Podstawy Elektroniki Mechatronika II · 2013. 6. 18. · Podstawy Elektroniki – Mechatronika II I...

Podstawy Elektroniki – Mechatronika II I

Podstawy Elektroniki

Program: wykład - 15h laboratorium - 15h wizyta w laboratorium technologicznym - 4h

Prowadzący: Prof. dr hab. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 116 e-mail: [email protected]

Materiały półprzewodnikowe Podstawowe półprzewodniki:

Si - krzem Ge - german GaN - azotek galu GaAs - arsenek galu SiC - węglik krzemu


Krzem (T=0K)

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si Si

WC

WV

Si

Model pasmowy:

Wg


Krzem (T>0K)

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Model pasmowy:

WC

WV

Generacja pary dziura-elektron


Krzem domieszkowany

Si Si Si Si

Si Si Ga- Si

Si As+ Si Si

Si Si Si Si

WC

WV WA

WD

Ga

As

akceptor

donor


Koncentracja nośników

n0 + NA = p0 + Nd

Bilans ładunku: nd + Na + nT = pT + Nd + pa

Typy półprzewodników: Na > Nd ⇒ pp0 > np0 typ p

Na < Nd ⇒ pn0 < nn0 typ n Na = Nd ⇒ p0 = n0 = ni typ i

n0 - koncentracja równowagowa elektronów p0 - koncentracja równowagowa dziur


Koncentracja nośników

T

ni

p0

n0

Ti Ts

ln n0 ln p0

TS – temperatura wyczerpania stanów Ti – temperatura przejścia w stan samoistny

Typ n WC

WV

WD


T Ti Ts

ρ


Ograniczenia termiczne

Typowe obszary definiowane w katalogach dla przyrządów

krzemowych:

Zakres [°C] Komercyjny 0 – 70

Przemysłowy -25 – 85 Przemysłowy rozszerzony -40 – 125 Militarny -55 – 125

T

ni

p0

n0

Ti Ts

ln n0

ln p0

Obszar zalecany

Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników

większościowych nie może się istotnie zmieniać

Koncentracja nośników Koncentracje równowagowe:

n0 , p0

n = n0 + Δn p = p0 + Δp

Koncentracje nierównowagowe:

Δn = Δp zwykle:

WC

WV

hν

Δn

Δp

Koncentracje nadmiarowe: Δn , Δp


Rekombinacja

n = n0 + Δn

Szybkość rekombinacji: WC

WV

hν g R

Δn0 Δn

τ t

Δn = Δn0 exp (-t/τ)

τ - czas życia

τΔn

dtnd-

dtdn- R =Δ==



elektrony vue = µnE

Jue = qnvue = qnµnE

dziury vuh = µpE

Juh = qpvuh = qpµpE

Prawo Ohma dla półprzewodnika:

Ju = Jue + Juh = q(nµn + pµp)E = σE

WC

WV

n (-q)

p (q)

E

E – natężenie pola elektrycznego µ – ruchliwość vu – prędkość unoszenia

Prąd unoszenia

Prąd dyfuzyjny

Równania transportu: Je = q(nµnE + Dngrad n)

Jh = q(pµpE - Dpgrad p)

Jde Jdh

Jde = qDngrad n Jdh = -qDpgrad p


Równania ciągłości n , p

g , R

Je1 Je2

Jh1 Jh2 Δx

hJ div q1 R - g

tp −=δδ

eJ div q1 R - g

tn +=δδ

dx dJ

q1 R)-(g

dtdn

+=dx

dJ

q1 R)-(g

dtdp p−=1D

3D


Układ równań struktury półprzewodnikowej

Równania transportu: Je = q(nµnE + Dngrad n) Jh = q(pµpE - Dpgrad p)

hJ div q1 R - g

tp −=δδ

eJ div q1 R - g

tn +=δδ

Równania ciągłości:

Równanie Poissona:

)N N n q(p 4 - E div ad −+−= επ

J = Je + Jh Równanie Kirchhoffa:


Wstrzykiwanie nośników


Δn0

w w

Δn0 Δn0

w L> w L≈ w L< w

j(0) > j(w) 0 < β < 1

j(0) ≈ j(w) β ≈ 1

j(w) = 0 β = 0

x w

R = Δn/τ g = 0 E = 0

Δn(x) = ?

