Post on 05-Apr-2015
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
7. Vorlesung
Inhalt:• Rückblick 6. Vorlesung• Kapitel 4.2 und 4.3• Übungsaufgaben (die Restlichen)
Dipl.-Phys. S. PaprottaTel.: 762-4218, paprotta@ihw.uni-hannover.de
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Die pn-DiodeBauelement mit gleichrichtender Wirkung – Stromfluss ist signifikant von der Polung abhängig
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1
Driftstrom Diffusionsstrom =
DiffusionsstromDriftstrom
Driftstrom und Diffusionsstrom kompensieren sich exakt!
=
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1
Neutralitätsbedingung:
W – gesamte Raumladungszonenweite
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1
Elektisches Feld
Potenzial
Potenzielle Energie für Elektronen undLöcher
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1
Durch das Lösen der 1D-Poison-Gleichung kann das E-Feldberechnet werden:
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1
Potenzial:
Name: „eingebaute Spannung“, „Diffusionsspannung“
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1Zusammenhang zwischen V0 und Dotierung:
Verknüpfung Ladungsträger –Fermi-Niveau (Boltzmann-Näherung)
Verhältnis der Ladungsträgeran zwei verschieden Orten
Ort 1
Ort 2
(Bild ist nicht im Skript – Kasap)
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1
Ist der Halbleiter nicht entartet dotiert, so ist dieDiffusionsspannung immer kleiner Eg/q.
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.1
Darstellung der RLZ-Weite von der Dotierung:
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
7. Vorlesung Inhalt:
• 4.2 Die pn-Diode in Flusspolung• 4.3 Die pn-Diode in Sperrrichtung• Übungsaufgaben
Tipp: (gutes Buch)Pierret Volume I „Semiconductor Fundamentals“S. 1-110Pierret Volume II „The pn-junction diode“S. 1 - 90
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
4.2 Die Diode in Flusspolung
pn-Übergang Flusspolung?
Was passiert dann?
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
pn-Übergang Flusspolung?
Was passiert dann?
np n+ -
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
pn-Übergang Flusspolung?
Was passiert dann?
np n+ -
• Die äußere Spannung fällt nur über der RLZ ab (V0-V)• Die RLZ wird kleiner• Elektrisches Feld wird kleiner, Diffusionsstrom wird nicht mehr vollständig kompensiert• Majoritätsträger werden ins gegenüberliegende Gebiet injiziert
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
Injektion von Majoritäts-träger auf die gegenüberliegende Seite
Veränderung des Potenzialsdurch die äußere SpannungIn Flusspolung
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
(Bild ist aus Pierret entnommen)
pn-Übergang in Flusspolung
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2Erhöhung der Minoritäten am Rand der RLZ in Boltzmann-Näherung:
„Gesetz des Übergangs“
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
Konsequenzen der Erhöhung der Minoritätsträger an denRaumladungszonen Grenzen:• Minoritäten diffundieren zu den Kontakten• Auf dem Weg zu den Kontakten findet Rekombination mit den jeweiligen Majoritätsträgern statt• Majoritätsträger, die durch Rekombination verschwunden sind, werden durch die äußere Spannungsquelle an den Kontakten ersetzt
Es findest ein Stromfluss statt, der durch injizierte Minoritäts- träger hervorgerufen wird.
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
Herleitung des Diffusionsstroms am Beispiel der Löcher:
1. Sind die Kontakte weiter als eine Diffusionslänge von der
RLZ entfernt, so nehmen die injizierten Minoritäten Exponentiell auf den Gleichgewichtswert ab
2. Aus diesem Verlauf der Minoritätsträgerkonzentration kann der Strom berechnet werden.
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2Am Rand der RLZ im n-Gebiet fließt also folgender Strom:
Umschreibung mit Hilfe des Massenwirkungsgesetz
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2Überlegungen zum Gesamtstrom in der pn-Diode
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2Führt man die gleichen Überlegungen für die Elektronen durch,erhält man folgende Gleichung:
Ideale Dioden-Gl.Schockley-Gl.
Einige Konsequenzen:
Diodenstrom wird mit größerer Bandlücke kleiner
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
Diodenströme in Abhängigkeit verschiedener HL
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
Kurze Diode: Der Abstand der RLZ zu den Kontakten ist vielkleiner als die Diffusionslänge.
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
In einer kurzen Diode findet keine Rekombination bis zwischenRLZ und Kontakt statt.
l – Abstand zu den Kontakten
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2
Abweichung von der idealen Diode:
Rekombination in der RLZ
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2Gesamtstrom: idealer Diodenstrom + Rekombinationsstrom
Empirische Formel:
J0 und sind dabei anzupassende Parameter. liegt immer zwischen 1 und 2; „Idealitätsfaktor“.
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.2Beispiele für verschiede Idealitätsfaktoren
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
4.3 Die pn-Diode in Sperrrichtung
Was bedeutet Sperrpolung?
np n +-
Konsequenz:• Die RLZ wird jetzt noch vergrößert.• Die Spannung fällt wieder hauptsächlich über der RLZ ab.• Majoritätsträger entfernen sich von der RLZ
Es fließt nur ein kleiner Strom, der durch die Diffusion derMinoritäten in die RLZ getragen wird.
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.3Banddiagramm in Sperrrichtung
Kennlinie
Entnommen aus Pierret
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Weiter 4.3Sperrstrom:
20.05.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta
Halbleiterelektronik I
Übungsaufgaben