9.4 Deviasi Kasus Diode Ideal p-n

Sebelum menurunkan persamaan dioda ideal di bagian sebelumnya,  perlu kita membuat beberapa asumsi. Pada kenyataannya, asumsi ini tidak selalu berlaku, dan persamaan dioda ideal hanya memberikan kualitatif perjanjian dengan pengukuran yang sebenarnya dari karakteristik I-V real p-n junction dioda. penyimpangan ini dari kasus yang ideal terutama karena: (a) generasi operator di daerah deplesi, (b) effect kebocoran permukaan di pinggiran persimpangan nyata, (c) rekombinasi operator di daerah penipisan , (d) kondisi tinggi-injection (ketika suntikan pembawa minoritas melebihi kepadatan doping), dan akhirnya (e) semua diterapkan bias tidak dijatuhkan di daerah penipisan karena efek resistansi seri. Diviasi di atas diilustrasikan pada Gambar. 9.18.

gambar-9-18

Gamar 9.18. Karakteristik I-V untuk real Si sambungan diode p-n (padat) tidak secara tepat sesuai perilaku sambungan diode Si yang diprediksi oleh Model Diode Ideal (yang ditandai titik-titik). Sebuah diode Si real menunjukkan mengikuti deviasi dari diode ideal.

9.4.1. Deviasi Bias Balik dari kasus Dioda

Sebagian dari deviasi kebocoran arus dari ideal arus saturasi pembalik muncul dari suhu generasi di sepasang pasangan elektron-lubang dengan daerah jarak muatan. Bult-in medan listrik memisahkan pembawa dan mereka melintas ke arah daerah netral dioda. Drift ini hasil dalam sebuah akses arus yang dalam tambahanya untuk difusi dari pembawa minoritas, dibahas dalam kasus ideal. Pada seksi 8.6 pendahuluan konsep generasi pembawa, dan sepanjang generasi rata-rata suhu persatuan volume Gt(T), yang diekspresikan pada cm-3s-1. Semenjak volume lapisan penipisan  adalah sama dengan WA, asumsukan tidak ada recombinasi yang terjadi, arus yang menyebabkan generasi dalam daerah penipisan adalah

Pers. 9.59

dibawa pengaruh arus bias balik, yang kemudian diekspresikan sebagai jumlah dari difusi dan komponen generasi :

Semenjak lapisan lebar tipis (w) tergantung terhadap bias yang diaplikasikan, arus balik dari dioda sekarang menunjukkan sebuah bias ketergantungan; seperti bias balik yang ditingkatkan, lapisan tipis dilebarkan, dan juga peningkatan arus regenerasi yang mengarah pada hubungan peningkatan dalam kebocoran arus balik sebagai sebuah fungsi dari bias yang diterapkan. Bahkan akses pembawa yang meningkat dari suhu generasi, hal tersebut memungkinkan terjadi eksitasi foto eksternal untuk membuat pembawa dalam daerah tipis – hal ini merupakan kasus fotodiode.
Kebocoran arus ini selanjutnya digabung dengan kebocoran permukaan. Efek kebocoran permukaan disebabkan oleh taraf keterbatasan dari luas sambungan p-n, dan karakteristik dari sambungan yang menjadi keliling dari dioda. Hal ini berhubungan dengan muatan ionik di dalam atau di luar semikonduktor yang menyebabkan korespondensi gambar muatan dengan semikonduktor. Muatan tersebut membuat daerah permukaan tipis sendiri yang mengakibatkan sebagai saluran konduksi pararel yang memotong sambungan p-n dan mengizinkan arus mengalir sepanjang permukaan diode. Secara khusus kebocoran arus ini meningkat dengan bias balik

9.4.2. Deviasi bias maju dari kasus idela
Dibawah pengaruh rekombinasi bias maju mendominasi proses generasi. Bahkan menyumbang pembawa yang hilang ke rekomninasi, jumlah arus eksternal mengalir melalui dioda yang ditingkatkan. Arus ini disebut sebagai arus rekombinasi (Irec). Nilai rekombinasi maksimunya mendekati pusat dari lapisan tipis, dimana mendekati sama dengan jumlah elektron dan lubang yang ada untuk berkontribusi pada rekombinasi. Asumsikan variasi potensial linier melalui daerah tipis, potensial pada pusat daerah lapisan tipis tergantung pada
 melainkan Nilai dimana elektron dan lubang yang sedang rekombinasi adalah proporsi dari ekponensial .
Dengan mengenalkan sebuah konstanta material (IR0) tergantung pada minoritas masa hidup rekombinasi pembawa pada bagian masing-masing lapisan tipis dan semua lebar lapisan tipis, itu menjadi mungkin untuk mencapai pada ekspresi dari arus rekombinasi (IR):

Kombinasi dari persamaan baru dari arus rekombinasi bersama dengan adanya difusi pembawa minoritas menghasilkan sebuah ekspresi baru dari arus total meski diode:

Pada pekerjaan dengan persamaan dioda real persamaan ini menunjukkan pada sebuah bentuk empirik dengan mengenalkan sebuah faktor n yang disebut faktor idealitas”

Dalam kombinasi persamaan ini, faktor idealitas n cenderung menuju 2 ketika rekombinasi arus mendominasi, dan cenderung menuju 1 ketika arus difusi mendominasi, dan antara 1 dan 2 ketika kedua arus berkomparasi. Dalam kasus oprasi dioda silikon pada suhu ruangan, kedua proses tersebut dapat dilihat melalui oprasi sebagai arus injeksi yang ditingkatkan dari level rendah ke level menengah.

Di bawah arus injeksi level yang lebih tinggi (dibawah bias maju), dioda masuk pada aturan injeksi tinggi dimana rapatan pembawa minoritas diinjeksi menjadi komparasi atau lebih besar dari pada rapatan pembawa mayoritas. Pada kasus ini arus menjadi proporsional
sebagaimana ditunukkan pada Gambar 9.18.

Di bawah bias balik yang lebih tinggi, potenisal kontak dan potensial drop melalui daerah bulk dari semikonduktor yang berhenti untuk diabaikan, dan hambatan seri dioda p-n tidak terlalu dominan. Pada titik ini eksponensial naik dalam awal arus untuk menurunkan dalam kebaikan dari sebuah peningkatan yang lebih linier, dibatasi oleh hambatan seri dioda. Persamaan dioda empirik dikenalkan di atas dapat dimodifikasi untuk mengambil perilaku ini kedalam perhitungan, dengan perkenalan sebuah term (RS) dari hambatan seri. Persamaan ini menjadi:

9.4.3. Breakdown balik

Dalam model diode ideal sambungan p-n, kita melihat bahwa arus melalui sabungan diode p-n dibatasi oleh arus saturasi -I0 ketika sebuah bias balik diterapkan. Bahkan dalam kaus non ideal arus balik terlihat naik secara pelan. Dalam kenyataannya, model ini memerankan hanya pada sebuah nilai tertentu dari bias balik -Vbr, disebut tegangan brakdown. Pada titik tersebut, arus secara berlahan-lahan naik secara dramatik seperti ditunjukkan Gambar 9.19. Ini adalah fenomena yang disebut brakdown balik. Nilai puncak dari kuat medan listrik internal (yaitu pada x =0) sesuai dengan bias balik yang diaplikasikan disini disebut medan listrik kritis.

Situasi ini tidak selalu merupakan kerusakan dari sambungan p-n dan reversible, sejauh arus dapat dibatasi untuk mencegah terlalu banyak daya dari kehilangan dalam sebuah alat. Jika tidak, sebagaian dari alat dapat rusak secara fisik (yaitu meleleh).

gambar-9-19
Gambar 9.19 Karakteristik arus-Tegangan untuk sebuah diode ideal sambungan p-n yang menunjukkan breakdown.Ketika tegangan melalui sambungan p-n adalah sama dengan breakdown balik, arus meningkat secara dramatik, jika tidak dibatasi, arus dapat berbahaya diode mengalami pemanasan.

Ada dua mkasnisme utama untuk breakdown balik; avalanche breakdown yang terjadi pada bias balik yang lebih besar seperti hasil dari dampak ionisasi dan Zener breakdown yang terjadi pada bias balik yang lebih kecil seperti sebuah hasil dari tunelling melalui sambungan.

9.4.4. Avalanche Breakdown
Sebagai sebuah bias balik yang diapliaksikan, kuat medan listrik melalui daerah jarak muatan. Partikel muatan pembawa, lubang dan electron yang mengalir melalui lapisan tipis dapat mencapai kecepatan yang tinggi.

