Dispositivi elettronici: La giunzione pn

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1 Disositivi elettroici: La giuzioe

2 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

3 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?

4 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 uò rocedere all ifiito altrimeti la giuzioe sarirebbe

5 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.

6 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

7 Si- RQN RCS ρ() A B -qn A - E() Si- RQN qn D RQN = Regioi Quasi Neutre RCS = Regioe di Carica Saziale o di Svuotameto Carica etta e ulla (A=B) usado l eq. di Poisso: δe ρ = δ ε Si E E(0) = qn A ε Si = qn D ε Si

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

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

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

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

12 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

13 Si- W RCS Si- RQN RQN - 0 E(0) = 2 (V 0 V A ) W de W = + = 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()

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

15 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

16 Caacita arassite ei diodi (Polarizzazioe iversa) W = + = 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 = qnda = qnaa = q WdeA ND + NA NN V Q = qawd0 1+ N + N V D A R D A 0 V R = V V A

17 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

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

19 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)

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

21 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

22 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.

23 La giuzioe olarizzata ortatori mioritari (N A > N D ) Diodo: V D > 0 Aodo - Catodo - RCS () () 0 0-0

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

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

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

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

28 La giuzioe olarizzata Correte ella giuzioe (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, ()=0); J diff J +J =J D =cost (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 è costate. h e J J e

29 La giuzioe olarizzata Correte ella giuzioe Cosideriamo gli adameti della correte ella zoa J diff h J +J =J D =cost J () e A J() q VT e 1 e V D = 0 L er > L e J () V D = = A diff J J ( ) q VT e 1 0 L

30 La giuzioe olarizzata Correte ella giuzioe D A diff J = J ( ) = q VT e 1 0 L V IN MODO ANALOGO NELLA ZONA P: D A diff J = J ( ) = q VT e 1 0 L V J +J =J D =cost J () h J () J diff e -

31 La giuzioe olarizzata Correte di elettroi J () RCS Elettroi che si Ricombiao co le Lacue iiettate J () - Elettroi che vegoo iiettati ella regioe er diffusioe

32 La giuzioe olarizzata N A > N D CORRENTE TOTALE J +J = cost Lac. che Ricomb. Lac. Ij. J RCS J J Elettr. che Ricomb. J - Elettr. Ij.

33 La giuzioe olarizzata N A > N D J +J = cost Lac. che Ricomb. Lac. Ij. J RCS J J Elettr. che Ricomb. J Elettr. Ij. - Lotao dalla giuzioe, ella regioe, ho correte di sole lacue alla giuzioe J >J erché è N A >N D Lotao dalla giuzioe, ella regioe, ho correte di soli elettroi

34 La giuzioe olarizzata CORRENTE TOTALE + lacue Lacue iiettate Lac. Ric. El. Ric. El. Ij. elettroi Correte totale Se N A >N D : Lac.. Iiettate > El.. Iiettati. Lac. Ric < El. Ric.

35 La giuzioe olarizzata CORRENTE TOTALE I= A J ( ) + J ( ) 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

36 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

37 La giuzioe olarizzata Diretta-iversa Filmato dimostrativo

38 Caacità arassite ei diodi (Polarizzazioe diretta) Q = ()d ' V = = A AqL VT e 1 I τ 0 Aalogalmete: Q = Iτ Quidi: Q = Iτ + Iτ= IτT () RCS () 0 C d Q T = = VA V V = V T A Q τ I Caacità di DIFFUSIONE

39 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 forte olarizzazioe diretta domia la caacita di diffusioe