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Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 7. Vorlesung Inhalt: Rückblick 6. Vorlesung Kapitel 4.2 und 4.3 Übungsaufgaben (die Restlichen)

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1 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 7. Vorlesung Inhalt: Rückblick 6. Vorlesung Kapitel 4.2 und 4.3 Übungsaufgaben (die Restlichen) Dipl.-Phys. S. Paprotta Tel.: 762-4218, paprotta@ihw.uni-hannover.de

2 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Die pn-Diode Bauelement mit gleichrichtender Wirkung – Stromfluss ist signifikant von der Polung abhängig

3 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 DriftstromDiffusionsstrom = DiffusionsstromDriftstrom Driftstrom und Diffusionsstrom kompensieren sich exakt! =

4 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 Neutralitätsbedingung: W – gesamte Raumladungszonenweite

5 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 Elektisches Feld Potenzial Potenzielle Energie für Elektronen und Löcher

6 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 Durch das Lösen der 1D-Poison-Gleichung kann das E-Feld berechnet werden:

7 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 Potenzial: Name: eingebaute Spannung, Diffusionsspannung

8 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 Zusammenhang zwischen V 0 und Dotierung: Verknüpfung Ladungsträger – Fermi-Niveau (Boltzmann-Näherung) Verhältnis der Ladungsträger an zwei verschieden Orten Ort 1 Ort 2 (Bild ist nicht im Skript – Kasap)

9 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 Ist der Halbleiter nicht entartet dotiert, so ist die Diffusionsspannung immer kleiner E g /q.

10 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.1 Darstellung der RLZ-Weite von der Dotierung:

11 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 7. Vorlesung Inhalt : 4.2 Die pn-Diode in Flusspolung 4.3 Die pn-Diode in Sperrrichtung Übungsaufgaben Tipp: (gutes Buch) Pierret Volume I Semiconductor Fundamentals S. 1-110 Pierret Volume II The pn-junction diode S. 1 - 90

12 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 4.2 Die Diode in Flusspolung pn-Übergang Flusspolung? Was passiert dann?

13 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 pn-Übergang Flusspolung? Was passiert dann? np n + -

14 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 pn-Übergang Flusspolung? Was passiert dann? np n + - Die äußere Spannung fällt nur über der RLZ ab (V 0 -V) Die RLZ wird kleiner Elektrisches Feld wird kleiner, Diffusionsstrom wird nicht mehr vollständig kompensiert Majoritätsträger werden ins gegenüberliegende Gebiet injiziert

15 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Injektion von Majoritäts- träger auf die gegenüber liegende Seite Veränderung des Potenzials durch die äußere Spannung In Flusspolung

16 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 (Bild ist aus Pierret entnommen) pn-Übergang in Flusspolung

17 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Erhöhung der Minoritäten am Rand der RLZ in Boltzmann- Näherung: Gesetz des Übergangs

18 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Konsequenzen der Erhöhung der Minoritätsträger an den Raumladungszonen Grenzen: Minoritäten diffundieren zu den Kontakten Auf dem Weg zu den Kontakten findet Rekombination mit den jeweiligen Majoritätsträgern statt Majoritätsträger, die durch Rekombination verschwunden sind, werden durch die äußere Spannungsquelle an den Kontakten ersetzt Es findest ein Stromfluss statt, der durch injizierte Minoritäts- träger hervorgerufen wird.

19 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Herleitung des Diffusionsstroms am Beispiel der Löcher: 1.Sind die Kontakte weiter als eine Diffusionslänge von der RLZ entfernt, so nehmen die injizierten Minoritäten Exponentiell auf den Gleichgewichtswert ab 2.Aus diesem Verlauf der Minoritätsträgerkonzentration kann der Strom berechnet werden.

20 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Am Rand der RLZ im n-Gebiet fließt also folgender Strom: Umschreibung mit Hilfe des Massenwirkungsgesetz

21 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Überlegungen zum Gesamtstrom in der pn-Diode

22 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Führt man die gleichen Überlegungen für die Elektronen durch, erhält man folgende Gleichung: Ideale Dioden-Gl. Schockley-Gl. Einige Konsequenzen: Diodenstrom wird mit größerer Bandlücke kleiner

23 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Diodenströme in Abhängigkeit verschiedener HL

24 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Kurze Diode: Der Abstand der RLZ zu den Kontakten ist viel kleiner als die Diffusionslänge.

25 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 In einer kurzen Diode findet keine Rekombination bis zwischen RLZ und Kontakt statt. l – Abstand zu den Kontakten

26 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Abweichung von der idealen Diode: Rekombination in der RLZ

27 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Gesamtstrom: idealer Diodenstrom + Rekombinationsstrom Empirische Formel: J 0 und sind dabei anzupassende Parameter. liegt immer zwischen 1 und 2; Idealitätsfaktor.

28 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.2 Beispiele für verschiede Idealitätsfaktoren

29 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 4.3 Die pn-Diode in Sperrrichtung Was bedeutet Sperrpolung? np n + - Konsequenz: Die RLZ wird jetzt noch vergrößert. Die Spannung fällt wieder hauptsächlich über der RLZ ab. Majoritätsträger entfernen sich von der RLZ Es fließt nur ein kleiner Strom, der durch die Diffusion der Minoritäten in die RLZ getragen wird.

30 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.3 Banddiagramm in Sperrrichtung Kennlinie Entnommen aus Pierret

31 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Weiter 4.3 Sperrstrom:

32 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 20.05.2003 Übungsaufgaben


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