Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 7. Vorlesung Inhalt: Rückblick 6....

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, [email protected]



Die pn-DiodeBauelement mit gleichrichtender Wirkung – Stromfluss ist signifikant von der Polung abhängig



Weiter 4.1

Driftstrom Diffusionsstrom =

DiffusionsstromDriftstrom

Driftstrom und Diffusionsstrom kompensieren sich exakt!

=



Weiter 4.1

Neutralitätsbedingung:

W – gesamte Raumladungszonenweite



Weiter 4.1

Elektisches Feld

Potenzial

Potenzielle Energie für Elektronen undLöcher



Weiter 4.1

Durch das Lösen der 1D-Poison-Gleichung kann das E-Feldberechnet werden:



Weiter 4.1

Potenzial:

Name: „eingebaute Spannung“, „Diffusionsspannung“



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)



Weiter 4.1

Ist der Halbleiter nicht entartet dotiert, so ist dieDiffusionsspannung immer kleiner Eg/q.



Weiter 4.1

Darstellung der RLZ-Weite von der Dotierung:



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



4.2 Die Diode in Flusspolung

pn-Übergang Flusspolung?

Was passiert dann?



Weiter 4.2


Was passiert dann?

np n+ -



Weiter 4.2


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



Weiter 4.2

Injektion von Majoritäts-träger auf die gegenüberliegende Seite

Veränderung des Potenzialsdurch die äußere SpannungIn Flusspolung



Weiter 4.2

(Bild ist aus Pierret entnommen)

pn-Übergang in Flusspolung



Weiter 4.2Erhöhung der Minoritäten am Rand der RLZ in Boltzmann-Näherung:

„Gesetz des Übergangs“



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.



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.



Weiter 4.2Am Rand der RLZ im n-Gebiet fließt also folgender Strom:

Umschreibung mit Hilfe des Massenwirkungsgesetz



Weiter 4.2Überlegungen zum Gesamtstrom in der pn-Diode



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



Weiter 4.2

Diodenströme in Abhängigkeit verschiedener HL



Weiter 4.2

Kurze Diode: Der Abstand der RLZ zu den Kontakten ist vielkleiner als die Diffusionslänge.



Weiter 4.2

In einer kurzen Diode findet keine Rekombination bis zwischenRLZ und Kontakt statt.

l – Abstand zu den Kontakten



Weiter 4.2

Abweichung von der idealen Diode:

Rekombination in der RLZ



Weiter 4.2Gesamtstrom: idealer Diodenstrom + Rekombinationsstrom

Empirische Formel:

J0 und sind dabei anzupassende Parameter. liegt immer zwischen 1 und 2; „Idealitätsfaktor“.



Weiter 4.2Beispiele für verschiede Idealitätsfaktoren



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.



Weiter 4.3Banddiagramm in Sperrrichtung

Kennlinie

Entnommen aus Pierret



Weiter 4.3Sperrstrom:



Übungsaufgaben

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