Ketika bias balik cukup besar, secara jenisnya lebih besar dari 6Eg/q dan bahkan dapat naik sampai 1000 V, kuat medan listrik dapat menjadi sangat besar yang mana sebuah lubang atau elektron dapat mendapat cukup energi kinetik sebagai dampak dari kisi atom semikonduktor dan ionisasi, atau bahkan memecah ikatan zat kimia Fenomena ini disebut hasil ionisasi. Itu mungkin terlihat secara konseptual sulit untuk membayangkan sebuah lubang berdampak pada kisi kristal, tetapi ini dapat lebih baik dipahami ketika kita merealisasikan bahwa kapan sebuah lubang berpindah dalam satu arah, pada kenyataan gerak elektron dalam arah yang berlawanan dengan kecepatan yang sama. Sebuah paritkel yang dipercepat harus memperoleh energi pada akhir sama dengan energi pita gap Eg dalam permintaannya sebagai ikatan kimia, karena kesesuaian energi yang dibutuhkan untuk eksitasi elekctron dari pita valensi ke pita konduksi. Oleh karena itu untuk pita semikonduktor yang lebih lebar, kuat medan listrik yang lebih tinggi penting untuk menjadi dampak ionisasi.
Sebagai sebuah hasil dari dampak ionisasi, sebuah pasangan elektron-lubang (EHP) dibuat di daerah jarak muatan dalam tambahan untuk partikel dampak. Elektron dan lubang dari pasangan akan kemudia secara khusus dipisah oleh medan listrik yang sekarang pada tempatnya: Elektron mengalir melalui sisi tipe n dan lubang di sisi tipe-p, sebagaimana ditunjukkan pada Gamabr 9.20.
Elektron dan lubang digenere dapat dipercepat oleh medan listrik kemudian. Jika mereka mencapai sebuah energi kinetik tinggi yang cukup dengan daerah jarak muatan, mereka dapat terbalik berkontribusi untuk membuat EHP memalui tabrakan ionisasi. Hasil ini dalam sebuah efek aliran ke bawah atau efek avalance. Pada muatan pembawa awalnya mempunyai potensial untuk membuat banyak tambahan pembawa dan sebuah peningkatan dramatik dalam arus dicapai sebagai satu yang digambarkan pada Gambar 9.19.

Itu memungkinkan untuk mengkarakteristikkan breakdown avalance secara kuantitatif dengan mengenalkan faktor pengalih M sebagai mana arus terbalik yang dekat breakdown diberikan dengan MI0 dimana I0; adalah arus saturasi. Faktor ini secara aktual berarti bahwa hasil elektron yang khas dalam sebuah total M pasangan elektron-lubang . Faktor ini secara empiris diberikan sebagai:

Pers. 9.65

Dimana Vr adalah bias balik, Vbr adalah tegangan breakdown dan n adalah pangkat dalam rentang 3~6. Dari ekspresi ini, kita lihat secara jelas bahwa arus balik, MI0, meningkat secara tajam ketika Vr dekat dengan Vbr sebagaimana digambarkan pada Gambar 9.19.
gambar-9-20

Gambar 9.20
Dampak proses ionisasi: dibawah bisa balik yang kuat, elektron dan lubang diinjeksi ke dalam daerah tipis, kemudian mendapatkan cukup energi kinetik mereka berdampak pada kisi semikonduktor untuk membuat pasangan elektron-lubang. Ini pembawa yang baru diciptakan dapat memabawa kemudian pengaruh yang sama pada proses dampat ionisasi jika mereka dapat menambah energi yang cukup dengan daerah jarak muatan.

Proses Avalance lebih seperti yang terjadi ketika sebuah lebar daerah jarak muatan yang cukup dapat dipertahankan untuk memastikan percepatan yang cukup. Hal ini dapat lebih muda dicapai dengan menggunakan doping ringan sambungan p-n karena, jika sambungan doping berat digunakan, fenomena lain dapat lebih muda terjadi, tunneling dari muatan pembawa dari satu sisi sambungan ke sisi yang lain.

9.4.5. Breakdown Zener

Di bawah sebuah bias balik yang lebih moderat, jeninsnya kurang lebih 6Eg/q, atas dari pita valensi pada tipe p sisi EVC;. Situasi ini diilustrasikan dalam Gambar 9.21. Hal ini berarti elektron di atas pita valensi dalam sisi tipe p mempunyai energi yang sama atau lebih tinggi dari keadaan kosong ada di bawah dari pita konduksi pada sisi tipe-n.

Hal ini mengejutkan dari pita energi juga menghasilkan dalam sebuah pemisahan ruang berkurang antara pita konduksi dan pita valensi, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 9.21. Bahkan , sambungan p-n dengan doping yang berat, daerah jarak muatan mendekati tuneling elektron yang baik dari pita valensi di sisi tipe-p ke dalam pita konduksi di sisi tipe -n, seperti ditunjukkan pada Gambar 9.21. Ini menyebabkan sebuah arus negatif. Proses ini disebut Efek Zener. Seperti ada banyak elektron di pita valensi dan banyak yang kosong keadaaan yang ada dalam pita konduksi, arus tunnel dapat di menjadi besar.

Peluang tuneling Zener TZ adalah medan yang tergantung pada diterapkannya bias V dan Pita gap Eg;. hal itu dapat ditulis sebagai:


Pers. 9.66

gambar-9-21
Gambar 9.21. Mekanisme Zener Breakdown melibatkan elektron tuneling dari pita valensi dari sisi tipe-p ke pita konduksi dari sisi tipe-n

Perhatikan Video

<<Sebelumnya|  |Selanjutnya>>