WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

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

8. 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.

9. 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.

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

11. 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

12. 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

14. Diody impulsowe Efekty dynamiczne diody impulsowej

15. 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

16. 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

17. Diody stabilizacyjne

18. Diody tunelowe

19. 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

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

21. 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 )

23. Charakterystyki wyjściowe tranzystora dla konfiguracji wspólnej bazy

24. Trzy konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

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

26. 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).

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

28. 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

29. 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

30. 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

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

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

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

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

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

37. MODEL KOMPUTEROWY JFET W SPICE/PSpice

38. TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ (MOSFET)

41. PRZYRZĄDY OPTOELEKTRONICZNE Fotorezystor Fotodioda

42. Fototranzystor

44. 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

45. TERYSTORY

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

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

50. UKŁADY SCALONE