Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki … · 2020. 1. 8. · 13...

2020-01-08

1

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji

Katedra Elektroniki

dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]

dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]

PÓŁPRZEWODNIKOWE PRZYRZĄDY ŁADUNKOWE

CCD – Charge-Coupled Devices

E+EiT 2019 r. PD&IB 2

2020-01-08

2

G

półprzewodnik typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

Kondensator MOS

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – CCD 3

UG >> 0

zubożenie

warstwa zubożona

studnia potencjału brak inwersji

generacja termiczna – prąd ciemny

Czas relaksacji termicznej – czas potrzebny na wypełnienie

obszaru zubożonego ładunkiem QI i powstanie warstwy inwersyjnej (nasycenie)

równowaga termodynamiczna potencjał powierzchniowy:

Fs 2F – potencjał Fermiego

Struktura CCD


G1

półprzewodnik

typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

G6 G2 G3 G4 G5

S D

Jak to działa?

2020-01-08

3

UG3 = U1

Struktura CCD – transport ładunku


G1

półprzewodnik

typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

G6 G2 G3 G4 G5

S D

UG 1 = Uin UG2 = U1 UG 1 = 0 UG3 = U2 UG2 = 0

UG2 U2

U1

t1 UG3 U2

U1

t1

t2

t2

Uzas

Uout

RL

Iout

t3

t3

Struktura CCD należy do grupy:

CTD charge transport devices

Struktura CCD

Struktura CCD (podział):

• SCCD – surface charge-coupled device

• BCCD – bulk charge-coupled device z kanałem zagrzebanym

Sposoby wprowadzania ładunku (informacji):

• generacja lawinowa pod bramką G1 • wstrzykiwanie nośników z obszaru dyfuzyjnego obok

pierwszej elektrody

• generacja nośników w skutek oświetlenia – zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne


2020-01-08

4

Struktura CCD

Parametry:

• maksymalna wielkość gromadzonego ładunku

• sprawność (efektywność) transportu ładunku stosunek ładunku odebranego na wyjściu do ładunku na wej.


Zjawiska:

• skończony czas przelotu (dyfuzja termiczna )

• rekombinacja i pułapkowanie ładunku w stanach powierzchniowych

• istnienie barier potencjałów pomiędzy studniami

• różne prędkości elektronów

nD

L

5,2

2

L – odległość, miedzy bramkami Dn – wsp. dyfuzji elektronów

Sensor optyczny CCD

BUDOWA i DZIAŁANIE


G11

p-podłoże

B

O (SiO2)

G12 G13 G21 G22 G33 G31 G32 G23 1

2

3

h h h

out

U1

2020-01-08

5

Sensor optyczny CCD

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CCS 9

„Hydrauliczna” zasada działania

http://www.science.ca/scientists/scientistprofile.php?pID=129&pg=1

Sensor optyczny CMOS

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CMOS 10

„Aktywny piksel”

http://en.wikipedia.org/wiki/Active_pixel_sensor

2020-01-08

6

Porównanie CCD i CMOS

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CMOS 11

CCD CMOS

Duży zakres dynamiki Średni zakres dynamiki

Małe szumy Większe szumy, ale szybszy

Duży pobór mocy Średni pobór mocy

Średnia niezawodność Bardziej niezawodny

(scalenie w jednym chipie)

Małe rozmiary pikseli Większe rozmiary pikseli

Wymaga układów zewnętrznych (odczytowych)

Scalony w jednym chipie

Duży współczynnik wypełnienia

Mniejszy współczynnik wypełnienia

Analogowy sygnał wyjściowy Cyfrowy sygnał wyjściowy

Sensory CCD i CMOS

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CCD vs. CMOS 12

http://www.digital-photography.pl/index.php?lang=pl&page=artykuly&sp1=T4CMOS_CCD

2020-01-08

7

BEZZŁĄCZOWE ELEMENTY

PÓŁPRZEWODNIKOWE

warystor, termistor, fotorezystor, piezorezystor, rezonator

piezoelektryczny, hallotron, magnetorezystor


WARYSTOR

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o silnej zależności rezystancji od napięcia

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – warystor 14

http://and.elektroda.eu/elektronika/inne/surge/

http://www.cyfronika.com.pl/iark3p2_smd.htm

I

U

węglik krzemu

tlenki metali

bIAU

A – stała materiałowa b – współczynnik nieliniowości (zwykle od 0,1 do 1)

U

VDR – Voltage Dependent Resistor

2020-01-08

8

WARYSTOR

Budowa: Struktura polikrystaliczna z węgliku krzemu (SiC) lub tlenku cynku (ZnO) spiekana z domieszkami innych

tlenków metali (Bi2O3, MnO, Sb2O3, itp.)