Δn0

Δn(w)=0

L = (Dt)0.5– droga dyfuzji β = j(w)/j(0) – współczynnik transportu

x w

R = Δn/τ g = 0 E = 0

Δn(x) = ?

Δn1 Δn(w)=Δn2

x w

Δn1 Δn2

n = n0 + Δn p = p0 + Δn n ≈ p

Wstrzykiwanie nośników


Δn0

w w

Δn0 Δn0

w L> w L≈ w L< w

x w

R = Δn/τ g = 0 E = 0

Δn(x) = ?

Δn0

Δn(w)=0 Qinj – ładunek wstrzykniętych nośników nadmiarowych CD – pojemność dyfuzyjna gromadząca Qinj\

x w

R = Δn/τ g = 0 E = 0

Δn(x) = ?

Δn1

Δn(w)=Δn2

x w

Δn1 Δn2

n = n0 + Δn p = p0 + Δp Qi

nj

Qinj Qinj Qinj

Złącze p-n

pp >> pn np

Złącze p-n w stanie równowagi SCR

A K

pn0

nn0 pp0

np0

E

p n

∫=b

aDdx E V

UAK = 0 ID = 0

UD - potencjał dyfuzyjny



Złącze p-n – pojemność złączowa SCR

A K pn0

nn0 pp0 np0

E

p n

A K p nnn0

pn0

pp0 np0

EA K p n

nn0

pn0

pp0 np0

Stan równowagi UAK = 0 V QSCR = QSCR0

Polaryzacja w kierunku przewodzenia UAK > 0 V QSCR < QSCR0

Polaryzacja wsteczna UAK < 0 V QSCR > QSCR0

Dioda idealna

Is0 UD

ID Charakterystyka diody idealnej

Is0 – prąd nasycenia

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= 1 - kTqUexpI I s0D

SCR

Obszar złącza

A K p npp0

np0

nn0

pn0

K


Współczynnik wstrzykiwania SCR

Obszar złacza

A K p n

Je

Jh

Jej

Jhj

pp0

np0

nn0

pn0 J

J ejpe =→γ

JJ

hjnh =→γ

Współczynnik wstrzykiwania elektronów:

Współczynnik wstrzykiwania dziur:


Dioda idealna a rzeczywista

Rs

Gu

DI Cj

Cd

Rs – rezystancja szeregowa Gu – konduktancja upływu Cj – pojemność złączowa Cd – pojemność dyfuzyjna DI – dioda idealna

E

p npp0 np0

Jl – prąd upływu

Rsp Rsn DI

Gl


Dioda idealna a rzeczywista

UD

ID

DI Rs

DI+Rs+Gl Gl

Ubr

Rodzaje przebić:

●  lawinowe ●  Zenera ●  skrośne

Napięcie przebicia:


Przełączanie diody

IF = EF/R IR = ER/R

R

D E

EF

ER

E

t

IF

IR

I

t

ER

E t

ts tf


Przegląd diod p-n


Inne diody: ●  Schottky’ego – wykorzystująca własności nieliniowego kontaktu metal-półprzewodnik (tr,trr)

●  Gunna – wykorzystuje zależność ruchliwości od pola elektrycznego występującą w pewnych materiałach jak np. GaAs (charakterystyka I-V typu S)

