Appunti esame Struttura della materia

Concentrazioni di portatori in Si drogato

D14 18 3accettori N sono tipicamente dell’ordine da 10 a 10 atomi al cmALe concentrazioni di portatori n e p in Si drogato possono essere calcolate facilmente usando ledue seguenti relazioni:Neutralitào LAMo 2niIn Si drogato N n = N e p = D n2n iIn Si drogato P = N e p =n A pLe concentrazioni di portatori n e p differiscono tra loro di ordini di grandezzan >> pIn Si di tipo N: si ha dove le lacune sono portatori minoritari e gli elettroni sonoportatori maggioritarip >> nIn Si di tipo P: si ha dove le lacune sono portatori maggioritari e gli elettroni sonoportatori minoritariConducibilità e DrogaggioσConducibilità totale è la somma delle conducibilità dovute a elettroni e lacune:TIndipendentemente dal tipo di drogaggio, si ha in ogni caso un aumento della conducibilitàrispetto al caso intrinsecoEffetti fondamentali del drogaggio:Aumento della conducibilità rispetto al caso intrinsecoo Conduzione per

elettroni (per drogaggio N) o per lacune (per drogaggio P) o Moto di diffusione

Possiamo avere corrente nei semiconduttori anche senza avere un campo elettrico, la causa è la diffusione. avere diffusione moti di diffusione corrente di diffusione

Possiamo (se le particelle sono cariche) Se la concentrazione non è uniforme si dice che c'è un gradiente di concentrazione. Questo gradiente provoca diffusione, se le particelle sono cariche si parla di corrente. Se in un semiconduttore esiste una concentrazione di portatori non uniforme, ossia non costante nello spazio, i portatori tendono complessivamente a muoversi dalla regione in cui sono più numerosi a quella in cui sono meno numerosi. Tale moto si definisce moto di diffusione. La diffusione non è causata dalla repulsione elettrica tra i portatori, il fenomeno infatti accade in generale anche in altri mezzi e per particelle non cariche. La diffusione origina il gradiente di concentrazione, se si

Considerano portatori come particelle dotate di carica elettrica, il moto di diffusione determina una corrente elettrica associata chiamata corrente di diffusione.

Abbiamo tante particelle h+ a sinistra e poche a destra. Questo vuol dire che si ha un gradiente impostante. Le lacune tendono a muoversi lungo essendo le lacune cariche positivamente, questo indica che avremo una corrente di diffusione verso destra.

Corrente di diffusione associata a distribuzione non uniforme di lacune.

Se fosse piatta, non ci sarebbe gradiente. In questo caso abbiamo una distribuzione non uniforme, siccome gli elettroni sono carichi negativamente, avremo una corrente di diffusione verso sinistra.

Corrente di diffusione associata a distribuzione non uniforme di elettroni.

Giunzione PN

Primo riquadro: tante lacune h e pochi elettroni e+

Secondo riquadro: tanti elettroni e- e poche lacune h+

Una regione drogata P e una regione drogata N sono affiancate a formare una giunzione.

Inizialmente i maggioritari si muovono per

diffusione verso la regione opposta a causa del forte gradiente di concentrazione a cavallo della giunzione. (solo le cariche vicine alla giunzione) Abbiamo una corrente di diffusione dal lato P al lato N, solo nel primo istante finché qualcosa non la controbilancia. Al procedere con la diffusione si crea una regione centrale svuotata di portatori in cui si contrappongono cariche fisse di segno opposto dovute agli atomi che restano ionizzati. (Gli elettroni che passano al lato p lasciano uno ione. Ciò genera un campo elettrico E detto campo di barriera/campo+). elettrico di giunzione, che a sua volta genera una corrente di deriva con verso opposto alla corrente di diffusione. Si stabilisce un equilibrio dinamico in cui la corrente di deriva controbilancia la corrente di diffusione. All'equilibrio la corrente netta attraverso la giunzione è nulla. Dove c'è campo elettrico c'è differenza di potenziale ф. Al campo elettrico di barriera E è

associata una differenza di potenziale che viene definita barriera di potenziale o anche interno della giunzione o di contatto.

LEZIONE 5

Polarizzazione del diodo

Polarizzazione diretta Polarizzazione indiretta V favorisce il moto dei D maggioritari

Il diodo conduce

La corrente I è sensibile

La regione di svuotamento si restringe

φφφπφφ V favorisce il moto dei D minoritari

Il diodo NON conduce

La corrente I è quasi nulla

La regione di svuotamento si allarga

Caratteristica I/V del diodo

Dove V = = tensione termica = circa a 25mV a temperatura Tambiente

I = corrente di saturazione inversa

S Caratteristica non lineare ma esponenziale, I e V non D D sono legati da proporzionalità.

In polarizzazione diretta il diodo conduce e I cresce rapidamente con V D.

