1 / 79

WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW. Struktura kryształu krzemu i tetraedr koordynacyjny utworzony przez najbliższych sąsiadów każdego jonu Si +4 ( a =108 o 29'). Model planarny periodycznej struktury półprzewodnika. Tablica 1.1. Krzem w grupie węglowców [1,2,3]. Krzem w grupie węglowców. Element

tynice
Télécharger la présentation

WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW Struktura kryształu krzemu i tetraedr koordynacyjny utworzony przez najbliższych sąsiadów każdego jonu Si+4 (a=108o29') Model planarny periodycznej struktury półprzewodnika

  2. Tablica 1.1. Krzem w grupie węglowców [1,2,3] Krzem w grupie węglowców Element Parametr C Si Ge Sn Pb grafit diament masa atomowa 12.01115 28,09 72,60 118,70 207,21 liczba atomowa 6 14 32 50 82 ilość elektronów na ostatniej powłoce 4 4 4 4 4 wartościowość +4 +4 +4 +2, +4 +2, +4 gęstość atom. [#/cm3] 5,0x1022 4,4x1022 stała sieci [nm] w 300K 0,337 0,3567 0,54308 0,56575 0,64892 (szara) 4,95 odl. m. jonami [nm] 0,142 0,154 0,235 0,244 0,28(szara) 0,350 gęstość [g/cm3] 2,25 3,52 2,32 5,323 5,8(a-szara) 7,3(b-biała) 11,34 rezystywność [m] 8.10-6 1012 2.103 0,4 1,2.10-7(sz) 2,1.10-7 dylatacja [ppm/K] 1-6 0,8 2,6 5,8 26,7 29 przew. cieplna [W/mK] 300 2000 150 60,6 65 38 temp. topnienia [oC] - >3550 1420 937 231 327 temp.[oC] prężności par 10-1 mbar 2520 1830 1580 1390 832

  3. Tworzenie się pasm energetycznych po zbliżeniu jonów na odległość stałej sieci a oraz położenie poziomu EC (zwykle pustego w półprzewodnikach w T=0 K) i poziomu EV zapełnionego elektronami w T=0 K W półprzewodnikach (i dielektrykach) istnieje pomiędzy pasmem walencyjnym o największej energii EV a pasmem przewodnictwa o najmniejszej energii EC zakres energii wzbronionej dla elektronów walencyjnych – przerwa energetyczna

  4. Minimalny poziom energetyczny EC jest energią potencjalną elektronów w paśmie przewodnictwa; każdy nadmiar ponad ECjest energią kinetyczną w całkowitej energii E prawie swobodnie przemieszczającego się elektronu w przestrzeniach międzywęzłowych sieci krystalicznej półprzewodnika gdzie: - tzw. masa efektywna elektronu, czyli masa, która uwzględnia także oddziaływanie periodycznego pola sieci krystalicznej na elektron, vth - średnia prędkość termiczna elektronu. Generacja pary elektron-dziura w strukturze wiązań walencyjnych półprzewodnika

  5. Prawdopodobieństwo obsady dozwolonego kwantowymi prawami wyboru stanu o energii E przez elektron w półprzewodniku o temperaturze T jest wyrażone funkcją Fermiego-Diraca gdzie: EF –poziom Fermiego, hipotetyczny stan energetyczny odniesienia, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wynosi fn(EF,T)=0,5, k - stała Boltzmanna: k=8,857.10-5 eV/K. Funkcje Fermiego-Diraca dla elektronów fn(E) i dziur fp(E) w różnych temperaturach

  6. 1.2.PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE

  7. SZUMY W PÓŁPRZEWODNIKACH W półprzewodnikach występują cztery podstawowe mechanizmy szumów, które powodują, że prądy i napięcia fluktuują w sposób przypadkowy wokół wartości średniej. 1. Szumy cieplne (thermal noise), szumy śrutowe (shot noise), szumy generacyjno-rekombinacyjne (G-Rnoise) i szumy migotania (flickier noise – albo szum typu 1/f). Szumy cieplne powstają na skutek oddziaływań drgań cieplnych sieci krystalicznej półprzewodnika w temperaturze T>0 na nośniki ładunku. Ich ruch cieplny z kolei wywołuje chaotyczne zmiany napięcia un,th(t) lub prądu in,th(t) fluktuujące wokół wartości średnich lub , obserwowane pomiędzy zewnętrznymi elektrodami próbki półprzewodnika o rezystancji R.