ZnO

Bi2O3

Ziarnista struktura warystora odpowiada elektrycznej sieci

kondensatorów i rezystorów oraz złącz półprzewodnikowych na

krawędzi ziaren

WARYSTOR

Parametry: – max. napięcie pracy

– napięcie charakterystyczne (przy danym prądzie)

– max. prąd

– max. rozpraszana moc

– max. energia rozpraszanego impulsu (i jego parametry)

– pojemność

Zastosowanie: – zabezpieczenia obwodów przed przepięciami

(zasilacze, prostowniki, rozwierane styki, linie energetyczne i transformatory, odgromniki itd.)

– stabilizacja napięcia – filtry, przetworniki częstotliwości (wykorzystanie nieliniowości)


2020-01-08

9

TERMISTOR

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od temperatury

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – termistor 17

T

http://sklepelektroniczny.com

http://www.eres.alpha.pl/

CTC PTC

NTC

R

T NTC

U

I

Ch-ki rezystancyjno-temperaturowe

Ch-ka napięciowo-prądowa

T

B

NTCT AeR _BT

PTCT eAAR 21_

A, A1, A2 – stałe wsp., B – stała materiałowa

TERMISTOR

Rodzaje: • NTC – (Negative Temperature Coefficient) ujemny

współczynnik temperaturowy – wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji

• PTC – (Positive Temperature Coefficient) – dodatni współczynnik temperaturowy, tak zwany – wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji (pozystor)

• CTR – (Critical Temperature Resistor) – skokowa zmiana rezystancji – wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowny wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe)


CTC PTC

NTC

R

T

2020-01-08

10

Jak działa termistor? powtórka


kTE

i

g

eATTn 223

310105,1300 cmKni

31mmczyli w możemy znaleźć 15 milionów swobodnych elektronów !!! i tyleż samo dziur ;))

Jaka jest wrażliwość zmian koncentracji swobodnych elektronów

i dziur w samoistnym krzemie w otoczeniu temperatury T=300K?

należy obliczyć:

222

3

kT

E

Tn

dT

dn

g

i

i

i

po podstawieniu danych otrzymujemy: %3.8300 Ki

kT

E

bg

eAT 2

TERMISTOR

Budowa: Bryła odpowiednio dobranego i ukształtowanego

półprzewodnika z wyprowadzeniami.

Mieszanina sproszkowanych materiałów półprzewodnikowych (tlenki: manganu, niklu, kobaltu i miedzi) połączona odpowiednim spoiwem, sprasowana

i spieczona w wysokiej temperaturze.


Mogą być wykonane jako: pałeczki, krążki, pierścienie, cylindry, bryłki, cienkie warstwy naniesione podłoże, itd.

A. Świt, J. Pułtorak, „Przyrządy półprzewodnikowe”, WNT, Warszawa, 1979

2020-01-08

11

TERMISTOR

Parametry: – rezystancja nominalna (R25) – wartość rezystancji w temp. 25

oC

– temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR, T) dla CTR – temperatura krytyczna

– dopuszczalna moc strat

– tolerancja

Zastosowanie: – pomiar i regulacja temperatury

– kompensacja temperaturowa innych elementów

– obwody opóźniające i ograniczające prądy rozruchu

– ograniczniki natężenia prądu (CTR)

– stabilizacja napięcia i amplitudy drgań


T

R

RTT

1

FOTOREZYTOR

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od oświetlenia

(natężenia promieniowania widzialnego i niewidzialnego)

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – fotorezystor 22

R

E

Ch-ka rezystancyjno-oświetleniowa Ch-ka prądowo-napięciowa

E

ERRE

00

RE – rezystancja fotorezystora E – natężenie oświetlenia R0 – rezystancja przy natężeniu E0 – współczynnik materiałowy dla CdS = 0,5 1

LDR – Light Dependent Resistor

http://www.cyfronika.com.pl Pmax

I

U

Umax

E1

E2

E3

E4

E5 E1 < E2 < E3 < E4 < E5

FIII 0I0 – prąd ciemny IF – prąd fotoelektryczny

2020-01-08

12

FOTOREZYSTOR


U

h półprzewodnik

Przewodność:

)( 00 pnq pn

I0 + IF

ilość nadmiarowych, samoistnych nośników:

pLGpn

GL – prędkość generacji p – czas życia nośników nadmiarowych

wzrost przewodności:

))(( pnpq

fotoprzewodnictwo

Materiały: CdS – siarczek kadmu CdSe – selenek kadmu CdTe – tellurek kadmu PbS, PbSe, CdHgTe, InSb, PbSnTe i inne

FOTOREZYSTOR

Parametry: – czułość widmowa

– rezystancja ciemna - bez oświetlenia

– rezystancja przy określonym oświetleniu (np. 10lx, 100lx)

– czułość max. dla długości fali

– dopuszczalna moc strat

– czas odpowiedzi (przełączania),

Zastosowanie: – proste mierniki oświetlenia

– automatyczne włączanie oświetlenia

– detektory promieniowania kosmicznego


2020-01-08

13

PIEZOREZYTOR

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od naprężenia lub

deformacji mechanicznej

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – piezorezystor 25

tensometry czujniki mechano-elektryczne

piezoelektryczność [gr.], zjawisko piezoelektryczne, fiz. powstawanie ładunku elektrycznego na ściankach niektórych kryształów pod

wpływem ich ściskania lub rozciągania wzdłuż jednej z osi krystalograficznych; odkryta 1880 przez Pierre’a i Paula Curie; wykorzystywana w przyrządach pomiarowych, mikrofonach,

gramofonach. http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=3957064

PIEZOREZYSTOR

Tensometr krzemowy


lkR

R

0

S

lR

Tensometr rezystancyjny

pręt krzemowy (wym.: 0,1x0,1x510mm)

Rl odkształcenie:

mała czułość l S

l

lR

R

k0

0

R – rezystancja płytki po przyłożeniu siły, R0 – rezystancja początkowa (bez działania siły) l – długość płytki po przyłożeniu siły, l0 – początkowa długość płytki (bez działania siły

k = 1,63,5

k = 40300 podkładka izolacyjna

2020-01-08

14

PIEZOREZYSTOR - TENSOMETR

Parametry: – czułość

– rezystancja

– wymiary

Zastosowanie: – tensometry półprzewodnikowe

– piezorezystancyjne czujniki ciśnienia (w układach scalonych)

– piezoelektryczny czujnik przyspieszenia

– silnik piezoelektryczny (mikrosilnik)


REZONATOR PIEZOELEKTRYCZNY

Płytka wycięta z monokryształu kwarcu (SiO2) po doprowadzeniu napięcia sinusoidalnego zaczyna drgać z częstotliwością rezonansową, w skutek odwrotnego

efektu piezoelektrycznego.

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – rezonator piezoelektryczny 28

2

0

20

22

1

)(

sk

k

s

sk

s

k

C

Cs

QssC

Qs

sZ

C0

Lk

Ck

rk

Model zastępczy

kk

sCL

1

rezonans szeregowy

k

ksk

r

LQ

dobroć rezonatora

0

0

02

11

C

C

CC

CCL

ks

k

kk

r

rezonans równoległy

Reaktancja XZ w funkcji częstotliwości dla bezstratnego rezonatora kwarcowego

Rysunek zaczerpnięto z S. Kuta „Elementy i układy elektroniczne”, AGH 2000

2020-01-08

15

PÓŁPRZEWODNIK W POLU MAGNETYCZNYM

Wpływ pola magnetycznego na nośniki ładunku w półprzewodniku

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – półprzewodnik w polu magnetycznym 29

Ux I




Ux I

B Siła Lorentz’a:

)( BvqF

2020-01-08

16




Ux I

Ex

BZ

V

Ey

zxHy BJRE

RH – stała Halla:

dla pp. donorowych: dla pp. akceptorowych: n

Hqn

R8

3

p

Hqp

R8

3

HALLOTRON

Przyrząd półprzewodnikowy, działający w oparciu o zjawisko Halla

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – hallotron 32

U

B

Ix1

Ix2

Ix3

Ch-ka oddziaływania pola magnetycznego

Ch-ka napięciowo-prądowa wyjściowa

zxH

y

yyyy

BIc

RU

IRUU

)0(

)0(

Ry – rezystancja obszaru roboczego RH – stała Halla c – grubość obszaru roboczego

Uy

Iy B1

B2

B3

B1 < B2 < B3

Ch-ka napięciowo-prądowa oddziaływania prądu sterującego

Uy

Ix B1

B2

B3 B1 < B2 < B3

http://www.cyfronika.com.pl

2020-01-08

17

HALLOTRON

Parametry: – czułość

– rezystancja wejściowa Rx – temperaturowy współczynnik rezystywności i stałej Halla

– parametry graniczne (max. prąd, napięcie, temperatura pracy, itd.)

