ΕΠΑΦΗ p - n Διάχυση ηλεκτρονίων Δημιουργία

Παρουσίαση με θέμα: "ΕΠΑΦΗ p - n Διάχυση ηλεκτρονίων Δημιουργία"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΕΠΑΦΗ p - n Διάχυση ηλεκτρονίων Δημιουργία
περιοχής απογύμνωσης γύρω από την επαφή και διπολικού φορτίου χώρου ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

2 ΕΠΑΦΗ p - n Το διπολικό φορτίο χώρου δημιουργεί:
Ηλεκτρικό πεδίο, που το άνυσμα της έντασης έχει την κατεύθυνση από την περιοχή n προς την περιοχή p. Є Η δημιουργία του ηλεκτρικού πεδίου επαφής εμποδίζει την παραπέρα διάχυση ηλεκτρονίων μέσω της επαφής. ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

3 Αν ρ είναι η πυκνότητα του διπολικού φορτίου (φορτίο ανά μονάδα όγκου), η ένταση ℰ του ηλεκτρικού πεδίου επαφής, υπολογίζεται μέσω του νόμου του Gauss: Κατά μήκος της επαφής (στη διεύθυνση x) ε η διηλεκτρική σταθερά του ημιαγωγού και εο η διηλεκτρική σταθερά του κενού. ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

4 Η περιοχή απογύμνωσης έχει ένα εύρος
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

5 ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

6 ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

7 ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

8 Το ενεργειακό διάγραμμα επαφής p-n
ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

9 Επαφή p-n με ορθή πόλωση
ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

10 Εξίσωση διόδου Shockley
ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

11 Επαφή p-n με ανάστροφη πόλωση
ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

12 Επαφή p-n με ανάστροφη πόλωση
β) Λόγω θερμικών διασπάσεων που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή απογύμνωσης, δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων οπών. ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

13 Επαφή p-n με ανάστροφη πόλωση
ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

14 Επαφή p-n με ανάστροφη πόλωση
β) Λόγω θερμικών διασπάσεων που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή απογύμνωσης, δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων οπών. Το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή απογύμνωσης διαχωρίζει το ηλεκτρόνια από τις οπές προκαλώντας έτσι την ολίσθηση τους προς τις ουδέτερες περιοχές. ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

15 Επαφή p-n με ανάστροφη πόλωση
Η πυκνότητα του ανάστροφου ρεύματος Jαν μια επαφής p-n, μπορεί να εκφραστεί ως: Αποδεικνύεται ότι: Lp, Ln, τα μήκη διάχυσης οπών και ηλεκτρονίων αντίστοιχα, τp ο μέσος χρόνος ζωής (λόγω επανασύνδεσης) των οπών στην n-περιοχή της επαφής και τn ο μέσος χρόνος ζωής (λόγω επανασύνδεσης) των ηλεκτρονίων στην p-περιοχή. ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

16 Επαφή p-n με ανάστροφη πόλωση
ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

17 μιας ανάστροφα πολωμένης επαφής p-n
Ενεργειακό διάγραμμα μιας ανάστροφα πολωμένης επαφής p-n ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

18 Εξήγηση του μηχανισμού της διάσπασης
Η απότομη αύξηση του ρεύματος μπορεί να είναι αποτέλεσμα δυο φαινομένων: α) του φαινομένου Zener και β) του φαινομένου χιονοστιβάδας.

19 Φαινόμενο Zener H υψηλή τιμή της έντασης του πεδίου στην περιοχή έλλειψης φορέων, μπορεί να προκαλέσει διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών, δεδομένου ότι τα δέσμια ηλεκτρόνια δέχονται μεγάλες δυνάμεις και μπορούν να αποσπαστούν από τους ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία ζευγών ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών, τα οποία συμβάλλουν στην αύξηση του ανάστροφου ρεύματος. Το φαινόμενο Ζener παρατηρείται για εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου:

20 Φαινόμενο χιονοστιβάδας

21 Εξίσωση Shockley ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

22 Δυναμική αντίσταση επαφής
Σχετίζεται με την δυσκολία των φορέων κατά την διείσδυσή τους μέσω της επαφής, επειδή επικρατούν ενεργειακοί φραγμοί. ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

23 Στατική (dc) και δυναμική (ac) αντίσταση
Mε βάσει το πρότυπο Shockley (για ορθή πόλωση): Δυναμική ή ac αντίσταση: ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ & ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

24 Αντίσταση υλικού (bulk αντίσταση)
Συμβολίζεται: Εκφράζει την αντίσταση που συναντούν οι φορείς στην περιοχή p-τύπου ( ) και στην περιοχή n- τύπου ( ). H αντίσταση επαφής σχετίζεται με την αντίσταση των φορέων στην περιοχή απογύμνωσης Η ac αντίσταση εκφράζει και τις δυο συνιστώσες: ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ & ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

