· EEM214

EEM214 Elektronik I: Ders 3 – Taşıyıcı Hareketi (Carrier Action) ve P-N Eklemi

EEM214 – Elektronik I · 17.02.2012 · 16.10.2026

Bu yazı, Başkent Üniversitesi EEM214 Elektronik I dersinin Lecture 3: Carrier Action sunumunun içeriğidir. Sunum dersin öğretim elemanı Yrd. Doç. Dr. Derya Yılmaz'ın ders slaytları arasında yer alıyor (son düzenleme Şubat 2012); kapak slaytında Luis G. Sison'un (University of the Philippines – Diliman) adı geçiyor, yani slaytlar onun ders notlarından uyarlanmış. Konu: taşıyıcıların sürüklenme (drift) ve difüzyonla hareketi, ardından bu bilgilerle P-N ekleminin nitel davranışı. Slaytlar İngilizce olduğu için metinler de İngilizce aktarıldı; bant diyagramları sayfa görselleriyle verildi. Arşivde bu sunumun 19 slaytlık daha kısa bir kopyası da vardı; burada 24 slaytlık tam sürüm kullanıldı. Sunumun orijinal dosyası yazının sonunda indirilebilir.

Causes of carrier motion

  • Drift: caused by electric field (or potential difference)
  • Diffusion: caused by difference in concentration of carriers
Sürüklenme: dış gerilim altında deliklerin alan yönünde, elektronların ters yönde hareketi; difüzyon: yoğunluk farkından doğan hareket
Causes of carrier motion

Drift currents

Drift current density:

  • J_P|drift = q·μ_p·p·ε for holes
  • J_N|drift = q·μ_n·n·ε for electrons

Terminal velocity is reached for high E-fields.

Mobilities

Material (room temperature)μ_pμ_n
Si (almost pure)≈ 460 cm²/V·s (at N_A = 10¹⁴/cm³)≈ 1360 cm²/V·s (at N_D = 10¹⁴/cm³)
GaAs (high purity)≈ 400 cm²/V·s (at N_A ≤ 10¹⁵/cm³)≈ 8000 cm²/V·s (at N_D ≤ 10¹⁵/cm³)

Electrons are faster than holes.

Doping dependence: mobility decreases as a result of increased scattering by ionized impurities. Temperature dependence: for N_D = 10¹⁴ … 10¹⁸ cm⁻³, μ_n falls as T rises from 10² K toward 10³ K; the effect is weaker at heavy doping.

Elektron ve delik mobilitesinin katkı yoğunluğuna göre değişimi (10¹⁵–10¹⁹ cm⁻³)
Doping dependence of mobility

Resistivity and doping

  • J = (1/ρ)·ε, ρ = 1 / (q·(μ_n·n + μ_p·p))
  • Effect of doping: ρ = 1/(q·μ_n·N_D) for n-type, ρ = 1/(q·μ_p·N_A) for p-type

Diffusion current density

Diffusion is driven by the concentration gradient:

  • J_P|diff = −q·D_p·∇p
  • J_N|diff = q·D_n·∇n

Einstein relationship (summary)

  • D_N/μ_n = kT/q for electrons
  • D_P/μ_p = kT/q for holes

Units of diffusion constant: cm²/sec.

Total currents

  • J_P = q·μ_p·p·ε − q·D_p·∇p (drift + diffusion)
  • J_N = q·μ_n·n·ε + q·D_n·∇n
  • J = J_P + J_N

Band bending

With no external voltage E_c and E_v are flat. With an applied voltage the bands tilt: the voltage increases in the direction opposite ε, since ε = −∇V.

Dış gerilim uygulanınca enerji bantlarının eğilmesi
Band-bending

Energy-voltage relationship

The energy diagram is the flipped graph of voltage:

P.E. = −qV = E_c − E_ref

Therefore the electric field is proportional to the slope of the energy diagram:

ε = −∇V = (1/q)·dE_c/dx = (1/q)·dE_v/dx = (1/q)·dE_i/dx

Questions on the slide: sketch the ε of the material with a given band diagram; what is the direction of drift for each of the charge carriers shown?

Depletion region formation

  • Before equilibrium, carriers near the junction recombine.
  • At equilibrium a depletion region forms; outside it are quasi-neutral regions with negligible ε-field.
  • Q: Sketch V(x) using ε = −∇V.
P-N ekleminde dengeden önce ve dengede boşaltılmış bölge ile yarı-nötr bölgeler
Depletion region formation

Non-uniform doping

  • Electrons diffuse from the high N_D area to the low N_D area …
  • The Fermi level equalizes across the material …
  • But relative energy levels in each area (far from the junction) remain constant

… which results in band-bending. In equilibrium:

  • J_P = q·μ_p·p·ε − q·D_p·∇p = 0
  • J_N = q·μ_n·n·ε + q·D_n·∇n = 0

Band bending sets up an electric field stopping further diffusion. (Q: In which direction is the electric field caused by band bending?)

Düzgün olmayan katkılamada Fermi seviyesinin eşitlenmesi: önce ve sonra bant diyagramı
Non-uniform doping: before and after

Built-in potential

The internal potential V_j is the sum of the built-in potential V_bi plus any externally applied potential V_d.

P-N ekleminde qV_bi kadar bant bükülmesi, V(x) ve ε(x) profilleri
Built-in potential

Energy levels are related to charge concentrations by the following equations:

  • N_A ≈ p = n_i·e^((E_i − E_F)/kT)
  • N_D ≈ n = n_i·e^((E_F − E_i)/kT)

From qV_bi = a + b we get:

V_bi = (kT/q)·ln(N_A·N_D / n_i²)

Yerleşik potansiyelin p ve n bölgelerindeki E_F − E_i farklarından (a ve b) türetilmesi
Built-in potential V_bi

Q: Suppose N_A = N_D = 10¹⁴/cm³ for Si at 300 K. Compute V_bi. Sketch the energy band diagram of the diode. Compute the spacings between E_F and E_i at both ends of the diode.

P-N junction under bias

At V_d = 0, drift and diffusion currents of electrons and holes balance each other.

V_d = 0'da P-N ekleminin bant diyagramı; sürüklenme ve difüzyon akımları dengede
P-N junction at V_d = 0

P-N junction electrostatics: the built-in voltage has opposite polarity to V_d. (1) V_d > 0 (2) lowers V_bi to V_j (3) raises E_c to E_c′ by qV_d.

İleri yönlü gerilimin yerleşik potansiyeli V_j'ye düşürmesi ve E_c'yi qV_d kadar yükseltmesi
P-N junction electrostatics
İleri ve ters kutuplanmış P-N ekleminin bant diyagramları: ileri yönde difüzyon akımları büyüyor
Forward-biased P-N junction
Ters kutuplanmış P-N ekleminde bariyerin yükselmesi ve difüzyon akımlarının küçülmesi
Reverse-biased P-N junction

Summary of qualitative diode behavior

  • Fermi level no longer flat when net currents flow – use quasi-Fermi levels
  • When the diode is forward-biased, "ON" current is mainly diffusion current: electrons diffuse from N to P region, where they become minority carriers; similarly, holes diffuse from P to N …
  • Minority carrier diffusion dynamics are important! – leads to the ideal diode equation

Lecture3_carrieraction1.ppt

PowerPoint (.ppt) · 921 KB · 24 · 17.02.2012

⬇ (921 KB) ⬇ (499 KB)