Dispositivi elettronici - Giunzione pn, Slide di Dispositivi elettronici

Scarica Dispositivi elettronici - Giunzione pn e più Slide in PDF di Dispositivi elettronici solo su Docsity! La giunzione pn (3.3.2-5) Argomenti della Lezione Analisi della giunzione p-n campo elettrico potenziale di contatto Polarizzazione inversa capacità di transizione fenomeno del breakdown Polarizzazione diretta equazione del diodo Caratteristica i-v del diodo La giunzione pn Si-p Si-n Supponiamo di avere a disposizione due blocchetti di silicio, uno drogato di tipo p e uno drogato tipo n. Cosa succede se (idealmente) li mettiamo in contatto? La giunzione pn all’equilibrio Si raggiunge una condizione di equilibrio dinamico nella quale le due componenti di corrente si bilanciano e quindi risulta: Idiff = Ideriva deriva Si-p Si-n E Ideriva diffusione Idiff RCS ρ(x) RQN RQN E δE ρ δx εSi = qNAxp εSi =E(0) qNDxn εSi = E(x) Si-p Si-n Regione Quasi Neutra qND Carica netta e’ nulla (A=B) usando l’eq. di Poisson: B A x qNA -xp xn RCS RQN RQN E(x) V0 = area sottesa dal campo elettrico= V0 = ln( ) kT q NDNA ni2 E(0) ⋅ + = n p0 E(0) (x x ) V 2 Si-p Si-n Usando l’eq. di Poisson: -xp xn δφ -E(x)= δx Barriera di potenziale V0 Giunzione pn regione di svuotamento dep p A D W x N1 N = + dep n D A W x N1 N = + Se NA>>ND, allora xp<<xn (la regione di svuotamento si estende quasi interamente nella regione n) Se NA<<ND, allora xp>>xn (la regione di svuotamento si estende quasi interamente nella regione p) Giunzione pn polarizzata Ipotesi semplificative: • Approssimazione di svuotamento • Cadute di tensione trascurabili sui contatti e RQN • Deboli correnti (bassa iniezione) La tensione applicata cade tutta alla giunzione Si-p Si-n VA V0 V0 - VA Nota: positivo a p negativo a n RQN WRCS Si-p Si-n RQN xn-xp x0 s dep p n 0 A) A D 2 1 1W x x (V V q N N ε   = + = + −    E(0) = 2 (V0−VA) Wdep • Wdep cala • E(0) cala • potenziale alla giunzione cala e viceversa E(x) Se VA aumenta: Capacita’ parassite nei diodi (Polarizzazione inversa) ( )sdep p n 0 A A D sR R dep 0 dep d0 0 A D 0 2 1 1W x x V V q N N 2V V1 1W 1 V W W 1 V q N N V ε ε   = + = + −      = + + ⇒ = +    R AV V= − D A D n A p dep D A D A R d0 D A 0 N NQ qN x A qN x A q W A N N N N VQ qAW 1 N N V   = = =  +  = + + Capacita’ parassite nei diodi (Polarizzazione inversa) D A R d0 D A 0 N N VQ qAW 1 N N V = + + R Q j R V V QC V = ∂ = ∂ Con alcuni passaggi algebrici si ottiene: j0 S D A j j0 D A 0R 0 C q N N 1C ; C A 2 N N VV1 V ε    = =     +   + Si poteva ottenere partendo dalla: Sj dep AC W ε = Breakdown Valanga EF EC EV Ekin Egen { { qVR E VR (a) (b) { lsc N P La giunz. polarizzata in diretta (VA>0) movimento dei portatori liberi electrons holes Ei EF EV EC Si-p Si-n RCS RQN RQN E deriva diffusione diffusione deriva Si-p Si-n RCS RQN RQN E deriva deriva diffusione EQUILIBRIO diffusione La giunz. polarizzata in diretta (VA>0) movimento dei portatori liberi In polarizzazione diretta si crea un eccesso di portatori minoritari (rispetto alla condizione di equilibrio) in prossimità della RCS: eccesso di lacune nella regione n ed eccesso di elettroni nella regione p. Al contrario, in polarizzazione inversa, rispetto alla condizione di equilibrio, si crea un difetto di portatori minoritari in prossimità della RCS. La giunzione polarizzata portatori minoritari RCS 0 x Catodo - n pn0 Diodo: VD > 0 pn(x) xn np0 np(x) Anodo - p -xp La giunzione polarizzata portatori minoritari 0 x Anodo - p Catodo - n pn0np0 Diodo: VD < 0 pn(x) np(x) A 2 i 0p A0p N n n Np = = D 2 i 0n D0n N n p Nn = = RCS xn-xp La giunzione polarizzata portatori minoritari ( ) ( ) n p n n x x L' ' n n p x p x e per x x − − = > Densita’ di lacune FLUSSO x p’n(x) xn Corrente di diffusione: ' n p p p (x)J (x) qD x ∂ = − ∂ Corrente di lacune nA pT x xV Lp V p n0 p n D J (x) q p e 1 e L per x x − −  = −      > Jp e’ massima in x=xn e poi decade in modo esponenziale. La giunzione ASIMMETRICA NA >> ND Jn Jn Jp+Jn= cost Jp Jp Jn Jn xxn-xp Elettr. Inj. Elettr. che Ricomb. Lac. Inj. Lac. che Ricomb. La giunzione polarizzata portatori minoritari (1) Le lacune vengono continuamente iniettate nel Silicio tipo n; (2) In presenza del gran numero di elettroni si ricombinano (lontano dalla giunzione non ci sono lacune in eccesso, p’n(x)=0); (3) Vengono richiamati elettroni che si ricombinano con le lacune iniettate (dando una corrente verso destra); (4) In regime stazionario, la corrente lungo il diodo sarà costante. La giunzione polarizzata portatori minoritari Per comodità considero: A T V p Vdiff p p n n0 p D J J (x ) q p e 1 L   = = −      In modo analogo: A T V Vdiff n n n p p0 n DJ J ( x ) q n e 1 L   = − = −      La giunzione polarizzata CORRENTE TOTALE p n n pI A J (x ) J ( x ) = + −  A T V p n0 n p0 V p n qD p qD n I A e 1 L L    = + −       2 i D np N = 2 i A nn N =E ricordando che A A T T V V p V V2 n i S D p A n D DI Aqn e 1 I e 1 N L N L      = + − = −             Capacita’ parassite nei diodi (Polarizzazione diretta) p’n(x) pn0 dep n A T ' p n x V V p n0 p p Q p (x)dx AqL p e 1 I τ ∞ =   = − =      ∫ n n nQ I τ=Analogalmente: xn x n n p p TQ I I Iτ τ τ= + =Quindi: A Q T d A TV V QC I V V τ =  ∂ = = ⋅ ∂   Capacita’ parassite nei diodi Cj Cj0 Non ha senso Cd C 2Cj0 VA In polarizzazione inversa (o debolmente diretta) domina la capacita’ di giunzione. In polarizzazione diretta domina la capacita’ di diffusione