25 Χωρητικότητα επαφής p-n
περίπτωση ανάστροφης πόλωσης Οι τιμές του συντελεστή m κυμαίνονται από 1/3 έως 4 ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

26 Δίοδοι μεταβλητής χωρητικότητας - δίοδοι varactor
Κατασκευάζονται ειδικές δίοδοι με κατάλληλες κατανομές προσμίξεων (με πολύ απότομο profile), που μπορούν να λειτουργούν σαν πυκνωτές των οποίων η χωρητικότητα ελέγχεται από τάση. ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

27 περίπτωση της ορθής πόλωσης
Κοντά στις περιοχές απογύμνωσης των δυο περιοχών n και p, έχουμε μια συσσώρευση (αποθήκευση) φορτίου το αποθηκευμένο φορτίο είναι ανάλογο του ρεύματος της διόδου (ορθής φοράς) χωρητικότητα διάχυσης Ακολουθεί τον ίδιο πρακτικά νόμο με το ρεύμα ορθής φοράς της διόδου ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

28 ac μοντέλο διόδου Ανάστροφη πόλωση ορθή πόλωση
ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ &ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Δ. ΤΡΙΑΝΤΗΣ

29 Η επίδραση της θερμοκρασίας στο ανάστροφο ρεύμα
εμπειρική προσεγγιστική σχέση :

30 Απάντηση : 0.53V τάση αγωγής :τάση διόδου ορθής φοράς στην οποία το ρεύμα είναι σχετικά μικρό (περίπου 1% της μέγιστης ονομαστικής τιμής του ρεύματος ορθής φοράς)

31 Απάντηση : 50mA, 35mA

32 Επαφή μετάλλου – μετάλλου
Ροή ηλεκτρονίων εως στο σύστημα επέλθει ισορροπία (ευθυγράμμιση στάθμων Fermi - κοινή στάθμη Fermi ΕF) αποτέλεσμα: δημιουργία θετικού φορτίου (έλλειμμα ηλεκτρονίων) στη επιφάνεια επαφής του μετάλλου 1 και αρνητικού φορτίου (περίσσεια ηλεκτρονίων) στη επιφάνεια επαφής του μετάλλου 2. Η εμφάνιση του διπολικού φορτίου στην περιοχή της επαφής έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας εσωτερικής τάσης επαφής:

33 Θερμοηλεκτρικά φαινόμενα
Μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική, Φαινόμενο Seebeck ή στην χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας για την μετακίνηση θερμότητας. Φαινόμενο Peltier

34 Φαινόμενο Seebeck

35 συντελεστής Seebeck: εξαρτάται από τη θερμοκρασία δηλαδή S = S(T)
Η διαφορά δυναμικού ΔV είναι θα υπολογίζεται από τη σχέση: στη θερμοκρασία των 300Κ : Cu(+1.70 μV/K), Ag(+1.38 μV/K), Au(+1.79 μV/K).

36 Θερμοζεύγη Ο συντελεστής SNi-Al ονομάζεται θερμοηλεκτρική ισχύς του θερμοζεύγους Ni-Al. Για μικρές θερμοκρασιακές διαφορές, η σχέση είναι γραμμική:

37 Το φαινόμενο Peltier Q = Π∙I∙t
Είναι το αντίστροφο του θερμοηλεκτρικού φαινομένου Μεταξύ των δύο επαφών α και β των μετάλλων Μ1 και Μ2 αναπτύσσεται διαφορά θερμοκρασίας. Η επαφή που θερμαίνεται και αυτή που ψύχεται, εξαρτάται από τη φορά του ρεύματος Η θερμότητα Q που απάγεται στην ψυχόμενη επαφή και η εκλυόμενη στη θερμαινόμενη επαφή, δίδεται από τη σχέση: Q = Π∙I∙t Π: συντελεστής Peltier, η τιμή του κυμαίνεται μεταξύ 0,5 και 5 mJ/(As)

38 Επαφές μετάλλου‐ημιαγωγού
φράγμα Schottky (ΦΒ):

39 Συνθήκες ορθής πόλωσης επαφής (εφαρμογή τάσης V) η πλευρά του ημιαγωγού λαμβάνει χαμηλότερο δυναμικό και η πλευρά του μετάλλου υψηλότερο.

40 περίπτωση της ανάστροφης πόλωσης (εφαρμογή τάσης V με το θετικό δυναμικό στον ημιαγωγό)
Το φράγμα ΦΒ παραμένει αμετάβλητο Ένα πολύ μικρό ρεύμα θα αναπτυχθεί (ανάστροφο ρεύμα), που οφείλεται στη θερμική μεταφορά ηλεκτρονίων από την περιοχή του μετάλλου προς τον ημιαγωγό, αφού υπερνικήσουν το φράγμα ΦΒ. Αυτό το ρεύμα είναι ανάλογο της ποσότητας: