Semiconduttori intrinseci Rappresentazione bidimensionale di un cristallo di silicio a 0°K Rappresentazione bidimensionale di un cristallo di silicio a temperatura ambiente (300°K) In equilibrio termodinamico, il tasso di generazione di coppie elettrone-lacuna è uguale al tasso di ricombinazione e quindi la concentrazione di elettroni liberi n e di lacune p sono uguali n= p=n i ovvero 2 n p=ni n i =B T 3/2 eE / 2kT dove B è un parametro che dipende dal materiale, Eg (eV) è il bandgap e k (eV/°K) è la costante di Boltzmann g G. Martines 1 Semiconduttori drogati Materiale di tipo n: • il drogante è tipicamente fosforo • la concentrazione dei donori ND è normalmente maggiore di ni e quindi 2 n pn ≈ i ND n n≈ N D • i portatori maggioritari sono gli elettroni NOTA: nel silicio a 300°K ni =1,5×10 22 5×10 atomi/cm3 G. Martines 10 per cm3 mentre ci sono 2 Semiconduttori drogati Materiale di tipo p: • il drogante è tipicamente boro • la concentrazione dei donori NA è normalmente maggiore di ni e quindi 2 p p≈ N A n n p≈ i NA • i portatori maggioritari sono le lacune (hole) NOTA: • le equazioni valgono in condizioni di equilibrio termodinamico • il materiale di tipo n o p resta elettricamente neutro per la presenza delle cariche fisse (nuclei dei donori o accettori) G. Martines 3 La corrente di deriva (drift) In presenza di un campo elettrico E, elettroni e lacune vengono accelerati in direzioni opposte e acquistano una velocità data rispettivamente da v ndrift =µ n E v pdrift =µ p E le costanti µp e µn prendono il nome di mobilità delle lacune e degli elettroni. Il flusso di cariche determina le correnti: I p = Aqp µ p E I n = Aqnµ n E dove A è l'area della sezione, q la carica dell'elettrone, p ed n le concentrazioni di lacune e di elettroni liberi. I S = I p+ I n Nota: le mobilità di lacune ed elettroni non sono uguali. Nel Si, µp = 480 cm2/Vsec e µn= 1350 cm2/Vsec G. Martines 4 La corrente di diffusione (ID) La densità di corrente di diffusione è espressa da dp( x) J p =qD p dx dove la diffusività delle lacune Dp (o coefficiente di diffusione) è una costante che dipende dal materiale mentre la derivata è il gradiente di concentrazione. dn( x) dx NOTA: nel silicio Dp = 12 cm2/s e Dn = 35 cm2/s Analogamente per gli elettroni: J n =qD n La relazione di Einstein lega diffusività e mobilità Dn D p µ n = µ p =V T kT T ≈ è la tensione termica q 11600 NOTA : a 300°K, VT ~ 25,9 mV dove V T = G. Martines 5 Giunzione pn a circuito aperto Regione di svuotamento o regione di carica spaziale V 0=V T ln( Na ND 2 i n ) nota come barriera di potenziale o tensione di built-in G. Martines 6 Giunzione pn polarizzata G. Martines 7 Giunzione pn polarizzata direttamente Profili a regime della concentrazione dei portatori minoritari in una giunzione pn polarizzata direttamente nella ipotesi che sia NA>>ND. G. Martines 8 Giunzione pn polarizzata direttamente Profili delle concentrazioni nel materiale n al bordo della regione di carica spaziale: p n ( x n )= pn0 e V /V T la concentrazione in eccesso vale: pn ( x n ) pn0 = p n0 (e V /V T 1) e decade esponenzialmente con la distanza per effetto della V /V ( x x )/ L ricombinazione: pn ( x) pn0 = p n0 (e 1)e T n p Lp = lunghezza di diffusione delle lacune nel materiale n. La corrente di diffusione nel materiale tipo n più piccola è LP => più rapidamente le lacune iniettate si ricombinano con gli elettroni liberi => più rapidamente si riduce la concentrazione dei portatori minoritari => più intensa è la corrente di diffusione dei portatori minoritari (aumenta il gradiente) => i portatori maggioritari (gli elettroni liberi) persi per la ricombinazione, vengono rimpiazzati da eletroni esterni alla regione n => si genera una corrente di elettroni Il massimo della densità di corrente di diffusione si ha per Dp V /V x= x n e vale J p ( x n )=q pn0 (e 1) e poi decresce Lp esponenzialmente come la concentrazione in eccesso. La densità di corrente dei maggioritari cresce come decresce quella dei minoritari e quindi la somma delle correnti resta costante nel materiale n e pari al massimo di Jp. ( ) G. Martines T 9 Giunzione pn polarizzata direttamente La corrente di diffusione nel materiale tipo p il meccanismo è del tutto analogo per gli elettroni nel materiale tipo p (sono portatori minoritari) il massimo della densità di corrente di diffusione si ha per Dn V /V x=x p e vale J n (x p )=q n p0 (e 1) Ln ( ) T la somma delle densità di corrente resta costante anche nel materiale di tipo p e pari al massimo di Jn La corrente nella giunzione pn : Nella regione di svuotamento le densità di corrente di diffusione non cambiano valore. I = A( J p + J n )= Aq 2 i I = Aqn ( ( ) Dp D V /V p n0 + n n p0 (e 1) Lp Ln ) T Dp Dn V /V V /V + (e 1)= I S (e 1) L p N D Ln N A T T IS è la corrente di saturazione o di scala NOTA: l'equazione vale anche per V < 0 e I tende a -IS . NOTA: IS dipende fortemente dalla temperatura (come ni2) G. Martines 10 Caratteristica V-I della giunzione pn I = I S (e G. Martines V /V T 1) 11 Breakdown della giunzione pn Effetto Zener: generazione di coppie elettrone-lacuna nella regione di svuotamento per effetto dellintensità del campo elettrico che spezza i legami covalenti Effetto valanga: gli elettroni accelerati dal campo elettrico nella regione di svuotamento acquisiscono una energia sufficiente non solo a ionizzare gli atomi ma a generare elettroni capaci di ionizzare altri atomi L'effetto Zener prevale per VZ < 5V L'effetto valanga prevale con VZ > 7V G. Martines 12 Capacità di giunzione Cj È associata alla carica immagazzinata nella regione di svuotamento quindi è rilevante in polarizzaione inversa √ Q j= A 2 s q NANd (V 0 +V R) N A+ N D la carica dipende da VR in modo non lineare. Si definisce in modo incrementale: ∣ ∣ C j= G. Martines dQ j dV R V R =V Q 13 Capacità di diffusione Cd É dovuta alla carica associata all'accumulo di portatori minoritari nell'intorno della regione di svuotamento di un giunzione pn polarizzata direttamente. Definendo il tempo di vita dei portatori minoritari τ come il tempo medio prima della annichilazione del portatore di carica, cioè 2 L τ p= p per le lacune nel materiale n Dp 2 L τ n= n per gli elettroni nel materiale p Dn la carica può essere espressa da Q=τ p I p +τ n I n =τ T I con τΤ detto tempo di transito medio La capacità di diffusione incrementale può essere espressa da τ dQ Cd = = T I dV VT ( ) G. Martines 14 Sommario giunzione pn G. Martines 15