9.3 Ketidak Seimbangan Sifat dari Sambungan p-n

Banyak sifat penting dan menarik dari sambungan p-n yang diobservasi pada kondisi tidak seimbang, seperti ketika sebuah tegangan diaplikasikan atau diilustrasikan melaui ketidak setimbangan. Kareana dari sifat alami tidak simetris, sambungan p-n akan menunjukkan sifat yang berbeda tergantung polaritas tegangan eksternal dan arus di sambungan p-n ynag ditunjukkan pada Gmabr9.9. Tegangan akan menjadi positif jika diterapkan potensial pada sisi tipe-p lebih besar dari pada diterapkan  di sisi tipe-n. Catatan bangunan V0 telah diambil menjadi positif.

gambar-9-9

Gambar 9.9 Sambungan p-n ketika dialiri tegangan ekternal V

Ketika sebauh eksternal bias diterapkan, arus difusi dan driff tidak seimbang sama sekali. Apalagi, medan listrik dan tegangan internal yang melalui sambungan p-n., penipisan lebar dan profil pita energi akan mejadi berubah.

9.3.1. Bias maju; sebuah deskripsi qualitatif

Ketika eksternal bias V diterapakan struktur sambungan p-n  yang digambarkan pada Gambar 9.9. Biasanya ada beberapa tegangan yang turun dikedua sebagain besar daerah tipe-p dan tipe-n (yaitu diluar daerah jarak muatan) disebabkan oleh hukum Ohm (pada seksi 8.2). Dengan kata lain seluruh eksternal bias tidak diterapkan melalui daerah transisi karena sebagiannya akan hilang melalui daerah netral karena hambatan listriknya.

Bagaimanapun kebanyakan peralatan semikonduktor dengan menggunakan sambungan p-n, sepanjang daerah netral yang mana arus listrik yang harus mengalir kecil, dan setiap penurunan tegangan karena itu akan diabaikan bila dibandingkan dengan perubahan tegangan di daerah transisi. Kita akan mengasumsikan bahwa eksternal bias diterapkan secara langsung pda batas daerah jarak muatan.

Dalam aturan bias maju, kesesuaian V>0, tegangan total atau potensial barier melalui daerah transisi secara aktual menurun dari V0 ke V0 – V, yang mana mempunyai sejumlah konsekwensi.  Yang pertama, kuat medan listrik internal diasosiasikan dengan potensial barier yang lebih kecil juga mengecil seperti ditunjukkan pada Gambar 9.10 (c). Hal ini pada gilirannya berarti bahwa lebar pada daerah jarak muatan diturunkan karena mutan listrik yang lebih kecil diperlukan untuk mempertahankan medan listrik seperti ditunjukkan pada Gambar 9.10 (b). Dengan kata lain, Wo diturunkan dan sekarang dilambangkan W, xn0 menjadi xn dan xp0 menjadi xp, seperti diilustrasikan pada Gambar 9.10 (a). Sebagai tegangan internal diturunkan dari nilai kesetimbangannya oleh sejumlah yang sama dengan V, profil pita energi dirubah dan sejumlah pita-pita diturunkan oleh qV, seperti digambarkan pada Gambar 9.10 (e). Ini berarti :

Pers. 9.29

Sebagai ganti Pers. 9.26. Selanjutnya kita masih dapat mempertimbangkan level energi Fermi diluar daerah jarak muatan. yaitu jumlah besar netral tipe-p (EFp) dan tipe-n (EFn), yang dletakkan pada posisi setimbang karena kita mengasumsikan tidak ada penurunak tegangan pada daerah tersebut. Oleh karena peta bending telah diturunkan oleh qV, berdasarkan Gambar 9.10 (e), kita punya;

Pers. 9.30

gambar-9-10a

gambar-9-10b

gambar-9-10c

gambar-9-10d

gambar-9-101

Gambar 9.10. (a) daerah lebar jarak muatan, (b) kerapatan muatan listrik, (c) kuat medan listrik,  (d) profil potensial, dan (e) Profil pita energi