Przegląd diod p-n charakterystyki typu S


UD

ID

Up Uv

Ip

Iv

ujemna rezystancja

Up – napięcie szczytowe

Ip – prąd szczytowy

Up – napięcie dolinowe

Ip – prąd dolinowy

Я - ujemna rezystancja

Tranzystor bipolarny E

B

C

p-n-p

Typowe warunki pracy: UBE - przewodzenie UBC - blokowanie

JC = JhC = β Jh = γβ JE = α JE

β γ α =

Współczynnik wzmocnienia JC/JE

E C

B

RJh

Je

JhC JC JE


Tranzystor bipolarny model Ebersa - Molla

E C

B

RJh

Je

JhC JC JE


B

IC

IE

αNIE

αRIC

CjC

CjE

CdC

CdE

C

E

Tranzystor bipolarny jako czwórnik

Współczynnik wzmocnienia IC/IB

UBE UCE IB

IC

Układ elektroniczny U1 U2

I1 I2 U1 = h11I1 + h12U2 I2 = h21I1 + h22U2

WE WY

Układ wspólnego emitera OE

αα

β - 1

II - 1

II

II

I II

E

C

E

C

CE

C

B

C ==−

==


Tranzystor bipolarny jako czwórnik

Układ elektroniczny U1 U2

I1 I2 U1 = h11I1 + h12U2 I2 = h21I1 + h22U2

WE WY

Układ zastępczy


~

I1

h11

h12U2 h22 h21I1

I2

U1 U2

Tranzystor bipolarny w układzie OE

UCE

IC Charakterystyka

wyjściowa

Obszar nasycenia Obszar aktywny

Obszar odcięcia

IB

IB=0


Tranzystor bipolarny jako inwerter

UCE

IC

UWE UWY

EC RL

EC

EC/RL

1

0

Wejście Wyjście

stan "0" UWE ≈ 0 V UWY ≈ EC stan "1"

stan "1" UWE ≈ EC UWY ≈ 0 V stan "0"


Tranzystor bipolarny jako inwerter Przełączanie tranzystora:

UWY UWE

EC RL IC

E

UWE

t

ICM IC

t

ts tf

td tr

td – czas opóźnienia tr – czas narastania

ts – czas magazynowania tf – czas opadania


Tranzystor bipolarny Darlingtona


B

B’

E

Konfiguracja

β = βP βG

Prąd tranzystora ↑

Wzmocnienie ↓

βP ≈ 100 βG ≈ 10

Tranzystor polowy

S D

p+

n - kanał

G

S

G

D

JFET

•  Prąd płynie od źródła do drenu •  Złącze bramka-kanał jest spolaryzowane wstecznie •  Nie ma wstrzykiwania nośników •  Prąd przenoszą tylko nośniki większościowe •  Regulacja szerokości kanału napięciem bramka-kanał


Podstawy Elektroniki - Mechatronika

Tranzystor JFET – układ OS

UGS UDS IG

ID OS IG = y11SUGS + y12SUDS ID = y21SUGS + y22SUDS

Transkonduktancja

UP UGS

ID IDSS

constUGSm

DSUI g

=

=δδ D


Charakterystyka przejściowa JFET

S Dp+

n

S D

G

S D

UGS = 0 UDS – małe ID( UD ) = I1

0 < UGS < Up UDS – małe ID( UD ) < I1

UGS = Up UDS – małe ID( UD ) = 0

UP UGS

ID I1

G

G

UP - napięcie odcięcia

1

2

3

1

2

3


Charakterystyka wyjściowa JFET

IDSS - prąd nasycenia drenu

D p+

n

D

G

S D

UGS = 0 UDS = 0 ID = 0

UGS = 0 UDS < Up 0 < ID < IDSS

UGS = 0 UDS = Up ID = IDSS

S

S

G

G

Obszar liniowy

IDSS UGS = 0

UP

UGS = Up

UDS

ID

Obszar nasycenia

● P


Struktura MIS zasada działania

DS

n

+ - ID

UDS

L Jeżeli do kontaktów S i D zostanie przyłożone napięcie UDS, popłynie pomiędzy nimi prąd ID:

ID = UDS/RDS

gdzie RDS rezystancja pomiędzy kontaktami D i S warstwy o grubości L i długości l

RDS ~ l/nL



Jeżeli do kontaktów S i D zostanie przyłożone napięcie UDS, popłynie pomiędzy nimi prąd ID:

ID = UDS/RDS

gdzie RDS rezystancja pomiędzy kontaktami D i S warstwy o grubości L

RDS ~ n/L

B

DGS

n

+ -



Jeżeli napięcie UGB > 0 jest przyłożone do kondensatora CGB, na okładkach zgromadzi się ładunek QG – dodatni na G i ujemny na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej.

QG = UGB CGB

W warstwie przewodzącej prąd koncentracja elektronów rosnie prowadząc do zmniejszenia się rezystancji RDS , czemu towarzyszy wzrost prądu ID przy niezmienionej wartości napięcia UDS.