  8. 2. Szum śrutowy występuje przy przepływie prądu przez barierę potencjału w aktywnych przyrządach półprzewodnikowych i jest efektem mikroskopowej, dyskretnej natury prądu: I=Nq/t -jako strumienia skończonej liczby N nośników o ładunku q. Średnia kwadratowa wartość szumu śrutowego zgodnie z teorią Schottky'ego wynosi ) gdzie I0 - wartość średnia prądu, B=Df - przedział częstotliwości, w którym mierzony jest szum. 3. Szum generacyjno-rekombinacyjny (szumy G-R), który powstaje przy fluktuacjach prędkości generacji, rekombinacji i pułapkowania nośników ładunku. Prąd szumów G-R zależy od średniego czasu życia nośników ładunku; generowanych elektronów w paśmie przewodnictwa tn Po przyłożeniu pola elektrycznego także w półprzewodnikach pojawia się 4. Szum migotania. Źródło prądowe tych szumów zapisywane jest w postaci gdzie: a2, b=0,8...1,4. Szum migotania jest głównym szumem obserwowanym poniżej 10 kHz i malejącym z częstotliwością. Jest związany z prądami upływności przez stany powierzchniowe, które przechwytują część nośników. Stała czasowa przebywania nośników w pułapkach może być dostatecznie długa. Przy bardzo niskich częstotliwościach szumy te mają charakter przypadkowych trzasków we wzmacniaczach akustycznych (tzw. popcorn noise). Niektóre efekty mogą być związane z obecnością ziaren i innych defektów krystalicznych. Szumy migotania słabo zależą od temperatury.

  9. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE a) Przekrój, b) symbol graficzny diody złączowej p-n oraz c) charakterystyka prądowo-napięciowa i d) symbol diody idealnej

  10. Aby ocenić przydatność diody w różnorodnych układach elektronicznych określane są jej maksymalne, dopuszczalne oraz charakterystyczne prądy i napięcia: URWM­ - maksymalne napięcie wsteczne, które może być wielokrotnie przykładane do diody, UR­ - maksymalne stałe napięcie wsteczne, URSM­- maksymalne napięcie wsteczne, które niepowtarzalnie może być przyłożone do diody, IFSM- maksymalny prąd przewodzenia, UF- napięcie przewodzenia przy stałym określonym prądzie, IR - prąd wsteczny przy określonym napięciu rewersyjnym i temperaturze złącza Tj. Charakterystyka napięciowo-prądowa krzemowej diody złączowej rzeczywistej

  11. Prąd diody rzeczywistej w kierunku przewodzenia składa się głównie z dwóch prądów: rekombinacyjnego i dyfuzyjnego (3.1) gdzie: IGR0 -zerowy prąd generacyjno-rekombinacyjny w obszarze złącza p-n przy uD=uF0, I0 - prąd rewersyjny nasycenia nośników mniejszościowych przy uRuD0, rS - rezystancja szeregowa diody, UT - potencjał termiczny elektronów: UT=kT/q ( 25,8 mV w 300 K), uD-iDrS - napięcie bezpośrednio na złączu, przeciwne napięciu dyfuzyjnemu Schemat zastępczy diody rzeczywistej: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym

  12. Diody impulsowe Efekty dynamiczne diody impulsowej

  13. Załączenie i przełączenie diody p+-n generatorem napięciowym: a) - napięcia na diodzie, b) - napięcia na bazie diody, c) - napięcia na złączu, d) - prąd płynący przez diodę

  14. Procesy przejściowe w diodzie pracującej przy dużych impulsach prądowych: a)- prąd płynący przez diodę, b)- napięcie na rezystancji szeregowej bazy, c)- napięcie na złączu p+-n, d)- całkowity przebieg napięcia na diodzie

  15. Diody stabilizacyjne

  16. Diody tunelowe

  17. Model komputerowy diody (SPICE) (3.75) gdzie: IS - prąd nasycenia w temperaturze nominalnej TNOM=27oC (IS­), N - współczynnik emisji (n) - parametry komputerowe, które mają w programie wbudowaną wartość – SPICEdefault . Model małosygnałowy diody w SPICE/Pspice

  18. Tranzystory bipolarne Struktury n-p-n i p-n-p tranzystorów bipolarnych oraz ich symbole układowe: E - emiter, C - kolektor, B - baza

  19. E B C bez polaryzacji qU = +0,6 eV EB b ) - qU = - 10eV CB a ) c ) z polaryzacją x x E B I I I I + p n n E nE nC C E C I I - I pE nE n I CO E I C RG R C B _ _ U I U _ _ EB B CB U B U BE CC x x x E B C a ) Przekrój planarnego tranzystora bipolarnego n - p - n, b ) diagram pasm energetycznych, c ) jednowymiarowy model tranzystora przy polaryzacji do pracy w układzie wzmacniającym u >0 i u <0 (z zaznaczonymi strumieniami elektronów EB CB i dziur )

  20. Charakterystyki wyjściowe tranzystora dla konfiguracji wspólnej bazy

  21. Trzy konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

  22. Konfiguracja OE Jednowymiarowa struktura tranzystora n+-p-n w konfiguracji OE

  23. Model Ebersa-Molla Modele Ebersa-Molla dla tranzystorów n-p-n i p-n-p - prąd rewersyjny nasycenia złącza emiterowego przy zwartym (S – short) złączu kolektorowym (prąd zerowy przy = 0), - prąd rewersyjny nasycenia złącza kolektorowego przy zwartym złączu emiterowym (prąd zerowy przy = 0), nE i nC - współczynniki nieidealności (emisji) złącza, kolejno, emiterowego i kolektorowego, - stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji wspólnej bazy (OB) przy aktywnej pracy normalnej wg definicji (4.3), - stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla konfiguracji OB przy aktywnej pracy inwersyjnej (zwrotnej).

  24. Charakterystyki wyjściowe dla konfiguracji OE - napięcie Early’ego dla pracy inwersyjnej

  25. Małosygnałowy wzmacniacz na tranzystorze bipolarnym w konfiguracji OE a) Małosygnałowy stopień wzmacniania na tranzystorze n-p-n, b) układ polaryzacji stałoprądowej tranzystora Wyznacza siemaksymalną częstotliwość przenoszeniafT jako Zależności częstotliwościowe: a) - modułów małosygnałowych współczynników wzmocnienia b dla OE i dla OB, , b) – fazy q­b, oraz c) idealny diagram wektorowy amplitud zespolonych prądów tranzystora

  26. OE OB OC Impedancja wejściowa Zwe średnia rbe mała rbe/bF duża rbe+(1+bF)() Impedancja wyjściowa duża bardzo duża mała Wzmocnienie prądowe duże bF <1 aF= bF /(1+ bF) duże bF+1 Wzmocnienie napięciowe <1 Wzmocnienie mocy bardzo duże duże średnie Częstotliwości graniczne małe fb duże faF fb małe  fb Małosygnałowe parametry użytkowe tranzystorów bipolarnych w podstawowych konfiguracjach układowych

  27. Odpowiedzi tranzystora na idealny (prostokątny) impuls załączenia i przełączenia ze źródła napięciowego od UF do -UR: a) - napięcia na złączu emiterowym, b) - prądu bazy, c) - prądu kolektora z zaznaczonym ładunkiem przesterowania bazy QS d) - napięcia na tranzystorze

  28. Typowe zależności współczynnika szumów tranzystora: a) od prądu emitera, b) od napięcia na kolektorze, c) od częstotliwości

  29. TRANZYSTORY POLOWE Przekroje, symbole graficzne, sposób polaryzacji oraz charakterystyki przejściowe i wyjściowe tranzystorów polowych złączowych (JFET)

  30. Przekroje, symbole graficzne, sposób polaryzacji oraz charakterystyki przejściowe i wyjściowe tranzystorów polowych z izolowana bramką z kanałem zubożanym (MOSFET)

  31. Przekroje, symbole graficzne, sposób polaryzacji oraz charakterystyki przejściowe i wyjściowe tranzystorów polowych z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym (MOSFET)

  32. a) Monolityczny n-JFET w układzie scalonym wykonany w technologii BiFET, b) – i jego małosygnałowy schemat zastępczy z dwoma źródłami prądowymi

  33. MODEL KOMPUTEROWY JFET W SPICE/PSpice

  34. TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ (MOSFET)

  35. PRZYRZĄDY OPTOELEKTRONICZNE Fotorezystor Fotodioda

  36. Fototranzystor

  37. Kompaktowy transoptor składający się z LED i fotodiody krzemowej zalanych w żywicy polimerowej i jego symbol graficzny Złącze p-n diody laserowej z lustrzanymi płaszczyznami tworzącymi rezonator optyczny Fabry-Perota

  38. TERYSTORY

  39. ELEMENTY CCD (Charge-Coupled Devices, czyliprzyrządy sprzężone ładunkowo)

  40. PRZYRZĄDY TERMOELEKTRYCZNE Unoszenie ciepła przez strumień dziur i strumień elektronów w chłodziarce Peltiere’a Schemat termoelementu półprzewodnikowego z rezystancją obciążenia RL

  41. UKŁADY SCALONE

More Related