Sebagaliknya, arus drift tidak berubah dengan adanya eksternal bias, meskipun ini mungkin terlihat bertolak belakang dengan fakta bahwa medan listrik internal lebih lemah. Hal ini dapat dipahami dengan menguji arus drift dalam model yang lebih detail. Kita lihat pada bagian 9.2 bahwa arus drift terjadi kesetimbangan yang berlawanan dengan arus difusi dari muatan pembawa dan juga terdiri dari perpindahan elektron terhadap daerah tipe n dan lubang yang berpindah terhadap daerah tipe-p. Hal ini berarti bahwa pada awalnya, arus drift terkait pada pergerakan pembahwa minor, seperti elektron pada daerah tipe-p yang mana drift menuju daerah tipe-n di bawah pengaruh medan listrik. Arus drift bertindak seperti jika dia mengekstrak pembawa minoritas dari satu sisi sambungan mengirimnya ke sisi sambungan yang lain dimana mereka adalah mayoritas pembawa. Karena kosentrasi pembawa minoritas sangat kecil (lihat Pers. 9.2), kecepatan drift sebagian besar dibatasi oleh sejumlah pembawa minoritas yang ada untuk drift (yaitu elektron pada daerah tipe-p dan lubang pada daerah tipe-n) bukan oleh kecepatan pada saat mereka akan melaju (yaitu kuat medan listrik). Kita kemudia faham sebuah eksternal bias diterapkan, dalam perbandingan arus difusi.

9.93. Bias balik: sebuah diskriptif kualitatif

Sebaliknya, dalam aturan bias balik, korespondensi V<0, total tegangan atau potensial pembatas menyebarangi daerah transisi yang ditingkatkan dari V0 menjadi V0-V, dimana juga mempunyai efek yang berlawanan dengan bias maju. Kuar medan listrik internal ditingkatkan, seperti ditunjukkan pada Gambar 9.11 (c). Hal ini memperbesar daerah lebar jarak muatan dari W0 menjadi W (dengan xn0 menjadi xn, dan xp0 menjadi xpseperti diilustrasikan pada Gambar 9.11(a)) karena beberapa muatan listrik dibutuhkan untuk mempertahankan medan listrik, seperti ditunjukkan pada Gambar 9.11(b). Karena tegangan internal ditingkatkan dari nilai setimbangnya dengan jumlah sama dengan V, profil pita energi dirubah dan jumlaah band banding ditingkatkan oleh -qV, seperti pada Gambar 9.11 (e). Total jumlah band banding maisih diberikan oleh ekspresi pada Gambar 9.29. Perubahan antar level energi Fermi diluar daerah jarak muatan masih seperti Pers. 9.30.

gambar-9-11a

gambar-9-11bgambar-9-11cgambar-9-11d

gambar-9-11e

Gambar 9.11. (a) Daerah lebar spasi muatan, (b) rapat muatan listrik, (c) kuat medan listrik, (d) profil pitensial, dan (e) profil pita energi.

Sebagai tambahan, sebaliknya dengan kasus bias maju, arus difusi dari kedua tipe dari pembawamengurangi di bawah bias balik. Bagaimanapun arus drift masih tidak berubah secara signifikan dalam perbandingan arus difusi ketika bias balik diaplikasikan, untuk alasak yang sma seperti pada diskusi sebelumnya.

9.3.3. Deskripsi kuantitatif

Kebanyakan persamaan diturunkan dari bagian 9.2 untuk asus kesetimbangan ketika tegangan eksternal bias diterapkan.


Pers. 9.31

Dengan Pers. 9.31 dan 9.23 diperoleh

Pers. 9.32

untuk V< V0, dengan jelas dapat kita lihat penipisan lebar tipis ketika sebau bias maju diaplikasikan (V>0) dimana meluas ketika bias balik diterapkan (V<0).

Pada Gambar 9.10 dan 9.11 ditentukan dari Pers. 9.25 menjadi

Pers. 9.33

hal yang sama juga , ketidak seimbangan kosentrasi lubang dan elektron pada dearah perluasan daerah jarak muatan, dinotasikan dengan p(-xp),p(xn), n(-xp), dan n(xn), dapat ditentukan dengan mempertimbangkan Pers. 9.21. menjadi

Pers. 9.34

Kita menyadari bahwa kosentrasi pembawa mayoritas ada sedikit muatan di bawah sebuah bias maju yaitu p(-xp) =pp dan n (-xn) = nn, dimana telah diganti Pers. 9.34

Pers. 9.34.1

Dengan membandingkan Pers. 9.34.1 dan Pers. 9.21 diperoleh

Pers. 9.35

Ekspresi-ekspresi tersebut menunjukkan ketika tegangan bias eksternal diaplikasikan, kosentrasi pembawa minoritas pada batas daerah spasi muatan, p(xn) dan n (p)secara langsung dan sederhana terkait pada kesetimbangan kosentrasi pembawa minoritas pn dan np dan diterapkan tegangan bias V. Semua hubungan ini akan penting dalam membuktikan penurunan persamaan dioda sambungan p-n ideal.

 

9.3.4 Kapasitas lapisan tipis

Lapisan tipis adalah terkait dengan ketiadaan kegesitan pembawa dan oleh karananya dapat dipikirkan sebagai apapun yang sama dengan deilektik pada kapasitor. Muatan positif dan negatif terpisah dengan lapisan tipis,

<<Sebelumnya|
|Selanjutnya>>