In polarizzazione inversa il diodo non conduce e si ha solo una debole corrente I negativa indipendente da SVD

Modello semplificato del diodo

Si approssima la caratteristica non lineare del diodo con un comportamento

lineare attratti. A seconda della polarizzazione il diodo viene approssimato da un circuito aperto o da un circuito chiuso (</code>). Il componente così ottenuto si definisce diodo ideale. Emissione di luce in giunzione PN In una giunzione PN polarizzata direttamente i portatori maggioritari iniettati nelle regioni opposte tendono a ricombinarsi con i maggioritari locali. In semiconduttori con proprietà opportune la ricombinazione può essere associata a emissione di fotoni. Il fenomeno viene definito elettroluminescenza e il meccanismo è la ricombinazione radiativa. La ricombinazione radiativa è sfruttata nei diodi emettitori di luce (LED). Vari tipi di LED - Indicatori spie luminose - Display a 7 segmenti Il colore della luce di un LED dipende dal semiconduttore utilizzato per realizzarlo: hcE = hf = Eg λ = fotone fotone Eg Led a luce bianca Ci sono due metodi per generare luce bianca: - Mix di colori primari emessi tra 3 diversi LED - Utilizzo di un LED blu oUVoI led a luce blu (inventati nel 1990) hanno costituito il passaggio per lo sviluppo dei led a luce bianca e delle lampadine a led per l'illuminazione. Efficienza dei led - Efficienza quantica interna (tipico 50-80%): IQE - Frazione di cariche della corrente diretta del led che produce ricombinazione radiativa, ossia generazione di fotoni - Efficienza di estrazione (tipico 40-70%): EE - Frazione di fotoni generati che effettivamente esce dal semiconduttore sotto forma di luce emessa - Efficienza quantica esterna EQE - Frazione di cariche della corrente diretta del led che si trasforma in fotoni emessi dal dispositivo sotto forma di luce La EQE è correlabile alla efficienza energetica dei led come sorgente luminosa. Organic led Sono costituiti da strati di materiali organici su sub-strato trasparente. Polarizzando viene emessa luce tramite ricombinazione radiativa elettroni-lacune. I singoli OLED sono organizzati in matrici righe-colonne i cui pixel sono comandati da transistor. Diodi laser Mentre

i led funzionano con emissione spontanea, i laser funzionano con emissione stimolata: la ricombinazione lacuna ed elettrone con conseguente emissione di fotone è stimolata da un altro fotone e sincronizzata con questo. Mantenere un eccesso di elettroni in livelli energetici elevati determina un' amplificazione della luce che risulta costituita da eventi tra loro correlati: luce coerente. La presenza di una cavità ottica contribuisce all' amplificazione dell' intensità luminosa. La cavità è formata da due specchi, uno minimamente trasparente.

RIPASSO LEZIONE 5

L' energia W viene assorbita e giunge in profondità, ma una certa r W0 0 viene riflessa. r W Il valore non ci interessa, a noi serve (1-r) W che è la quantità di luce che raggiunge la profondità.

Assorbimento radiazione EMI

Hipotesi dW = densità di potenza α = coefficiente di assorbimento

W(x) = densità di potenza dx = spessore- αxW(x) =

(1-r)W e più0α è grande, più rapidamente la radiazione viene assorbita. Ogni materiale ha il suo α

LEZIONE 6

Cosa succede quando arriva la luce?

La radiazione EM interagisce con un semiconduttore e quando i fotoni vengono assorbiti, uno diessi eccita un elettrone della banda di valenza e crea una coppia lacuna-elettrone. Questo“FOTOECCITAZIONE”fenomeno si chiama

Ma se l’energia del fotone non è abbastanza grande questofenomeno non avviene, cioè i fotoni non vengono assorbiti.

Con che energia si presenta il fotone con il silicio?

E = hf > Egfotone

Soglia minima di energia (frequenza)f > f = Eg/hmin

Coefficiente di assorbimentose energia fotoni < Eg, il coefficiente di assorbimento α è pari a zero

se energia fotoni > Eg, i fotoni vengono assorbiti e rilasciano l’energia in eccesso

sotto forma di calore

Effetto fotoconduttivo in silicio n p,I portatori fotogenerati aumentano le concentrazioni

si abbassa la tensione di soglia e aumenta la corrente che lo attraversa.la sua caratteristica è traslata verso il basso. I = I – I = Is [e – 1]VD/VTD L- I L Con I diversa da Lzero Dato il circuito con un diodo possiamo avere due casi: CASO 1 Mettiamo un filo agli estremi del circuito, quindi la corrente I sarà uguale a zero. In questo caso, la tensione ai capi del diodo sarà VD = VTD. CASO 2 Mettiamo una resistenza R agli estremi del circuito, quindi la corrente I sarà diversa da zero. In questo caso, la tensione ai capi del diodo sarà VD = VTD – IR.