allora x <<x (la regioe di svuotameto si estede quasi iteramete ella regioe ) Se N A <<N D, allora x >>x (la regioe di svuotameto si estede quasi iteramete ella regioe )

11 Giuzioe olarizzata Iotesi semlificative: Arossimazioe di svuotameto Cadute di tesioe trascurabili sui cotatti e RQN Deboli correti (bassa iiezioe) La tesioe alicata cade tutta alla giuzioe Si- Si- V 0 V 0 -V A V A Nota: ositivo a egativo a

12 Si- W RCS Si- RQN RQN -x x 0 E(0) = 2 (V 0 V A ) W de W = x + x = 2ε (V V s de 0 A) q NA ND Se V A aumeta: W de cala E(0) cala oteziale alla giuzioe cala e viceversa E(x) x

13 La giuz. olarizzata i iversa (V A <0) V A Si- Si- -x -x E(x) x x Φ (Φ i V A ) i Φ i = V 0

14 La giuz. olarizzata i iversa (V A <0) movimeto dei ortatori liberi Si- RCS Si- Si- RCS Si- RQN RQN RQN RQN deriva deriva diffusioe electros E C E F Ei holes diffusioe deriva E EQUILIBRIO E V E deriva

15 Caacita arassite ei diodi (Polarizzazioe iversa) W = x + x = 2ε V V ( ) s de 0 A q NA ND W = V 1+ 2ε V W = W 1+ R s R de 0 de d0 V0 q NA ND V0 NN D A Q = qndxa = qnaxa = q WdeA ND + NA NN V Q = qawd0 1+ N + N V D A R D A 0 V R = V V A

16 Caacita arassite ei diodi (Polarizzazioe iversa) C j V R V = V R Q NN V Q = qawd0 1+ N + N V D A R D A 0 Q = Co alcui assaggi algebrici si ottiee: Cj0 εsq NN D A 1 C j = ; Cj0 = A V 2 N R D + NA V0 1+ V Si oteva otteere artedo dalla: 0 C j = Aε W S de

17 {(b) Breakdow Valaga (a) E N P V R l sc { E ki { E ge E C E F E V qv R

18 Breakdow ZENER I giuzioi esatemete drogate la RCS risulta ridotta e il camo elettrico alla giuzioe molto elevato. Questo causa u iegameto di bade tale da attivare l effetto tuel (il camo E rome i legami covaleti)

19 La giuzioe olarizzata diretta (V A >0) V A Si- Si- -x -x E(x) x x Φ i (V 0 V A )

20 La giuz. olarizzata i diretta (V A >0) movimeto dei ortatori liberi Si- RCS Si- Si- RCS Si- RQN RQN RQN RQN deriva diffusioe electros deriva diffusioe E C E F Ei holes diffusioe deriva E EQUILIBRIO E V diffusioe E deriva

21 La giuz. olarizzata i diretta (V A >0) movimeto dei ortatori liberi I olarizzazioe diretta si crea u eccesso di ortatori mioritari (risetto alla codizioe di equilibrio) i rossimità della RCS: eccesso di lacue ella regioe ed eccesso di elettroi ella regioe. Al cotrario, i olarizzazioe iversa, risetto alla codizioe di equilibrio, si crea u difetto di ortatori mioritari i rossimità della RCS.

22 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari Diodo: V D > 0 Aodo - Catodo - RCS (x) (x) 0 0 -x 0 x x

23 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari ( ) ' ( ) x = x = 0 Aodo - ( ) x 0 e er x > x Diodo: V D > 0 x x L RCS (x ) Catodo - cocetrazioe i eccesso: (x) (x) L = D τ (x) D =costate di diffusioe 0 τ =temo di vita medio L =lughezza di diffusioe -x 0 x 0 equilibrio x

24 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari VA ' ( ) x = 0 e 1 ( ) ' = ( ) ' x x e er x > Diodo: V D > 0 Aodo VT - Catodo - V A >0 (x) x x (x ) RCS (x) L (x) x 0 V A <0 -x 0 0 x (x ) x

25 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari Diodo: V D < 0 0 Aodo - = N A Catodo - 0 = N D 0 = N 2 i A RCS 0 = N 2 i D (x) 0 0 (x) -x 0 x x

26 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari ' ( ) ' x = ( x ) e er x > x x x L (x) Desita di lacue FLUSSO Correte di diffusioe: J(x) = qd (x) ' x x Correte di lacue x A J(x) q VT e 1 e V D = 0 L er x > x x x L J e massima i x=x e oi decade i modo esoeziale.

27 La giuzioe ASIMMETRICA NA >> ND J +J = cost Lac. che Ricomb. Lac. Ij. J J J Elettr. che Ricomb. J -x x Elettr. Ij. x J

28 La giuzioe ASIMMETRICA NA >> ND J +J = cost Lac. che Ricomb. Lac. Ij. J J J Elettr. che Ricomb. J Elettr. Ij. -x x x J Lotao dalla giuzioe, ella regioe, ho correte di sole lacue alla giuzioe J>>J erchè è NA>>ND Lotao dalla giuzioe, ella regioe, ho correte di soli elettroi

29 La giuzioe olarizzata CORRENTE TOTALE lacue Lacue iiettate Lac. Ric. El. Ric. El. Ij. elettroi Correte totale Se NA>>NN >>ND : Lac.. Iiettate >> El.. Iiettati. Lac. Ric << El. Ric.

30 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari (1) Le lacue vegoo cotiuamete iiettate el Silicio tio ; (2) I reseza del gra umero di elettroi si ricombiao (lotao dalla giuzioe o ci soo lacue i eccesso, (x)=0); (3) Vegoo richiamati elettroi che si ricombiao co le lacue iiettate (dado ua correte verso destra); (4) I regime stazioario, la correte lugo il diodo sarà costate.

31 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari Per comodità cosidero: D A diff J = J (x ) = q VT e 1 0 L V I modo aalogo: V D = = A diff J J ( x ) q VT e 1 0 L

32 La giuzioe olarizzata CORRENTE TOTALE I= A J (x ) + J ( x ) VA qd0 qd 0 VT I= A + e 1 L L E ricordado che = N 2 i D = N 2 i A VA VA D D VT VT 2 I= Aqi + e 1 = IS e 1 NL D NL A

33 Caratteristica I-V della giuzioe PN I ( V/V T ) I= I e 1 s = D + D 2 IS Aqi LN D LN A I S V Breakdow V o

34 La giuzioe olarizzata Diretta-iversa Filmato dimostrativo

35 Caacita arassite ei diodi (Polarizzazioe diretta) Q = x (x)dx ' V = = A AqL VT e 1 I τ Aalogalmete: Quidi: 0 Q = Iτ Q = Iτ + Iτ = Iτ T de x (x) 0 x C d Q T = = VA V V = V T A Q τ I

36 Caacita arassite ei diodi C C d 2C j0 No ha seso C j C j0 V A I olarizzazioe iversa (o debolmete diretta) domia la caacita di giuzioe. I olarizzazioe diretta domia la caacita di diffusioe