Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy...

59
WEEIiA E&T Przyrządy półprzewodnikowe – część 3 wykład 30 godz. laboratorium 30 godz Prof. Zbigniew Lisik pokój: 110 e-mail: [email protected] Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych

Transcript of Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy...

Page 1: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

WEEIiA E&T

Przyrządy

półprzewodnikowe – część 3

wykład 30 godz.

laboratorium 30 godz

Prof. Zbigniew Lisik

pokój: 110

e-mail: [email protected]

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych

i Optoelektronicznych

Page 2: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Zasada działania

Przyrządy bipolarne :

● Charakteryzują się tym, że oba typy nośników (elektrony i dziury)

biorą udział w przepływie prądu.

● Ich istotą jest występowanie wstrzykiwania nośników

mniejszościowych przez złącze spolaryzowane w kierunku

przewodzenia.

● Prowadzi to do drastycznego wzrostu koncentracji nośników w

obszarach słabodomieszkowanych i w konsekwencji do drastycznego

wzrostu ich przewodności – określanego jako modulacja

przewodności.

● Z uwagi na występowanie koncentracji nadmiarowych ich

dynamika jest ograniczona przez procesy rekombinacyjne

Część 3

Page 3: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Przyrządy uipolarne :

● Charakteryzują się tym, że prąd tworzą w nich jedynie nośniki

większościowe.

● Zwykle są one sterowane sygnałem napięciowym i dlatego

często są one nazywane przyrządami sterowanymi polowo.

● Prąd płynie w nich poprzez półprzewodnik jednego typu (typu n

lub typu p), tak więc nie występuje w nich wstrzykiwanie

nośników.

● Koncentracje elektronów i dziur są w nich generalnie równe

swoim wartościom równowagowym – nie występuje efekt

modulacji przewodności.

Część 3

Zasada działania

Page 4: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Przyrządy Bi-MOS:

● Charakteryzują się tym, że posiadają one części pracujące,

odpowiednio, jak przyrządy bipolarne i unipolarne.

● Jako przyrządy dyskretne są one zwykle sterowane przez sygnał

napięciowy, a więc prościej niż w przypadku przyrządów

bipolarnych.

● Wykorzystują one podstawową własność przyrządów

bipolarnych – modulację konduktywności.

● Są one zwykle szybsze od odpowiadających im przyrządów

bipolarnych.

Część 3

Zasada działania

Page 5: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Bipolarne

Diody

Tranzystory

Bipolarne

Tyrystory

GTO

Unipolarne

Tranzystory Polowe

Złączowe (JFET)

Tranzystory Polowe

z Izolowaną Bramką

(MOSFET)

BiMOS

Tranzystory Bipolarne

z Izolowaną Bramką

(IGBT)

Static Induction

Thyristor (SITh)

Część 3

Zasada działania

Page 6: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Konstrukcja i obudowa

Przyrządy dyskretne - jeden przyrząd w jednej obudowie

Część 3

Page 7: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Konstrukcja i obudowa

Układy scalone - układ elektroniczny z wieloma przyrządami

wykonany na jednej strukturze

półprzewodnikowej

Część 3

21164 Alpha die

Page 9: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Przeznaczenie

Przyrządy optoelektroniki - są to przyrządy sterowane

światłem ( np. fototranzystory, fotodiody, fototyrystory) oraz

emitujące światło (np. LEDy, lasery) jak również ogniwa

słoneczne.

Część 3

LED

FD

LD

Ogniwa słoneczne

Page 10: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Przeznaczenie

Przyrządy wysokich częstotliwości - są one zdolne do pracy

przy bardzo dużych częstotliwościach sięgających GHz’ów

zarówno jako źródła sygnału AC (np. diody Gunna lub

lawinowe) jak i jako aktywne elementy obwodów wysokiej

częstotliwości (np. tranzystory HJBT, HEMT czy MESFET).

Przykład powszechnego zastosowania – telefonia mobilna.

Część 3

diody

HEMT

Space application

klucze HF

Page 11: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Sensory - obejmują szerokie spektrum różnych przyrządów

półprzewodnikowych, których podstawową cechą jest ich

czułość na pewne parametry fizyczne lub czynniki chemiczne

(np. hallotrony, termistory, czujniki wilgotności i gazów)

Część 3

Przeznaczenie

MEMS metan sensor

Czujnik CO

Czujnik wilgotności

Termistory

Hallotron

Page 12: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Przyrządy mocy - przyrządy dla prądów powyżej 40A i napięć

powyżej 300V dla „power management”. Są wykorzystywane

jako elementy przełączające w energoelektronice.

Część 3

Przeznaczenie

Page 13: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd

Microsystemy - są połączeniem przyrządów elektrycznych

i mechanicznych wykonywanych na jednej strukturze

półprzewodnikowej lub wykonywane jako moduł zawierający

elementy dyskretne (tzw. micromachining). Przykład – czujnik

przyspieszenia sterujący poduszką powietrzną.

Część 3

Przeznaczenie

mikrofon

mikromedycyna

mikroaktuator

mikrosilni

k

czujnik pojemnościowy

Page 14: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Złącze p-n – współczynnik wstrzykiwania

SCR

ObszarZłącza

A Kp n

Je

Jh

Jej

Jhj

pp0

np0

nn0

pn0

J

J

ejpe

Współczynnik wstrzykiwania

dla elektronów:

Współczynnik wstrzykiwania

dla dziur:

J

J

hjnh

Część 3

Page 15: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

● złącze p-n może być

emiterem elektronów:

● złącze p-n może być

emiterem dziur: 1 nh

1 pe kiedy Nd >> Na

when Na >> Nd

1 J

J J

J

J

J

J

hjejhjej

nhpe

1 0 nh 1 0 pe

Złącze p-n – współczynnik wstrzykiwania

Część 3

Page 16: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – rezystancja szeregowa

p n

nn0

pn0

pp0

np0

Rsp RsnDI

DI Rs

Obszar złącza

Is0UD

ID

DIRs

DI+Rs

Część 3

Page 17: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – konduktancja upływu

Gl

DI Rs

E

p npp0

np0

SCR

Jl – prąd upływu

Gl

Is0UD

ID

DIRs

DI+Rs+Gl

Gl

Część 3

Page 18: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Złącze p-n – pojemność złączowa

p n

DQ DQ

w2U2=U1 + DUw1U1

Cj =DQ

DU

Część 3

Page 19: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Złącze p-n – pojemność dfuzyjna

p

p2U2=U1 + DU

p1U1

n2U2=U1 + DU

n1U1DQ

DQ

p n

nn0

pn0

pp0

np0

CD =DQ

DU

Część 3

Page 20: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – model diody rzeczywistej

Is0UD

ID

DIRs

DI+Rs+Gl

Gl

Rs

Gl

DI

Cj

Cd

Część 3

Page 21: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – napięcie przebicia

UD

ID

DIRs

DI+Rs+Gl

Gl

Ubr

Rodzaje przebić::

● lawinowe

● Zenera

● skrośne

Część 3

Page 22: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – przebicie lawinowe

WC

WV

Wkin

SCR

E

Wg

Elektron jest przyspieszany w SCR

przez siłę:

qE F E

i jego energia kinetyczna rośnie:

qEl lF W Ekin

l – droga swobodna pomiędzy dwoma

zderzeniami

Elektron może oddać nadmiarową energię na dwa sposoby:

- w zderzeniach z siecią – fononami

- w zderzeniach z innymi nośnikami (elektrony lub dziury)

Część 3

Page 23: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

WC

WV

Wkin

Jeżeli energia kinetyczna jest

wystarczająco duża , w wyniku zderzenia

z elektronem pasma walencyjnego może

być wygenerowana para dziura-elektron.

Wymaga to:: gionkin W W W

gdzie Wion – energia joniacji

Ponieważ uzyskanie takiej energii wymaga różnych

dróg swobodnych przy różnych natężeniach pola

elektrycznego, zdefiniowano średnią drogę jonizacji

zależną od pola elektrycznego:

qE

W l ion

ion

Część 3

Dioda p-n – przebicie lawinowe

Page 24: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

WC

WV

Wkin

Powielanie lawinowe prowadzące

do przebicia lawinowego ma

miejsce kiedy:

● dla konkretnego natężenia pola E

l w ionSCR

● zderzenie z nośnikami jest bardziej

prawdopodobne niż z fononami:

1 l

l r

ph

ionion

lph- średnia droga swobodna dla

rozpraszania na fononach

Si 78 Ǻ

Ge 105 Ǻ

GaAs 58 Ǻ

Część 3

Dioda p-n – przebicie lawinowe

Page 25: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n model przebicia lawinowego

w diodzie rzeczywistej

UD

ID

Ubr

Współczynnik powielania:

J

J M

i

- całkowity prąd diody

- prąd diody bez

powielania

Prąd całkowity diody w modelu:

1 -

kT

qUexpMI I s0D

gdzie M określane

eksperymentalnie:

U

U 1

1 M

m

br

Część 3

Page 26: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – przebicie Zenera

Przebicie Zenera jest związane z efektem

nazywanym polową generacją par dziura-

elektron, który ma charakter kwantowy.

