Giunzione p‐n Complementi e Applicazioni Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 1 Caratteristica V – I della giunzione pn I = I s (e qV / ηkT −1) DIODO con 1<η < 2 Is = A× Js ⎡qDp pn0 qDnnp0 ⎤ ⎥ Js = ⎢ + Ln ⎦ ⎣ Lp Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN (Is) 2 Breakdown ! ( I = Is e qV /ηkT ) −1 I “arbitraria” per V ~ costante Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 3 Fenomeni di “rottura” della giunzione Moltiplicazione a valanga Breakdown Zener Effetto tunnel (tunnel diode) Sono fenomeni non necessariamente irreversibili e che non necessariamente portano alla rottura del dispositivo. In condizioni estreme (non frequenti), la corrente deve essere limitata da opportuni circuiti esterni e deve essere curata la dissipazione del calore prodotto, per evitare un eccessivo riscaldamento, che porterebbe a fondere il dispositivo. Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 4 Moltiplicazione a valanga ε I portatori che attraversano la Regione Svuotata, sottoposti ad un campo molto intenso, vengono accelerati fino a possedere energia sufficiente a ionizzare gli atomi e liberare altri portatori, che a loro volta possono acquistare sufficiente energia per altre ionizzazioni. Una volta innescato, il processo è esponenziale (valanga) Elevate correnti inverse Regione di regime a valanga (avalanche breakdown) Il fenomeno più tipico per elevate tensioni inverse Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 5 Moltiplicazione a valanga Nel caso di giunzione brusca asimmetrica, si può calcolare che VB = ε εs 2 critico 2eN B VB tensione di breakdown (10‐100 V) NB concentrazione del drogaggio minore (Sze) εcritico campo di innesco, dipendente dal drogaggio Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 6 Diodo ad effetto tunnel Tunnel diode W= 2ε (V j + VR ) qN Aumentando drasticamente la N (es. 1019 cm‐3): 1. la W può essere molto ridotta (10 nm) 2. I SC P ed N sono degeneri Æ Caratteristica con rd negativa EF Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 7 Tunnel diode Applicazioni in oscillatori e switch ad alta frequenza e generatori di impulsi con rise time veloce (Esaki, 1958). Oggi poco usato (correnti in gioco molto basse) Interesse unicamente accademico Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 8 Tunnel diode: caratteristica n vuoti pieni pieni p vuoti massimo (v. Neamen) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 9 Breakdown Zener o tunnel Zener W= 2ε (V j + VR ) qN Per N sufficientemente grandi la W in polarizzazione inversa VR si restringe al punto da consentire il passaggio diretto di elettroni dalla BV alla BC Per diodi fortemente drogati (N > 1017 cm‐3) questo processo si innesca a VR~ 6 V = VZ. Per diodi leggermente drogati VZ è maggiore. In tal caso l’effetto di moltiplicazione a valanga si innesca prima. Spesso il nome di diodo Zener si assegna anche a diodi del secondo tipo (a valanga) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 10 Caratteristica e diodo Zener Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 11 Il diodo nei circuiti Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 12 Teoria delle Reti… Useremo soltanto: • KCL (conservazione della carica): La somma algebrica totale delle I in un nodo è sempre 0 • KVL (conservazione dell’energia): La somma algebrica totale delle V in una maglia è sempre 0 (caduta positiva in una R se percorsa nel verso della corrente, caduta positiva in un generatore di tensione Vs se percorso dal + al ‐, indipendentemente dal verso della corrente) • Teorema di Thevenin (scorciatoia) Rispetto a due suoi terminali qualunque, ogni rete può essere rimpiazzata da un generatore di tensione VThevenin = V di circuito aperto, in serie con una RThevenin, vista dai due terminali. RThevenin si trova corto‐circuitando tutti i generatori di V e aprendo tutte le sorgenti di I. Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 13 Il diodo come dispositivo circuitale Usato generalmente come dispositivo raddrizzatore o per fissare la tensione (clamp) anodo catodo Un raddrizzatore con una caduta di tensione intrinseca di ~ 0.6‐0.7 V + Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 14 Modello statico del diodo Id 1/Rf Rf = 10‐100 Ω Vj Vd I = I s (eqV /ηkT −1) ⎛ dvd ⎞ ηkT rd = ⎜ ⎟ ≈ ⎝ did ⎠Q qI DQ resistenza differenziale Id Vj Vd Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 15 Analisi di circuiti (retta di carico e punto di lavoro) Id R Va/R + −Va + I d R +Vd = 0 + _ Q Va _ Vd Va Id Id I d = 0 → Vd = Va Vd = 0 → I d = Va R R V(t) Q + + Va Vd _ Va _ Id Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 16 Esempi di circuiti raddrizzatori Ingredienti importanti negli alimentatori AC/DC Half‐wave rectifier (1 voltage drop) in Full‐wave rectifier (bridge) 2 voltage drops out Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 17 AC/DC converter elementare Ripple residuo Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 18 Esempi di circuiti di clamp (blocco/chiusura) Protezioni all’input di circuiti sensibili Vout Vin + Vout < Vref + 0.7 V Vref _ Vref _ + Vin Vout + Vref – 0.7 V < Vout < Vref + 0.7 V _ Vref Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 19 Lo Zener come stabilizzatore Iin (Voltage regulator) Rin + Vin _ Vz IZ IL RL Vo Rin: • Vin − VO VZ VZ I Z = I in − I L = − ⇒ IL = Rin RL RL • Abbastanza piccola da fornire Iz sufficiente; Abbastanza grande da proteggere il diodo (limitando Iz) IZ varia al variare di Vin ma IL non dipende da Vin Æ Vo resta costante e fisso a Vz Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 20 Lo Zener come stabilizzatore: retta di carico Iin Rin Vo + Vin _ Vz IZ IL RL ‐Vin + IzRin + Vz = 0 Iz = 0 Æ Vz = Vin Vz = 0 Æ Iz = Vin/Rin V = Vin Variazioni in Vin Vo = Vz Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN Iz = Vin / Rin 21 diodi Foto Principio di funzionamento e alcuni esempi notevoli Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 22 Fotodiodo: principio di funzionamento RS N Energia potenziale P qVbi EF Ei Eg ≈ 1 eV (Si) W xp xn distanza Portatori minoritari diffondono verso la giunzione e vengono trascinati dal campo della RS verso le zone neutre N (elettroni) o P (buche). Si possono verificare due fenomeni principali: 1) Fotoconduzione, se le cariche possono scorrere all’esterno del dispositivo. 2) Creazione di una tensione ai capi della giunzione (effetto fotovoltaico). Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 23 Fotodiodo: giunzione e portatori Giunzione all’equilibrio: Vpol = 0 ed assenza di luce RS N Energia potenziale P qVbi EF Ei W xp n p0 nno = e −Vbi / Vt xn distanza Applicando una tensione Vpol n p = n p 0 + n′ con Vt = kT q Relazione fra e‐ sul lato P e sul lato N Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN con V pol / Vt ′ n = n p 0 (e − 1) n’ = Δn = portatori minoritari in eccesso a causa di Vpol 24 Dimostrazione che n p0 nno =e −Vbi / Vt n ' = n p 0 (e V pol / Vt Applicando una tensione Vpol np0 nno n′ = nn0 e −(Vbi −V pol )/Vt → − n p0 = n p0 eVbi /Vt e Variazione di Tensione (Energia potenziale) np nn ≅ n p 0 + n′ nn 0 −(Vbi −V pol )/Vt (Boltzmann) (Fermi‐Dirac) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN − 1) =e − (Vbi −V pol ) / Vt ( − n p0 = n p0 e V pol /Vt ) −1 Variazione di concentrazione dei portatori 25 V‐I del fotodiodo (1) Partiamo direttamente dalla equazione di continuità ε ∂n p ε ∂ = n p μn + μn ∂x ∂t ∂n p ∂x + Dn ∂ 2n p ∂x 2 + Gn − n p − n p0 τn considerandola nelle regioni neutre (campo nullo) e in regime stazionario. Ovviamente in questo caso consideriamo anche i fenomeni di generazione: ∂ 2 pn pn − pn 0 Dp + Gp − =0 2 ∂x τp Dn ∂ 2n p ∂x 2 + Gn − n p − n p0 τn =0 buche elettroni Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN G Tasso di generazione di minoritari dovuto alla radiazione incidente (proporzionale al flusso di fotoni) τ Tempo medio di ricombinazione dei minoritari 26 V‐I del fotodiodo (2) Gn ∂ 2 n' n' = − ∂x 2 Dnτ n Dn ∂2 f = kf + a 2 ∂x 1. 2. 3. ⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ k = ⎟⎟ D τ n n ⎠ ⎝ n' = Ae + Be − Lx n n'= e +C − Lx n con [ ( ∂x 2 + Gn − n p − n p0 τn =0 Da risolvere con le seguenti condizioni al contorno: Soluzione: x Ln Dn ∂ 2n p Ln = Dnτ n V pol /Vt np e In assenza di luce, n’ (@ x = − ∞) = 0 In presenza di luce n’ (@ x = − ∞ ) = Gnτn ≠ 0* In x = xp, n’ = np0[exp(Vpol/Vt) – 1] ∂ 2 n' =0 * Porre ∂x 2 ) ] −1 − Gnτ n + Gnτ n qV ⎤ qDn ⎡ dn′ kT J n ( x p ) = qDn = ⎢np0 (e −1) − Gnτ n ⎥ dx x=x p Ln ⎣ ⎦ Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN V = Vpol 27 V‐I del fotodiodo (3) JTOT = J p + J n ≅ J n qV ⎤ qDn ⎡ kT Jn = ⎢np0 (e −1) − Gnτ n ⎥ Ln ⎣ ⎦ Se consideriamo il caso (tipico) in cui nn >> pp Caratteristica del diodo 2 n i V Vt qD n J= (e −1) − qLnGn Ln N A FOTOCORRENTE Æ La fotocorrente è proporzionale al flusso di fotoni con hν > Eg Æ La risposta al flusso incidente è indipendente da V Tuttavia i due contributi a J si sommano: se V > 0 (polarizzazione diretta), il primo termine sovrasta di gran lunga il secondo Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 28 Fotodiodo in polarizzazione inversa 2 n i qD n J =− − qLnGn Ln N A Corrente di buio (dark current) fotocorrente Corrente di buio = corrente di perdita (leakage) inversa in assenza di radiazione incidente (da Pearsall) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 29 1 qD n2 qV J = n i (e kT −1) − qLnGn Ln N A dir 2 n i qD n Dn 3 Jdark(T ) = ≅A T e Ln NA Ln −Eg kT 2 qDn ni2 J =− − qLnGn Ln N A inv ≅ ABT(3+a/2)e −Eg kT I a dipende strettamente dal tipo di materiale −Eg kT Jdark(T ) ≈ Ce V A, B, C considerate costanti rispetto a T Sperimentalmente si osserva che: • La corrente di buio è in realtà maggiore di quella data nella 2 (difetti e impurezze creano percorsi aggiuntivi alla corrente inversa) Æ effetti difficili da modellizzare. • La corrente diretta è sensibilmente minore (resistenza delle zone neutre, ricombinazione dei minoritari). 1 > η > 2 Da determinarsi sperimentalmente Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN V ⎤ ⎡ qDn ηVt Jn = ⎢np0 (e −1) − Gnτ n ⎥ Ln ⎢⎣ ⎥⎦ 30 Prestazioni dei fotodiodi come rivelatori • Photo sensitivity (S) o Responsivity Corrente out/Potenza ottica in (A/W). Assoluta o relativa al picco (%). • Spectral response: S (λ) • Quantum Efficiency (QE) • Short Circuit current, open circuit voltage Proporzionali all’area sensibile. Riferiti (tipicamente) a lampada a W @2856 K. • Dark current, shunt resistance • Rise time tr Indice del tempo di risposta. In genere indica il tempo di salita dal 10% al 90% del max in risposta ad un impulso luminoso a gradino. • Terminal capacitance. Capacita` della giunzione. Importante nel determinare il tr • Noise Equivalent Power (NEP) (potenza ottica necessaria a produrre un S/N = 1). • Maximum reverse voltage VRmax per evitare effetti di rottura. Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 31 Risposta spettrale (Spectral Response) S Intervallo di E (o λ) che il fotodiodo converte in corrente S si misura in Corrente _ out A = W Potenza _ ottica _ in La Sensitività S (a λ definita) si misura in A/W o come rapporto percentuale rispetto alla S(λ picco) teorica reale 1 S(λ) 1 .24 λ (μ m ) = E g ( eV ) 0 λmax(Si) = 1.13 μm (IR) ? Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN λmax 32 Efficienza quantica QE Ncoppie ne QE = = nγ Nfotoni Probabilità che un fotone generi una coppia e‐b disponibile alla fotocorrente QE dipende dal coeff. di assorbimento α (I = Ioe‐αx), che dipende dalla λ (E) del fotone. Esiste una λ massima (Eg) Esiste anche una λ minima perché per λ piccole (E grandi) i valori di α sono molto grandi (~105 cm‐1) e la radiazione è assorbita in superficie l’intervallo di assorbimento efficiente è limitato L’altro limite intrinseco è dato dalla riflessione sulla superficie ⎛E ℜ = ⎜⎜ R ⎝ EI 2 ⎞ ⎛ n − n2 ⎟⎟ = ⎜⎜ 1 ⎠ ⎝ n1 + n 2 2 ⎞ ⎟⎟ ≅ 25 % ⎠ (Fresnel) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 33 Velocita` di risposta Le cariche “utili” sono generate nella RS (dove il campo è attivo), con spessore d. Le altre migrano nella RS per diffusione (processo relativamente lento) Æ La RS deve essere superficiale e sottile Per RS troppo sottili, la Cj della giunzione diventa troppo grande e questo rallenta la τ ~ RC equivalente del circuito Æ Valore ottimo (compromesso): A Cj ≈ d (V R ) d(RS) tale che il tempo di transito sia la metà del tempo di modulazione del segnale (es. Freq ~ 2 GHz Æ d ~ 25 um per Si) I tempi tipici di risposta sono dell’ordine di qualche ns Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 34 Esempi di fotodiodi diversi Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 35 Un’evoluzione: il diodo p‐i‐n (i sta per intrinseco) Il problema di rendere ampia la zona svuotata viene aggirato creando una zona intrinseca, dell’ampiezza voluta, sottoposta ad un potenziale VR (campo costante nella zona i). Bande in pol. inversa. Vantaggi: • Maggiore efficienza di raccolta a parità di VR • Maggiore velocità di risposta (bassa capacità) i Si possono ottenere frequenze di funzionamento di O(10) GHz Basati in genere su Si (visibile e IR) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 36 Fotodiodi a valanga (APD) Se l’intensità da rivelare e` piccola, la corrente prodotta puo` essere confrontabile alla corrente di buio Æ Una VR sufficiente ad innescare un processo di moltiplicazione a valanga dei portatori. Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 37 APD: caratteristiche Vantaggi: • Guadagno intrinseco del FD (M=50‐1000 per Si, M=10‐40 per Ge e InGaAs) • Possibilità di rivelare segnali deboli (anche regime Geiger) • QE prossime al 100% Svantaggi/caveat: • Tutti i contributi al rumore vengono amplificati per M • Elevate VR dai O(10) V del pin a O(100) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 38 Matrici di fotodiodi (photodiode arrays) In commercio: Verso applicazioni di imaging Single Photon Counting (conteggio dei segnali) Più FD con elettronica di lettura (amplificatore e logica di indirizzamento) integrata su un chip. Configurazioni lineari o a matrice. Tipici da 64, 128, 256 elementi. Pixel O(100) um. Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 39 Microstrip (e pixel) al Si • Giunzione p‐n segmentata in diodi sottili • Campo ortogonale alla superficie • Ogni strip è un rivelatore indipendente • Dimensioni totali limitate dalla misura del wafer • Un amplificatore (e sistema di lettura) collegato ad ogni strip (o pixel ) Utilizzati specialmente per particelle ionizzanti (tracking) Risoluzioni spaziali O(10) um Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 40 Matrici di “fotodiodi” per la ricerca Tracker di CMS (LHC) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 41 Matrici di fotodiodi: esempio KPIX – Cagliari 2000 – 4x15.5 mm2 Lettura di matrici di FD per radiazione UV 1024 canali. Lettura sequenziale analogica e/o digitale Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 42 Uso della giunzione come cella solare Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 43 qV qDn ni2 kT J= (e −1) − qLnGn Ln N A dir qDn ni2 J =− − qLnGn Ln N A inv I V L’area P = V x I Indica che il fotodiodo sottoposto a radiazione, è in grado di fornire potenza (Æ celle solari) Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 44 M = 2 x 1030 kg 450 nm visibile 700 nm Energia solare 6 x1011 kg H in He /s Æ Δm = 4 x 103 kg Æ 4 x 1020 J Costante solare (atmosfera) = 1353 W/m2 Assorbimento UV O3 Assorbimento IR H2O Diffusione aerosol e polveri Costante solare (suolo) = 925 W/m2 Spettro solare Risposta relativa dell’occhio umano Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 45 Effetto fotovoltaico: la cella solare La radiazione solare incide sulla giunzione PN. Fotoni con λ < 1.13 μm possono generare coppie elettrone‐lacuna. Queste sono trascinate dal campo della RS ai lati opposti prima che possano ricombinarsi. Luce Æ Tensione Un esempio minimale di cella consiste in un cristallo di Si di tipo n coperto da un sottile strato p esposto alla luce solare. Una resistenza R di valore opportuno viene connessa ai terminali della giunzione. I portatori producono una corrente (tensione), cosicché l’energia solare viene convertita in energia elettrica nel circuito. L’efficienza della cella solare dipende dalla relazione tra l’energia dei fotoni e l’ampiezza del gap. Fotoni nell’UV e nel visibile hanno energie molto maggiori della Egap, per cui gran parte dell’energia viene dispersa in calore. Fotoni λ > 1.1 μm hanno E < Egap e non contribuiscono. Questo già limita l’efficienza massima ottenibile al 45%. Oltre a ciò, la probabilità di ricombinazione dei portatori riduce l’efficienza massima attorno al 20%. 900 W/m2 Æ Perogata < 180 W/m2 Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 46 Caratteristica VI nella cella solare La corrente erogata dalla cella esposta alla luce è dovuta alla corrente (inversa) di diffusione dei portatori minoritari. Questa corrente cresce al crescere della intensità luminosa incidente sulla cella. Vout Voc Quando R = 0 si ha la corrente di corto circuito ISC, dovuta all’effetto dei portatori generati nella giunzione. La Vout è nulla. Quando R è grande, la corrente a circuito aperto è nulla e la Vout = Voc Isc Pmax ‐1/R retta di carico Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN Nella zona intermedia si ha un punto della curva VI in cui P = VI (potenza erogata) è massima, che dipende dal valore di R. Pmax si ottiene tipicamente per Vout ~ 80% Vj (~ 0.5 V in celle al Si) 47 Esercizi −Eg kT 1. Dimostrare la relazione Jdark (T ) ≅ Ce R 2. Dato il circuito a fianco (diodo di Si), calcolare, nei casi R = 2kΩ e R = 5kΩ: a) La Id b) La potenza dissipata nel diodo. + _ 5V Id 2. Dato il circuito sotto (diodo di Si), calcolare la Vo (tensioni in V e resistenze in kΩ). (Suggerimento: utilizzare il teorema di Thevenin) 0.6 + 9 _ 0.3 Adriano Lai – Fisica dei Dispositivi elettronici – Applicazioni della Giunzione PN 0.4 Vo 48