1. Polovodič typu N Polovodič typu P P-N prechod Ec EF Ev E Ec EF Ev Eg = Ec - Ev 1.5. PN prechod – kontakt dierového a elektrónového polovodiča Pre intrinzický polovodič je Fermiho energia uprostred energetickej medzery Eg. Tá je rôzna pre rôzné polovodiče. Napríklad pre Si je Eg = 1.1 eV a pre Ge je Eg = 0.68 eV. Dopovaním sa vo vnútri energetickej medzery (zakázaného pásu) vytvárajú nové stavy. Elektrónové stavy tvorené donórmi vytvárajú energetickú hladinu bližšie k valenčnému pásu a Fermiho energia sa posúva bližšie k vodivostnému pásu. V polovodiči typu p sa v dôsledku dopovania akceptorovými atómami vytvará nový dierový pás bližšie k vodostnému pásu a Fermiho hladina sa posúva bližšie k valenčnému pásu.

2. Nech je akceptorová oblasť polovodiča silnejšie dotovaná ako donorová, t.j. Na> Nd. → začne difúzia majoritných nosičov náboja (elektróny z n do p a diery opačne) → vznik priestorového náboja (kladný v oblasti n a záporný v oblasti p →intenzita elektrického poľa smeruje z oblasti n do p). Pôsobením tohto poľa vzniká drift dier z oblasti n do p a elektrónov z oblasti p do n. Výmena nosičov medzi oblasťami n a p bude trvať dovtedy, pokiaľ sa nebude driftový prúd minoritných nosičov rovnať difúznemu prúdu majoritných nosičov a nenastane rovnovážny stav. V konečnom dôsledku bude prúd cez prechod nulový a poloha Fermiho hladiny bude rovnaká. V stave termodynaamickej rovnováhy bude: Oblasť p je viac dotovaná ako oblasť n a je viac vodivá → hĺbka vniku kontaktného poľa v dierovom polovodiči je menšia ako v elktrónovom, t.j. xbn> xbp. Celková hrúbka hradlovej oblasti bude:

3. V intervale – xbp< x < 0 je záporný priestorový náboj daný iónmi akceptorovej prímesi: V intervale 0 < x < xbnje kladný priestorový náboj daný iónmi donorovej prímesi: Veľkosť potenciálovej bariéry na p-n prechode je: Kde Nc a Nv sú efektívne hustoty stavov na vodivostnom a valenčnom páse

4. S uvážením vzťahu Z uvedeného vyplýva, že čím sú silnejšie dopované obidve oblasti polovodiča, tým je väčší rozdiel potenciálov. Maximálna hodnota kontaktného rozdielu potenciálov je : Napríklad pre germánium pri T = 300 K a hodnote koncentrácií Nd = nn = 1016 cm-3, pn = 1010 cm-3, Na = pp = 1014 cm-3, np = 1012 cm-3 je:

5. Určíme hĺbku vniku elektrického poľa do každej oblasti: Pre 0<x<xb s využitím vzťahuρ=ennmá Poissonová rovnica pre n oblasť tvar: Pre p oblasť -xb<x<0 s využitím vzťahuρ=-epp Z hraničných podmienok a výpočtom: Zo vzťahu vyplýva, že čim je vyšší stupeň dopovania, tým je hodnota xb menšia. t.j. pole sa rozloži prakticky iba v slabo dopovanom polovodiči.

6. xb0 eVD p Ec EFs Ev n ρ 1.7 Usmerňovanie elektrického prúdu na PN prechode Majme ideálny PN kontakt a naložme na neho napätie V. Ak je napätie pripojene v priepustnom smere, potom sa potenciálová bariéra zníži o hodnotu eV a hrúbka hradlovej oblasti sa zmení na: Šírka hradlovej oblasti pred a po aplikovaní napätia na p-n prechode Kapacita hradlovej oblasti

7. Po aplikovaní napätia bude vo vonkajšom okruhu pretekať prúd rovný rozdielu majoritných a minoritných nosičov: xb0 E(VD-V) p EFn Ev eV n xb0 p e(VD+V) eV n V prvom okamihu vytvoria v oblasti n minoritné nosiče náboja Δp kladný priestorový náboj. Ten bude zároveň vykompenzovaný majoritnými nosičmi Δn vytiahnutými z vnútra polovodiča n. Tento náboj bude kompenzovaný vonkajším okruhom. Δp – nerovnovážne nosiče náboja a ich injekcia na rozhraní. Koncentrácia dier v oblasti kontaktu je (pn je koncentrácia dier v rovnovážnom stave pred aplikovaním napätia): Analogické javy prebiehajú v oblasti p

8. J/Js -5 5 -1 eV/kT

9. Ohmický kontakt p eVD Ec EFn Ea Ev p+ Po príprave p-n prechodu (dióda, tranzostor, ...) tento prechod potrebujeme nakontaktovať na kovové elektródy. Avšak na prechode kov/polovodič by sme vytvorili dodatočný Schottkyho prechod, čo by zmenilo charakter samotnej súčiastky. Kvôli eliminácii Shottkyho kontaktov sa realizujú tzv. ohmické kontakty – pp+, resp. nn+ p je slabo dotovaná p+ je silno dotovaná (> 1019/cm3) Pri nn+ prechode je VD veľmi malé a takýto prechod nemá usmerňujúce vlastnosti. Podobne je to na prechode n+-kov. Na takýto kontakt môžeme pripojiť kovovú elektródu a kontakt sa správa ako ohmický. Kontakt môžeme vytvoriť napr. difúziou dopantov s koncentráciou nad 1019/cm3, alebo legovaním vhodného kovu. Odpor prechodu

10. Pre slabo dopovaný polovodič na kontakte kov-polovodič dominuje termoemisný prúd a odpor dostaneme derivovaním prúdu podľa V (výraz z predchadzajúcej prednášky). Z neho dostávame: Ak je polovodič silno dopovaný, potom je hradlová oblasť veľmi tenká a začína prevladať tunelový proces. Približný výraz pre tunelový prúd je:

11. Ec Ev EFp n+ p+ EFn Ec Ev =- Prieraz pn prechodu • Tepelný prieraz • Prieraz nárazovou ionizáciou • Tunelový jav Ak je xb malé a polovodič má malú Eg Tunelový efekt pre napätia V: eV ≤ 4Eg Tunelový a lavínový pre napätia V: 4Eg ≤ V < 6Eg Lavinový prieraz: eV > 6Eg Pre hustotu prúdu: