doping in halfgeleiders eigenschappen van de p-n overgang

Presentatie over: "doping in halfgeleiders eigenschappen van de p-n overgang"— Transcript van de presentatie:

1 Overzicht derde college SVR “Actieve electronica: dioden & transistoren”
doping in halfgeleiders eigenschappen van de p-n overgang enkele schakelingen met dioden Transistoren (bipolair) slim gebruik van p-n-p en n-p-n overgangen emitter - basis - collector differentiële versterking enkele schakelingen met transistoren

2 Electrische geleiding vertoont veel spreiding
Metalen ijzer 1.5 x 10-7 m koper 2.2 x 10-8 m koper (77K) 0.2 x 10-8 m Isolatoren geleiding beperkt door onzuiverheden > 1010 m Halfgeleiders “float-zone refined” silicium 1.0 x 102 m silicium met 4 x 1015 cm-3 n-doping 1.0 x 10-2 m silicium met 2 x 1016 cm-3 p-doping 1.0 x 10-2 m (atomaire dichtheid silicium 1.4 x 1022 cm-3)

3 Halfgeleiders Halfgeleiders geleiden half (tussen metaal en diëlectricum) Bijna alle elektronen zijn “afgepaard” Kleine badgap (beetje thermisch aangeslagen vrije lading) Voorbeelden van halfgeleiders Silicium Germanium, Gallium-arsenide (GaAs), … Doping bepaald elektrische eigenschappen n-silicium door toevoeging van donoren: 5-waardig (N, P, As) p-silicium door toevoeging van acceptoren: 3-waardig (B, Al, Ga)

4 Electron bandstructuur van Silicium
Indirecte bandkloof (bandgap)  1.1 eV Soorten ladingsdragers: Elektronen Gaten (3 soorten) Licht Zwaar Split-off

5 Doping van halfgeleiders “n- & p-type”
Doping in ppm (10-6) range Large effect on concentration of free carrier, because hardly any carriers in undoped material (paired electrons) most doping atoms releases their “excess charge” n-type p-type N.B. gat  positron

6 Contact tussen p en n type halfgeleider
Fermi niveau  = Chemische potentiaal Hook & Hall 6.1

7 Formelere beschrijving van p-n overgang
Bezettingsgraad niveaus = Fermi-Dirac verdeling Chemische potentiaal = Fermi-niveau =  losse delen: p-type n-type verbonden: Fermi niveau 

8 De p-n overgang Meerderheids ladingsdragers combineren op grensvlak
Verarmingslaag Ingebouwde potentiaalsprong (niet direct meetbaar) Balans: diffusiestroom van meerderheidslading, spanningsgedreven stroom van minderheidslading Regtien-9.1

9 p-n overgang in detail Vraag: Welke ladingsstromen lopen er in evenwicht ? Wat verandert er “uit evenwicht”?

10 Internal structure of p-n junction
Hook & Hall 6.2

11 p-n junction under bias conditions
Forward bias: Reverse bias: Question: What is the thickness of the depletion region? What happens with the drift & diffusion current? Hook & Hall 6.3

12 Karakteristieken van p-n overgang
Drie regiems: Zener, Sper (reverse), Voorwaards (forward) kT/q = 25 meV (kT bij kamertemp.) kT/q = 25 meV I0 sperstroom of lekstroom (Uk  0.6 V) Vraag: Wat is de differentiële weerstand van een diode ? Regtien-9.2 & 9.3

13 Ladingstransport in Zener regiem
Hook & Hall 6.5

14 1. Spanningsbegrenzing met diodes
(Uk  0.6 V) Regtien-9.6

15 2. Maximumzoeker met diode
Regtien-9.8

16 Gelijkrichting met diodes
Diodebrug van Graetz Regtien-9.13

17 Wat is U0/Ui in dit schema ?
Regtien-opg.9.6

18 Bipolaire transistoren
Twee dioden “zij-aan-zij” Regtien-10.1

19 Ladingstransport in bipolaire transistor
Het geheim van de bipolaire transistor: dunne basislaag ( m) doorschietende ladingsdragers Hoe werken bipolaire transistoren? Bij n-p-n transistor staat emitter-basis overgang open. Elektronen uit emitter schieten door dunne basislaag en bereiken basis-collector overgang (die in sper staat). Het interne electrische veld trekt ze door de verarmingslaag (depletion zone) heen. Bij voldoende dunne basislaag zullen de meeste elektronen doorschieten van emitter naar collector, slechts een klein deel bereikt de basis => IC >> IB Regtien-10.1

20 Ladingstransport in detail

21 Ladingstransport in detail
Hook & Hall 6.8

22 Karakteristieken van bipolaire transistor
1. Spanningsgestuurde stroombron 2. Stroomversterkingsfactor  UBE  0.6 V   Regtien-10.2

23 Transistoren (een kort overzicht)
Nulde-orde aanpak: 1. Transistor open bij vast voltage VBE  0.6 V 2. Basis trekt vrijwel geen stroom (»1) Eerste-orde aanpak: 1. VBE verandert toch een beetje (eindige steilheid s = 1/Rdiff ) 2. Eindige “stroomversterking ” Toepassingen van transistoren Voltage-stroom omzetter (Regtien §10.2.1) Voltage versterker (Regtien § en ) Emitter volger = buffer versterker (Regtien §10.2.4)

24 Vervangingsschema transistor
Gebruik als spannings-stroom omzetter Vraag: Wat is de relatie tussen IC en Ui ? Regtien-10.5 & 10.6

25 Transistor als spanningsversterker
Instelling werkpunt is heel belangrijk !! Differentiële versterking rond werkpunt Regtien-10.7 & 10.10

26 Transistor als spanningsversterker
Instelling werkpunt is heel belangrijk !! Differentiële versterking rond werkpunt UB(t) = UB,0 + ui sin(t) UC(t) = UC,0 + uo sin(t+) A = uo/ui Regtien 10.10

27 Vervangingsschema AC spanningsversterker
Spanningsversterker met instelling basisspanning capacitieve koppeling van ingang en uitgang Regtien-10.11

28 Vergroting van hoogfrequente versterking
Extra condensator ! Regtien-10.12

29 Emittervolger (als bufferversterker)
Vb. RE = 10 k, Iwerk = 1.0 mA,  = 200 => Rin = RE/  = 2 M Rout = re = 25  Regtien-10.13

30 Samenvatting SVR3 Halfgeleiders & doping Dioden als p-n overgang
Transistoren uit p-n-p en n-p-n overgangen Schakelingen met dioden & transistoren Spanningsbegrenzers & piekzoekers Spanningsstroomomzetters Spanningsversterkers, … ZELFSTUDIE: Regtien Hoofdstukken 9, 10, 11