Ma on miejsce w obszarze o dużym

natężeniu pola elektrycznego, kiedy

nachylenie krawędzi pasma przewodnictwa i

walencyjnego jest bardzo duże, np. w silnie

domieszkowanym złączu p-n.

Jeżeli domieszkowanie jest tak duże, że odległość pomiędzy

punktami A i B jest wystarczająco mała, aby oba punkty znalazły się

wewnątrz dzwonu prawdopodobieństwa, wynikającego z zasady

nieoznaczoności Heisenberga, to ten sam elektron może pojawiać się

w każdym z nich z określonym prawdopodobieństwem.

Część 3

Page 27: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Część 3

Dioda p-n – przebicie skrośne

Przebicie skrośne jest efektem

przestrzennym wynikającym z faktu, że

grubość warstw tworzących diodę p-n,

wn and wp, jest ograniczona.

Rozważmy asymetryczną diodę p-n, w

której:

Nd >> Na

W takiej diodzie

wSCR(p) >> wSCR(n),

oznacza to, że obszar SCR występuje

głównie w warstwie p.

pn

wn wp

wSCR(n) wSCR(p)

WC

WV

Page 28: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Kiedy napięcie wsteczne rośnie, szerokość

obszaru SCR w warstwach również rośnie

i przy pewnym napięciu obszar SCR

wypełnia jedną z warstw.

Kiedy dalszy wzrost SCR w jednej z warstw

staje się niemożliwy, warstwa p na rysunku,

jedyną drogą umożliwiającą dalszy wzrost

napięcia wstecznego jest wzrost gęstości

ładunku w obszarze SCR tej warstwy.

pn

wn wp

wSCR(n) wSCR(p)

WC

WV

Może to być osiągnięte poprzez

wprowadzenie dodatkowych elektronów do

SCR warstwy p. Wzrost koncentracji

nośników prowadzi jednak do wzrostu

prądu unoszenia w tym obszarze.

Część 3

Dioda p-n – przebicie skrośne

Page 29: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – przebicie skrośne

2 Ua J

Gdy prąd unoszenia rośnie w wyniku

wzrostu gęstości swobodnych

nośników w obszarze SCR diody,

jest to efekt przebicia.

W przypadku przebicia skrośnego

nie występuje jednak drastyczny

wzrost prądu przy prawie stałej

wartości napięcia wstecznego, ale

wielkość prądu zależy od napięcia

wstecznego zgodnie z wzorem:

UD

ID

Ubr

Część 3

Page 30: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – charakterystyki przebicia

Łatwo jest rozpoznać, który typ

przebicia występuje w diodzie:

● W przypadku przebicia skrośnego nie

występuje gwałtowny wzrost prądu.

● W przypadku przebicia lawinowego

napięcie przebicia wzrasta wraz ze

wzrostem temperatury .

● W przypadku przebicia Zenera

napięcie przebicia zmniejsza się wraz

ze wzrostem temperatury.

UD

ID

Ubr

lawinowe Zenera

Część 3

Page 31: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda p-n – stan przejściowy

R

DE

EF

ER

E

t

Część 3

IF = EF/R IR = ER/R

IF

IR

I

t

ER

E

t

ts tftr

Page 32: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

IF = EF/R IR = ER/R

IF

IR

I

t

ER

E

t

ts tf

tr – czas narastania

ts – czas magazynowania

tf – czas opadania

tr

Dioda p-n – stan przejściowy

Część 3

Page 33: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Standardowe

● Prostownicza

(Ubr,Ron)

● Impulsowa (tr,trr)

● Zenera (Ubr)

Specjalne

● Varikap (Cj)

● Tunelowa (typu-S)

● Lawinowa (syg. wcz)

● p-i-n (sygn wcz)

Optoelelektroniczne

● LED (emisja)

● Laser (emisja)

● FD (detekcja)

● ogniwo słoneczne

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)

Część 3

Przegląd diod p-n

Page 34: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Przegląd diod p-n

–I-V charakterystyki typu S

UD

ID

Up Uv

Ip

Iv

ujemnarezystancja

Up – napięcie szczytowe

Ip – prąd szczytowy

Up – napięcie dolinowe

Ip – prąd dolinowy

Я - ujemna rezystancja

Część 3

Page 35: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Chapter 3

Inne diody– Efekt Gunna

E(U)

vu(Iu)

Up Uv

Ip

Iv

ujemnarezystancja

W niektórych półprzewod-

nikach, np. GaAs, występują

dwa typy elektronów:

● lekkie – nl , mefel , µnl

vul = µnl E

● ciężkie – nh , mefeh , µnh

vuh = µnh E

vul

vuh

vul

n = nl + nhE = 0 V/m → nh = 0 → n = nl

E => ∞ → nl => 0 → n => nhJun = qnmnE

n-GaAsA K

Page 36: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda prostownicza p-i-n – budowa

Część 3

Elementy składowe:

p-n - złącze blokujące

napięcie p+, n+ - warstwy emiterów wstrzykujące nośniki do obszarów

słabo domieszkowanych oraz zapewniające dobry kontakt

omowy metal-półprzewodnik

Profile

rozkładu

domieszkowania

[cm-3]

[mm]

1014

1020

1018

1016

20 60 x 40

A Kp+ p n n+

Page 37: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda prostownicza p-i-n – stan przewodzenia

Część 3

p n

p+ p n n+

p+ i n+

nn = p p

UFUP

wwp+ wn+

0

UI

UN

Page 38: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda prostownicza p-i-n – stan przewodzenia

Część 3

p+ i n+

UF UP

w

UI

UN

UF

IT1

T2

Elementy składowe:

UF = UP + UI + UN

Jq

kTU ln

● napięcie na złączach p-i i n-i :

● napięcie na obszarze i - omowe :

WW

Ixxn

dx

q

JEdxU

00)()(2 m

UI ≈ K2 I0.5

UP + UN = K1ln I

T2 < T1

Page 39: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda prostownicza p-i-n – stan przewodzenia

Część 3

p+ i n+

UF UP

w

UI

UN

UF

IT1

T2

UF = UP + UI + UN

UP + UN = K1ln I

UI ≈ K2 I0.5

UF = K1ln I + K2 I0.5

T↑ (UP + UN)↓ a UI↑

- cross point

małe I UP + UN > UI

duże I UP + UN < UI

T2 < T1

Page 40: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda prostownicza p-i-n – stan przewodzenia

Część 3

Charakterystyka zastępcza:

UO

DUF

IFAV

FAVI2

FAVI2

π

I

F

U

F

DI

F

● rezystancja dynamiczna:

F

Fd

I

U R

D

D

● przybliżenie liniowe:

dFOF RI U U

IFAV – znamionowa wartość

średnia prądu

przewodzenia

Page 41: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Diody

Dioda prostownicza p-i-n – stan blokowania

Część 3

● dioda NPT:

● dioda PT:p+ p n- n+

wSCR

Emax

wSCR

Emax

Cały ładunek przestrzenny

w warstwie n-

Ładunek przestrzenny w

warstwie n- i n+

Złącze n- -n + uległo

przebiciu skrośnemu

E

p n

Page 42: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

Ogólna prezentacja

E C

B

p pn

E C

B

pn n

E

B

C

p-n-p

E

B

C

n-p-n

Część 3

Page 43: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

E C

B

R

Jh

Je

JhC

UBE – polaryzacja w kierunku przewodzenia – dziury są wstrzykiwane z emitera do bazy

UBC – polaryzacja wsteczna – dziury są przenoszone przez

SCR z bazy do na stronę kolektora podczas gdy

elektrony są zawracane do wnętrza bazy

Część 3

Zasada działania

Bardeen-BrattainBell Labs 1947

Page 44: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

Zasada działania

E C

B

R

JhE

JeE

JhC

UEB > 0

UCB < 0

JE JC

JeB

JC = JhC = JhE = JE = JE

β – współczynnik transportu przez bazę

- współczynnik wstrzykiwania dziur z emitera do bazy

0 < < 1

Część 3

Warunki

normalnej pracy:

Page 45: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

U1 = h11I1 + h12U2

I2 = h21I1 + h22U2

Obwód

elektrycznyU1 U2

I1 I2

WE WY

2

1

2221

1211

2

1

U

I

hh

hh

I

U

2

1

2221

1211

2

1

I

I

zz

zz

U

U

2

1

2221

1211

2

1

U

U

yy

yy

I

I

Macierz impedancyjna

Macierz admitancyjna

Macierz hybrydowa

Część 3

Tranzystor jako czwórnik

Page 46: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

Tranzystor jako czwórnik

UBE

UCE IB

ICOE

UBC

UEC IB

IEOC

UEB UCB

IB IC

OB

Część 3

Page 47: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

UBE = h11EIB + h12EUCE

IC = h21EIB + h22EUCE

Warunki zwarciowe UCE = 0 Warunki rozwarciowe IB = 0

h11E = UBE/IB

h21E = IC /IB

h12E = UBE/UCE

h22E = IC /UCE

Rezystancja wejściowa

Współczynnik wzmocnienia prądowego

Inwersyjny współczynnik wzmocnienia napięciowego

Konduktancja wyjściowa

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

Page 48: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

h21E = IC /IB

Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego

- 1

I

I - 1

I

I

I - I

I

I

I h

E

C

E

C

CE

C

B

CE21

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

Page 49: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

Charakterystyki wyjściowe

Charakterystyki przejściowe

Charakterystyki oddziaływania

wstecznego

Charakterystyki wejściowe

IC

IBUCE

UBE

IB

IB

UCE

UCE

UCE

UBE = h11EIB + h12EUCE

UBE = f(IB) UCE=var

UBE = f(UCE) IB=var

IC = h21EIB + h22EUCE

IC = f(IB) UCE=var

IC = f(UCE) IB=var

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

Page 50: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

Charakterystyki wyjściowe::

UCE

IC

IB

Obszar odcięcia

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

Oba złącza są spolaryzowane

wstecznie. Obwód zewnętrzny

decyduje o napięciu kolektor-

emiter podczas gdy prąd

kolektora jest pomijalnie mały.

IB=0

Page 51: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

UCE

IC

IB

Obszar aktywny

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

Charakterystyki wyjściowe::

Złącze emiterowe jest

spolaryzowane w kierunku

przewodzenia, a złącze

kolektorowe wstecznie Prąd bazy

określa prąd kolektora, a napięcie

kolektor-emiter wynika z

odpowiedzi obwodu zewnętrznego

na wymuszony prąd kolektora.

IB=0

Page 52: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

UCE

IC

IB

Obszar nasycenia

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

Charakterystyki wyjściowe::

Oba złącza są spolaryzowane w

kierunku przewodzenia. Napięcie

kolektor-emiter jest bardzo małe,

a prąd kolektora jest ograniczony

jedynie przez obwód zewnętrzny..

Uwaga: UCE < UCB.

IB=0

Page 53: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

Obszar bezpiecznej pracy - SOA::

Ubr

ICmax

UCE

IC

Hiperbola mocy

admisyjnej

Pmax = IC UCE

SOA

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

SOA – obejmuje tą część

charakterystyk wyjściowych, w

której tranzystor może pracować.

Jest ona ograniczona przez:

ICmax – maksymalny prąd

kolektora ograniczony przez

wytrzymałość połączeń

drutowych pomiędzy

kontaktami metalicznymi na

chipie oraz wyjściowymi

polami obudowy

Page 54: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

UBE

UCE IB

ICOE

Ubr

ICmax

UCE

IC

Hiperbola mocy

admisyjnej

Pmax = IC UCE

SOA

Część 3

Tranzystor w konfiguracji OE

Obszar bezpiecznej pracy - SOA::

SOA – obejmuje tą część

charakterystyk wyjściowych, w

której tranzystor może pracować.

Jest ona ograniczona przez:

Ubr – napięcie przebicia,

zwykle będącego wynikiem

lawinowego przebicia złącza

kolektorowego

Page 55: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

Tranzystor w konfiguracji OE

UBE

UCE IB

ICOE

Ubr

ICmax

UCE

IC

Hiperbola mocy

admisyjnej

Pmax = IC UCE

SOA

Część 3

Obszar bezpiecznej pracy - SOA::

SOA – obejmuje tą część

charakterystyk wyjściowych, w

której tranzystor może pracować.

Jest ona ograniczona przez:

Pmax – maksymalną moc,

która może być wydzielona

bez przekroczenia

maksymalnej temperatury

złącza Tjmax

Page 57: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystory

Tranzystor w konfiguracji OE

UBE

UCE IB

ICOE

Część 3

Katalogowa charakterystyka SOA::

Przebicie wtórne – termiczny

efekt przestrzenny, polega na

tym, że przy dużych napięciach

UCE pojawia się nierównomierny

rozkład prądu IC prowadzący do

wystąpienia efektu „hot spot”

przy krawędziach obszaru

emitera.

BD 789

Page 58: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

Przyrządy bipolarne - Tranzystor

Tranzystor – stan przejściowy

EF

UWE

t

ton = td+tr toff = ts+tf

ICm

IC

t

t

ts tf

Część 3

UWE

UWY

EC

RL

UWE

0.9ICm

0.1ICm

td tr

Page 59: Przyrządy półprzewodnikowe –część 3dsod.p.lodz.pl/materials/PP_cz3.pdfPrzyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - sąone

UCE

IC

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

UWE

UWY

EC

RL

Część 3

RB

IB= 0

IB= EC/RB