B

DG

S

n

+

-

+ + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Dielektryk np. SiO2


Tranzystor polowy MOSFET

B

n+ n+ DS

p n

G

Tranzystor z kanałem zaindukowanym

Tranzystor z kanałem wbudowanym

B

DGS

n

B

n+ n+ DGS

p


Tranzystor polowy MOSFET

B

p+ p+ DGS

n

B

n+ n+ DGS

p

PMOS

NMOS

GS D S DS DG G

B

GS D

Tranzystor MOS podłoże

Układ scalony


Tranzystor polowy MOSFET zasada działania

B

p+ p+ DGS

n B

GQCGB = 0

UCGB = 0

p+ p+ DS

n

G

B B

G+ + + _ _ _

QCGB ≠ 0

UCGB > 0

QCGB = Qwbudowane + Qdostarczone UCGB = UCwbudowane + UGB


Tranzystor z kanałem indukowanym UGS = 0 •  koncentracja n przy powierzchni większa (stany powierzchniowe), •  nie ma prądu drenu

UGS = UT (napięcie progowe) •  stan samoistny przy powierzchni (n0=p0), •  nie ma prądu drenu

UGS > UT •  przy powierzchni warstwa inwersyjna typu p tworzy kanał •  prąd drenu zaczyna płynąć

p+ p+ D G S

n

p+ p+ D G S

n

p+ p+ D S

n

G


Tranzystor z kanałem indukowanym normalnie nieprzewodzący

UT UGS

ID

UDS

ID

UGS = UT

Charakterystyka przejściowa

Charakterystyka wyjściowa

G

D

S

B G

D

S

B


Układy scalone Układ scalony - przyrząd półprzewodnikowy zawierający w jednej strukturze półprze- wodnikowej cały obwód elektryczny z:

•  przyrządami półprzewodnikowymi (diody, tranzystory) •  elementami biernymi (rezystory, kondensatory) •  połączenia międzyelementowe (tzw. layout z Al lub Cu)

1958 - pierwszy układ scalony w Bell Lab. (Kilby)


Układy scalone - podziały Bipolarne - podstawowy element tranzystor bipolarny Unipolarne - podstawowy element tranzystor polowy MOS

Analogowe - sygnały wejściowe i wyjściowe ciągłe Cyfrowe - sygnały wejściowe i wyjściowe dyskretne (logiczne ”0” i ”1”) Cyfrowe


Cyfrowe IC - podziały Technologie Bipolarne:

TTL - Transistor-Transistor Logic ECL - Emiter Coupled Logic I2L - Integrated Injection Logic

Technologie Unipolarne: NMOS - tylko tranzystory z kanałem typu n PMOS - tylko tranzystory z kanałem typu p CMOS - Complementary MOS, oba typy CMOS


Technologia CMOS

podłoże p+

warstwa p- n-well

P+

n+

polikrzem

metalizacja I

metalizacja II pasywacja

tlenek podbramkowy tlenek izolacyjny I tlenek izolacyjny II


Układy logiczne - Inwerter

Element obciążający

Element sterujący

Uwe Uwy

Uwe Uwy

Schemat blokowy

Symbol

E

UWE UWY

EC

RL


Inwertery - bramka NMOS

CL

Uwy

Uwe

UDD

TL

TD

UGG

zwykle: UGG=UDD

Charakterystyka przejściowa Uwy

Uwe

UDD

UT(TD) CL - pojemność obciążenia (kolejne

bramki oraz doprowadzenia)

Dla logicznego Wwy = ”0” płynie stały prąd obciążenia


Inwertery - bramka CMOS

CL

Uwy Uwe

UDD

TL

TD

Charakterystyka prądowa

Prąd płynie tylko przy przełączaniu

ID

Uwe UTn Uinv UDD-UTp


Elementy logiczne Suma - OR


Elementy logiczne Iloczyn - AND


Elementy logiczne Bramka - NOR


Elementy logiczne Bramka - AND


Elementy logiczne Bramka – Exclusive OR


Elementy logiczne Suma - OR

1.  Błaszcyk Tomasz 2.  Kamiński Tomasz

3.  Chmielewski Marcin 4.  Olakowski Piotr 1.  Gaj Łukasz 2.  Drążek Mariusz 3.  Kamiński Tomasz 4.  Chmielewski Marcin 5.  Choiński Arek

Podstawy Elektroniki Mechatronika II · 2013. 6. 18. · Podstawy Elektroniki – Mechatronika II I...

Documents

Transcript of Podstawy Elektroniki Mechatronika II · 2013. 6. 18. · Podstawy Elektroniki – Mechatronika II I...