Dispositivi a semiconduttore
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Il quasi-livello di Fermi varia linearmente a partire dalla
Regione di giunzione
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Caso ideale : scala log vs q|V|/kT
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Legge di Shockley
Fattore di idealità h

 qV
J  J S  exp 
 hk T

B


  1


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Confronto caso ideale-reale
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Capacità
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Legge di Shockley
IS
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Breakdown della giunzione
Tunneling
Avalanche
Giunzioni sottili
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Meccanismi di breakdown
•Dissipazione termica IR ≈T3exp(Eg/kBT)
•Breakdown Zener o tunnel VR< 4Eg/q
•Breakdown a valanga: ionizzazione da
impatto VR> 4Eg/q
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Breakdown
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Applicazioni oltre uso come elemento circuitale
Emettitore
Rivelatore
Cella solare
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Raddrizzatore
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Alimentatore cw
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Diodo Zener:
stabilizzatore di
tensione
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Applicazioni per:
•Conversione Luce-corrente: rivelatori, celle solari
•Conversione Corrente-luce: emettitori, laser
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Fotoconduttori
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  q( en  h p)
hp : h  e
G
i phot
n
h
vol  h
  AE  q enEA  qnv DA

i phot  qh
Light-dependent resistor cell
0
 i phot
vD
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Pot
Pot

L
h
e 
0
 i phot
E
L
0
 i phot
e 

R
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E
L
“ guadagno in corrente”: R
Ok per elettrodi vicini, campi intensi
Fotodiodo p-n:
-giunzione polarizzata inversamente
-Assorbimento nella regione di svuotamento
-Separazione cariche
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Fotodiodi e fotodiodi a valanga
•Si 300-1100nm
•Ge 800-1700nm
•InGaAs 800-1800nm
•GaP 150-500 nm
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Caratteristiche principali fotodiodo
•Responsivity (A/W)
•Corrente di buio
•Noise equivalent power (NEP): minima
potenza ottica rivelabile confrontata
con la corrente di rumore IN
NEP=IN/SR
(A / Hz )
1015
SR=peak radiant sensitivity
W
Hz
 NEP  1012
W
Hz
Dipende dall’area del PD
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Circuito equivalente di un PD
NON C’È
AMPLIFICAZIONE :
NO GAIN!!
Alta efficienza: spessore adeguato
regione svuotamento
Risposta veloce: piccola capacità,
giunzione sottile per ridurre tempo
di transito
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Efficienza quantica h
h
n phot _ riv
n phot _ inc 
I0
q
Pphot
h
Assorbimento max=1.24/ (µm)

h
Intrappolamento portatori
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Risposta temporale:
• Diffusione portatori: giunzione superficiale
•Tempo drift nella regione svuotamento: regione
svuotamento sottile ( aumento capacità) PIN diode
•Capacità regione svuotamento
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Rumore PD
Background esterno
Generazione termica ( PD raffreddato)
Rumore carico
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Per avere guadagno: Avalanche PD
M=fattore moltiplicazione
M
1
Vext
1
Vbreak
n
;2  n  6

Tipico fattore moltiplicazione ≈103-104
Problemi: Area piccola (≈ 100 µm
diametro) per risposta temporale
40-50 ps. Limite nel rumore e
capacità.
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Limiti uso APD:
Rumore: la moltiplicazione a valanga è un processo
random: due coppie a distanza fissata non subiscono la
stessa moltiplicazione. Cresce se i coefficienti di
ionizzazione per elettroni e lacune sono simili.
Se an>>ap e- produce neSe an≈ ap contano molto fluttuazioni
Timing: indeterminazione innesco valanga ( decina ps)
Differenti realizzazioni determinano diverse caratteristiche
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Stab. termica
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APD Specs
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APD specs
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