ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 2

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 2: Ένωση pn Χατζόπουλος Αλκιβιάδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σχεδιασμός ενοτήτων: 1. Ημιαγωγική δίοδος 2. Ένωση pn 3. Τρανζίστορ FET 4. Πόλωση των FET Ισοδύναμα κυκλώματα 5. Ενισχυτές με FET 6. Διπολικό τρανζίστορ (BJT) 7. Πόλωση των BJT Ισοδύναμα κυκλώματα 8. Ενισχυτές με διπολικά τρανζίστορ 9. Ενισχυτές με ενεργό φορτίο 10. Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 4

5 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΕΝΩΣΗ pn

6 Περιεχόμενα ενότητας 1. Εισαγωγή αγωγιμότητα υλικών (διαφ. 5 12) 2. Προσμίξεις και επίδρασή τους στην αγωγιμότητα (διαφ ) 3. Φαινόμενα κατά την ισορροπία της επαφής και σε συνθήκες πόλωσης (διαφ ) 4. Χωρητικότητες και διάσπαση (διαφ. 2930) ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ 6

7 Κρυσταλλικοί δεσμοί (1/2) Μέταλλα (ελευθέρα ηλεκτρόνια, υψηλή αγωγιμότητα) Ιονικοί κρύσταλλοι (αγωγιμότητα με κίνηση ιόντων μικρή) Μοριακοί κρύσταλλοι (δυνάμεις Van der Waals, μονωτές ή διηλεκτρικά) Ομοιοπολικοί κρύσταλλοι (Ομοιοπολικοί δεσμοί, ελάχιστη αγωγιμότητα) 7

8 Κρυσταλλικοί δεσμοί (2/2) Κρυσταλλική δομή πυριτίου (τετρασθενή άτομα) Ηλεκτρόνια σθένους Si Si Si Si Si Si Ομοιοπολικός δεσμός Si Si Si 8

9 Ενεργειακές στάθμες Εξίσωση Schroedinger 2 Ψ(r) = (2 m (EV)/h 2 ) Ψ(r) Ενεργειακές ζώνες Απαγορευτική αρχή Pauli ύπαρξη ενεργειακής ζώνης για κάθε κύριο κβαντικό αριθμό 9

10 Μονωτές E Ζώνη αγωγιμότητας κενή E G > 3 ev Ζώνη σθένους πλήρης όπου θερμική ενέργεια Ενέργεια χάσματος 10

11 Καλοί αγωγοί Εάν θερμική ενέργεια Ενέργεια χάσματος ε Οπές ηλεκτρόνια Σε μερικά υλικά η ενέργεια του χάσματος είναι μικρότερη από τη θερμική ενέργεια ανά σωματίδιο. Τυχαίες θερμικές κινήσεις μετακινούν τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας. Τα ηλεκτρόνια αυτά μπορούν να μετακινηθούν υπό την επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος, όπως επίσης και οι οπές που μένουν στη ζώνη σθένους. 11

12 Μέταλλα Οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους εφάπτονται ή επικαλύπτονται. ε Μερικά πληρωμένη στάθμη ε Υλικά με μερικά πληρωμένη στάθμη επιτρέπουν την κίνηση των ηλεκτρονίων πολύ εύκολα χωρίς να απαιτείται αλλαγή της στάθμης. 12

13 Κρύσταλλος πυριτίου Φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ και ΟΠΕΣ Si Si Si Si Si Si Ηλεκτρόνιο electron Si Si Si hole Οπή 13

14 Κίνηση ηλεκτρονίων και οπών Τα ηλεκτρόνια κινούνται πιο εύκολα από τις οπές. Οι οπές κινούνται «έμμεσα». Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 14

15 Εισαγωγή προσμίξεων (Doping) Συγκέντρωση ηλεκτρονίων n = n i N D Συγκέντρωση οπών p = p i N A Φορείς μειονότητας και πλειονότητας. 15

16 Ημιαγωγοί Οι καθαροί (αμιγείς) ημιαγωγοί συμπεριφέρονται σαν μονωτές. Ζώνη αγωγιμότητας Ζώνη σθένους άτομα δότες άτομα δέκτες E G < 3 ev Με την εισαγωγή προσμίξεων στους ημιαγωγούς δημιουργούμε ενεργειακές στάθμες μέσα στην απαγορευμένη ζώνη. Κοντά στη ζώνη σθένους Κοντά στη ζώνη αγωγιμότητας ΑΠΟΔΕΚΤΕΣ (p τύπου) ΔΟΤΕΣ (n τύπου) 16

