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Kontakte zwischen verschiedenen Materialien sind wichtig; in Stromkreisen sind
sie unvermeidbar. | |
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Die IU-Kennlinie kann kompliziert sein; sie ist nicht notwendigerweise
"Ohmsch", d.h. linear. | |
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Reale Kontakte sind nicht die "idealen" Kontakte der Theorie: Nicht verwechseln! |
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Halbwegs "ideale" pn-Übergänge sind nicht leicht herzustellen |
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Die Oberfläche hat eine andere Bandstruktur als das Volumen, insbesondere
gibt es viele Zustände in der Bandlücke. | |
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Auch der Übergang Halbleiter - Oberfläche ist damit ein Kontakt! |
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Grundprinzip bei Kontakt: Ladungen verschieben sich in Richtung möglicher
Energiegewinn. (Elektronen "nach unten"; Löcher "nach oben"). |
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Dadurch entstehen elektr. Felder, Potentialunterschiede und Bandverbiegungen zwischen links
- rechts. | |
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Im Gleichgewicht: Energiegewinn (= DEF)
= Potentialunterschied links- rechts. | |
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Einfaches Rezept für Konstruktion Banddiagramm bei Kontakten Þ |
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1. | Zeichne die Fermienenergie als horizontale Linie; markiere den Kontakt. |
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Zeichne "weit" links vom Kontakt das Banddiagramm von Material 1; weit rechts das von Material 2; immer relativ
zu der bereits festgelegten Fermienergie. | 3. |
Verbinde Leitungs- und Valenzband durch eine "gefühlsmäßig" gezeichnete Bandverbiegung. |
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Wesentliche Größe: Raumladungszone (RLZ) |
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Weite dRLZ der Raumladungszone ist verhältnismäßig
leicht versteh- und errechenbar ("Kondensatormodell"). | |
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dRLZ skaliert grundsätzlich mit (Potentialunterschied)1/2
und (Dotierung/Ladungsträgerdicht)– 1/2 |
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Banddiagramm pn-Übergang im Gleichgewicht: |
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Ströme in jedem Band sind entgegengesetzt gleich groß. |
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Zwei grundsätzliche Sorten:
- Majoritätsladungsträger fließen "bergauf" = Vorwärtsstrom
jF (Diffusionsstrom, Rekombinationsstrom).
- Minoritätsladungsträger fließen "bergab" = Rückwärtsstrom
jR (Feldstrom, Driftstrom, Generationsstrom).
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Im GG gilt jR = – jF. |
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Rückwärtsstrom jR sofort verständlich; |
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jR = – jF = |
– e · L · nMin
t | = |
– e · L · (ni)2
NA · t |
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- Proportional zum "Einzugsgebiet, d.h. Diffusionslänge L.
- Proportional zur Generationsrate G = nMin/t.
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"Radfahrermodell" zur Veranschaulichung |
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Mit externer Spannung Uex ändert sich die Höhe der Energiebarriere.
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jF(Uex) |
= – jR · exp |
eUex kT |
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Nur der Vorwärtsstrom ändert sich (mit einem Boltzmannfaktor). |
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Die komplette Strombilanz führt sofort auf die (elementare) Diodengleichung. |
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j(Uex) = |
æ ç è |
e · L ·nMin(L)
t | + |
e · L ·nMin(V)
t | ö ÷ ø
| · |
æ ç è | exp |
eUex kT |
– 1 |
ö ÷ ø |
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Gilt nur für ideale Diode ohne Berücksichtigung von Ladungsträgergeneration
in der RLZ. | |
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Berücksichtigung RLZ ist tricky, aber leicht zu veranschaulichen:
Ein weiterer Term ist zur Stromgleichung zu addieren. | |
j = |
æ ç è |
e · L · ni 2
t · NA |
+ |
e · L · ni 2
t · ND |
ö ÷ ø |
· |
æ ç è |
exp | eU
kT | – 1 |
ö ÷ ø |
| + |
e · ni · dRLZ(U) t |
æ ç è |
exp | eU
2kT |
– 1 |
ö ÷ ø |
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Konsequenz: Für Halbleiter mit "großer" Bandlücke (schon für
Si) dominiert der RLZ Term in Rückwärtsrichtung; d.h. der Leckstrom einer Si Diode wird durch
den RLZ Beitrag dominiert. | |
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Solarzelle = großflächiger pn-Kontakt |
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Kennlinie mit wesentlichen Parametern
- Leerlaufspannung
- Kurzschlußstrom
- Füllfaktor
- Arbeitspunkt
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Lichtabsorption produziert zusätzliche Minoritäten; fließen ab
als Photostrom falls sie bis zur RLZ diffundieren können. |
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Damit große Diffusionlsänge erforderlich. |
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Wirkungsgrad begrenzt durch
- Nicht absorbierte Photonen (Zahl steigt mit zunehmendem EG)
- Verlorene Überschußenergie Photon (Wird größer mit abnehmendem EG
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Optimales EG
» 1,5 eV mit hmax
» 30 % | |
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Si Solarzellen: hmax
» 25 %; htech
» 15 %. | |
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Bipolar Transistor |
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npn- oder pnp-Struktur mit dünner Basis. |
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Die Emitter-Basisdiode wird in Vorwärtsrichtung betrieben und injiziert die Majoritätsladungsträger
des Emitters in die Basis. | |
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Dort diffundieren diese Ladungsträger bis zum Kollektor, wo sie durch das elektrische
Feld der in Rückwärtsrichtung gepolten Basis-Kollektordiode "abgesaugt" werden |
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Damit Stromverstärkung möglich mit |
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MOS Transistor |
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Prinzip: Schaffung eines Kanals unter dem Gate mit derselben Ladungsträgerart wie Source/Drain. |
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Dazu nötig: Inversion: Reduzierung der Majoritätsladungsträgerkonzentration
durch elektrostatische "Abstoßung" direkt unter dem Gate bis (durch Massenwirkungsgesetz) die Minoritätsladungsträger
überwiegen. | |
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Schwellspannung (Threshold Voltage): Notwendige Spannung zur Erreichung der Inversion; einstellbar
durch Technologieparameter (insbesondere Dicke des Gate Dielektrikums). |
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© H. Föll (MaWi 2 Skript)