Giunzione p-n in polarizzazione inversa

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Aureliana Bassi
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1 Giunzione p-n Giunzione p-n in equilibrio Regione di carica paziale Potenziale interno built-in Concentrazione portatori Correnti di deriva e diffuione Approimazione di vuotamento Giunzione p-n in polarizzazione diretta Caratteritiche I-V Giunzione p-n in polarizzazione invera Rottura Zener e a valanga Effetti di non idealità Comportamento traniente

Giunzione p-n in equilibrio La giunzione p-n conite in un materiale p ed in uno di tipo n portati a contatto Equilibrio termico ignifica che non ono preenti effetti eterni, p. e. tenioni, calore, luce, etc.

2 Giunzione p-n in equilibrio La giunzione p-n conite in un materiale p ed in uno di tipo n portati a contatto Equilibrio termico ignifica che non ono preenti effetti eterni, p. e. tenioni, calore, luce, etc. Gli elettroni diffondono dal lato n al lato p (le lacune fanno il vicevera) Quando attraverano la giunzione i portatori di maggioranza (p. e. elettroni nel tipo n) diventano portatori di minoranza (p. e. elettroni nel lato p) Gli atomi droganti ono fii, non diffondono!

Giunzione p-n in equilibrio Regione di carica paziale (ovvero, regione di vuotamento ) Lo potamento attravero la giunzione di lacune dal lato p al lato n (e di elettroni da n a p) i lacia dietro

3 Giunzione p-n in equilibrio Regione di carica paziale (ovvero, regione di vuotamento ) Lo potamento attravero la giunzione di lacune dal lato p al lato n (e di elettroni da n a p) i lacia dietro atomi impurezza ionizzati In precedenza tali cariche non avevano alcun effetto in quanto riultavano perfettamente bilanciate dalla carica mobile (elettroni e lacune) In una giunzione p-n tali cariche fie generano un campo elettrico (analogia con le armature di un condenatore) La regione priva di carica mobile viene detta regione di carica paziale o regione di vuotamento Rammentare che la direzione del campo elettrico è quella in cui i muove una carica poitiva!

4 Giunzione p-n in equilibrio Corrente di deriva ( drift ) La direzione del campo elettrico è tale da pingere i portatori di minoranza di ciacuna regione vero la regione oppota, ove diventano portatori di maggioranza Normalmente, dato il bao numero di portatori di minoranza, tale corrente è molto piccola La concentrazione dei portatori di minoranza può eere incrementata con la temperatura, generazione ottica, iniezione In condizioni di equilibrio, comunque, la corrente totale è nulla poiché la corrente di diffuione eguaglia quella di deriva Rammentare che la direzione del campo elettrico è quella in cui i muove una carica poitiva!

livello di Fermi mantiene il valore che ha nel bulk Alla giunzione i verifica una

5 Diagramma a bande in equilibrio Per un itema in equilibrio il livello di Fermi deve eere cotante, poiché l energia media deve comunque eere cotante Lontano dalla giunzione il livello di Fermi mantiene il valore che ha nel bulk Alla giunzione i verifica una deformazione dei livelli di banda che indica la preenza del campo elettrico (Ψ=potenziale) (E de/dx = q dψ/dx)

6 Potenziale interno ( built-in ) Il campo elettrico nella zona di giunzione da origine ad una tenione all interfaccia nota come potenziale interno ( built-in ) Ψ 0 Tale potenziale non può eere miurato dall eterno (la giunzione non è una batteria) Ψ 0 è dovuto alla differenza eitente tra i due livelli di Fermi nei materiali cotituenti la giunzione p-n Come i vede dal calcolo, Ψ 0 dipende dal livello di drogaggio, cioè da quanto ono ditanti dalla poizione intrineca (centro gap) i livelli di Fermi nelle due regioni qψ = E E E 0 g 1 N V N C = E g kt ln kt ln N N A D N N V C = E g kt ln N AN D ( ) eendo n = N N exp E kt i ha i V C g NV N C NV N C qψ 0 = kt ln kt ln ni N AN D N AN D Ψ 0 = kt ln ni

Concentrazione di portatori all equilibrio La ditanza del livello di Fermi dalla banda di conduzione (valenza) determina la concentrazione di elettroni (lacune) Dal diagramma a bande i può etrarre la

7 Concentrazione di portatori all equilibrio La ditanza del livello di Fermi dalla banda di conduzione (valenza) determina la concentrazione di elettroni (lacune) Dal diagramma a bande i può etrarre la concentrazione di portatori Fuori la regione di vuotamento i portatori mantengono i ripettivi valori di equilibrio Poiché Ψ 0 dipende dal livello di drogaggio, le concentrazioni di portatori ono legate a Ψ 0 ( ) exp ( ) ( ) exp ( ) p = p exp qψ kt = N qψ kt = n N n 0 p 0 0 A 0 i D n = n exp qψ kt = N qψ kt = n N p 0 n0 0 D 0 i A

8 Proprietà della regione di vuotamento La regione di vuotamento è cotituita da una regione di cariche fie corripondenti agli atomi impurezza ionizzati che hanno pero i ripettivi elettroni (o lacune) per effetto della diffuione La regione di vuotamento decade eponenzialmente lontano dalla giunzione Per emplicità i aume che la regione è nulla ad una certa ditanza dalla giunzione (Approimazione della regione di vuotamento: il campo elettrico è confinato in una regione finita) Per un drogaggio cotante la denità di carica è cotante nella regione di tranizione e nulla al di fuori La quantità di carica ai lati della giunzione deve eere eguale

9 Ampiezza della regione di vuotamento L ampiezza della regione di vuotamento è calcolata integrando la denità di carica per ricavare il campo elettrico, ed integrando ancora per ottenere il potenziale il cui valore è noto dalla differenza dei livelli di Fermi d Ψ 0 q = ( N A N D ) eq. di Poion dx ε N x = N x neutralità carica A p D n qn D integrando & = ( x x n ) ( lato n ) ε & ( 0) qn A & = ( x + x ) ( ) p lato p ε D A max n p ε ε qn qn = & x = = x = x

10 Ampiezza della regione di vuotamento qn Dx qn n Ax Ψ 0 = Ψn Ψ p = + ε ε qn Dxn 1 = ( xn + xp ) = & max W ε con W = x + x n ampiezza totale reg. vuotamento Si ha anche ε N A + N D W = Ψ 0 q N AN D N N A D xn = W xp = W N + N N + N Il campo elettrico max e l ampiezza della regione di vuotamento ono controllati dal livello di drogaggio della regione meno drogata! p A D A D p

11 Effetto del livello di drogaggio

12 Polarizzazione della giunzione p-n Una polarizzazione diretta corriponde ad applicare una tenione che RIDUCE il campo elettrico all interfaccia. La polarizzazione invera AUMENTA il campo elettrico all interfaccia L applicazione di una tenione modifica l equilibrio tra corrente di diffuione e di deriva Riducendo il campo elettrico (pol. diretta) riduce la barriera per la corrente di diffuione, determinando un incremento della tea. La corrente di deriva non cambia. Si oerva quindi un fluo netto di corrente. In polarizzazione invera la barriera per la corrente di diffuione aumenta, riducendo la corrente di diffuione tea, mentre la corrente di deriva rimane invariata. Di nuovo, i oerva un fluo netto (molto piccolo in queto cao) di corrente.

13 Polarizzazione della giunzione p-n Diagramma a bande e chema delle correnti L effetto della tenione applicata è indicato dalla differenza tra i livelli di Fermi (quai-livelli di Fermi)

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