Zastosowanie: – pomiar natężenia pola magnetycznego

– różnego rodzaju czujniki ruchu

– pośredni pomiar dużych prądów, mocy itp.

– pomiary wielkości nieelektrycznych (kąt obrotu, przesunięcie, drgania itp.)

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – hallotron 33

MAGNETOREZYSTOR - GAUSSOTRON

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od pola magnetycznego

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – gaussotron 34

RB

B R0

Ch-ka rezystancyjna

2

0

0

0

SBR

RR

R

R B

R0 – rezystancja początkowa

S – kwadratowy współczynnik magnetorezystancji B – natężenie pola magnetycznego

B

2020-01-08

18

GAUSSOTRON

Parametry: – rezystancja początkowa – współczynnik magnetorezystancji

Zastosowanie: – podobne jak hallotrony

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – gaussotron 35

UKŁADY SCALONE

elementy elektroniczne w układach scalonych


2020-01-08

19

UKŁAD SCALONY - DEFINICJA

Układ scalony – układ elektroniczny wykonany jako nierozłączne połączenie elementów elektronicznych, w jednym

cyklu technologicznym wewnątrz lub na wspólnym podłożu.

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – układy scalone 37

PODZIAŁ UKŁADÓW SCALONYCH

• Monolityczne – wykonane w „bryle” półprzewodnika

– bipolarne

– unipolarne

• Hybrydowe – wykonane na wspólnym podłożu

– cienkowarstwowe

– grubowarstwowe


• Analogowe – pracują z sygnałami analogowymi

• Cyfrowe – pracują z sygnałami cyfrowymi

2020-01-08

20

UKŁADY SCALONE CMOS bramki podstawowe - schemat


Bramka NAND Bramka NOR

BAY

A B

A

B

Vdd

YA

B

A B

Vdd

Y

BAY

PMOSy

NMOSy

W tych bramkach tranzystory PMOS i NMOS pracują

naprzemiennie. Wyjście jest podłączone do masy albo do Vdd

NAND

UKŁADY SCALONE CMOS bramki podstawowe – topografia

PMOSy

NMOSy


2020-01-08

21

UKŁADY SCALONE CMOS bramki podstawowe – topografia

Tranzystory NMOS w bramce NAND

n+ n+ n+ n+

gnd! out


G

S D

G

S D

podłoże p

dyfuzja n+

polikrzem

metal

UKŁADY SCALONE CMOS PROJEKTOWANIE


NMOS

PMOS

tranzystor - topografia

2020-01-08

22



rezystor cewka

kondensator



varaktor

2020-01-08

23





2020-01-08

24



NAJNOWSZE TECHNOLOGIE MOS


http://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-vertical

Transistors Go Vertical IEEE SPECTRUM 2007 r.

http://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-verticalhttp://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-verticalhttp://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-verticalhttp://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-verticalhttp://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-vertical

2020-01-08

25

Tranzystor planarny vs. 3D


http://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-details_presentation.pdf

Rok 2011

Tranzystor FinFET


2020-01-08

26

Tranzystor FinFET


Tranzystor FinFET


2020-01-08

27

Rozwój tranzystorów MOS


Klasyczny tranzystor MOS


2020-01-08

28

Tranzystor MOS częściowo zubożony


Tranzystor MOS w pełni zubożony


2020-01-08

29

3-bramkowy tranzystor MOS w pełni zubożony


Rozwój technologii Tri-Gate


• Tighter Fin Pitch for Improved Density

• Taller and Thinner Fins for Increased Drive Current and Performance

• Reduced Number of Fins for Improved Density and Lower Capacitance

http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/pdf/foundry/mark-bohr-2014-idf-presentation.pdf

Rok 2014

2020-01-08

30

Rozwój technologii Tri-Gate


Technologia FD-SOI firmy STMicroelectronics


http://www2.st.com/content/st_com/en/about/innovation---technology/FD-SOI.html

2020-01-08

31

„Bulk” CMOS a CMOS UTBB FD-SOI


Prof. W. Kuźmicz, http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/FDSOI_prez.pdf

Technologia FD-SOI firmy STMicroelectronics


http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/UTBBSOI_Skotnicki_11Feb2016.pdf

2020-01-08

32

Polaryzacja podłoża



TRANZYSTOR RVT




TRANZYSTOR LVT (Flip Well)

2020-01-08

33




TRANZYSTOR LVT (Flip Well)

FD-SOI vs. FinFet



2020-01-08

34

FD-SOI vs. FinFet



Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki … · 2020. 1. 8. · 13...

Documents

Transcript of Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki … · 2020. 1. 8. · 13...