17 Αγωγιμότητα και κινητικότητα (ή ευκινησία) Eιδική αγωγιμότητα: σ = J/Ε Πυκνότητα ρεύματος: J = n q v (q = 1.6 x C) Mέση ταχύτητα ολίσθησης: v = με Άρα : σ = n q μ Σε ημιαγωγό : σ = (nμ n pμ p ) q nτύπου : σ Ν D μ n q pτύπου : σ Ν A μ p q 17

18 Γέννεση και ανασύνδεση φορέων 18

19 Μηχανισμοί μεταφοράς φορτίων Τυχαία κίνηση Διάχυση Ολίσθηση Καθαρή ροή Καθαρή ροή Ηλεκτρικό πεδίο 19

20 Ρεύμα διάχυσης και ρεύμα ολίσθησης Πυκνότητα Ρεύματος Διάχυσης (A/cm 2 ) J n = qd n dn dx J p n = qd p dp dx L n = (D n τ n ) 1/2 L p = (D p τ p ) 1/2 Πυκνότητα Ρεύματος Ολίσθησης (A/cm 2 ) J n = q nn E Jp = q ppe 20

21 Ουδέτερη περιοχή Ουδέτερη περιοχή n p Η επαφή pn (1/2) 21

22 Η επαφή pn (2/2) nτύπου ntype Περιοχή αραίωσης απουσία ελεύθερων φορέων depletion region no free carriers Ουδέτερη neutral region with free carriers περιοχή ύπαρξη ελεύθερων φορέων Hλεκτρικό electric πεδίο field pτύπου ptype Δημιουργία επαφής Recombination Ανασύνδεση φορέων Δημιουργία της ΠΦΧ Το ηλεκτρικό πεδίο εξισορροπεί τη «δύναμη» της διάχυσης 22

23 Επαφή pn σε ισορροπία τύπουn Ουδέτερη περιοχή Ενδογενές ηλεκτρικό πεδίο ΠΦΧ 0.2 µm Ουδέτερη περιοχή τύπουp 23

24 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου nτύπου Ουδέτερη περιοχή ΠΦΧ Ουδέτερη περιοχή pτύπου Ē Ένταση ηλεκτρικού πεδίου E = 0 E = E max E = 0 24

25 Ηλεκτρικό πεδίο και ηλεκτροστατικό δυναμικό ρ W Πυκνότητα φορτίου Charge density x n ntype x p ptype x Ε max Εmax Electric field strength Ένταση ηλεκτρικού πεδίου x V ΠΦΧ Φράγμα Δυναμικού Electrostatic potential Δυναμικό x x V= E dx x 0 25

26 Ανάστροφη πόλωση Ουδέτερη περιοχή Διεύρυνση της περιοχής φορτίων χώρου Το ρεύμα που ρέει είναι αμελητέο τύπου n V D ΠΦΧ Ουδέτερη περιοχή τύπου p 26

27 Ορθή πόλωση Ουδέτερη περιοχή Μείωση της περιοχής φορτίων χώρου Ροή μεγάλων ρευμάτων τύπου n V D Ουδέτερη περιοχή τύπου p 27

28 Χαρακτηριστική ρεύματοςτάσης της διόδου I D V nv D = I T S ( e 1) A εμβαδόν επαφής V T = kt/q = 26 mv (για Τ= Κ) [ Θερμική τάση ] 28

29 Χωρητικότητες της διόδου Χωρητικότητα περιοχής αραίωσης ή φορτίου χώρου C t = dq dv t = Co ( 1 V/V Μεγαλύτερη ανάστροφη τάση μικρότερη χωρητικότητα περιοχής αραίωσης C ) k Χωρητικότητα διάχυσης d dq dv Αύξηση πυκνότητας φορέων μειονότητας κοντά στην ένωση (εκτός περιοχής αραίωσης). C d I D = nv Σε ορθή πόλωση έχει τιμές στην τάξη nf, ενώ η χωρητικότητα περιοχής αραίωσης είναι αμελητέα. = T 29

30 Μηχανισμοί διάσπασης της επαφής Φαινόμενο Χιονοστιβάδας Ροή πολύ μεγάλου ρεύματος με πολλαπλασιασμό χιονοστιβάδας Φαινόμενο Zener Ταυτόχρονη κατάλυση των ομοιοπολικών δεσμών 30

31 Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Χατζόπουλος Αλκιβιάδης. «, Ένωση pn». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 31

32 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Μη Εμπορική Χρήση Όχι Παράγωγα Έργα 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο [1] 32

33 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Επεξεργασία: Σβάρνα Κωνσταντίνα Θεσσαλονίκη, χειμερινό εξάμηνο

34 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σημειώματα

35 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Τίτλος Μαθήματος Τμήμα