ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 AKAEMA GÓRNCZO-HTNCZA M. STANSŁAWA STASZCA W KRAKOWE Wydział nformayki, Elekroniki i Telekomunikacji Kaedra Elekroniki ELEMENTY ELEKTRONCZNE dr inż. Pior ziurdzia paw. C-3, pokój 43; el , pior.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. reneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 52; el , ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl ZŁĄCZE p-n charakerysyka - wpływ emperaury, przebicie złącza, pojemność złącza i inne EiT 204 r. P&B 2

2 Ch-ka prądowo-napięciowa WPŁYW TEMPERATRY Kierunek zaporowy Temperaurowy współczynnik prądu rewersyjnego nasycenia d S d nośników mniejszościowych: ln S TW S S dt ni2 AT 3 exp Eg 0 / kt TW S dt E E d ln A 3 ln T g 0 3 g 0 dt kt T kt la krzemu o Eg=,2eV w T=300K orzymujemy: TWS 5 %/K Temperaurowy współczynnik prądu generacyjnego TW GR0 2T E 3 g 0 kt la krzemu o Eg=,2eV w T=300K orzymujemy: TWGR0 7,5 %/K Względne zmiany całkowiego prądu rewersyjnego zwykle wynoszą nie więcej niż 9 %/K Na każde 0K prąd rewersyjny podwaja się EiT 204 r. Elemeny elekroniczne - złącze p-n P&B 3 Ch-ka prądowo-napięciowa WPŁYW TEMPERATRY Kierunek przewodzenia F nt Zakres prądów dyfuzyjnych, gdy n ( =F) wedy: S exp zaem: TW TW S F T q S exp F kt d F dt TW S F TW F T T F dt T dt T poencjał elekroermiczny Temperaurowy współczynnik napięcia przewodzenia TW F d F d EiT 204 r. P&B d F F dt 3nk g 0 F T q cons 2mV / K Elemeny elekroniczne - złącze p-n 4 2

3 Ch-ka prądowo-napięciowa WPŁYW TEMPERATRY d T -2mV/K d T na każde 0K prąd podwaja się EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n 5 ioda jako ermomer EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 6 3

4 PRZEBCE ZŁĄCZA p-n Gwałowny wzros prądu po przekroczeniu pewnego napięcia polaryzującego złącze zaporowo przebicie Zenera przebicie lawinowe przebicie cieplne EiT 204 r. Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie P&B 7 PRZEBCE ZENERA Pole elekryczne w cienkiej warswie zaporowej może wyrwać elekron z wiązania kowalencyjnego aomów sieci krysalicznej jonizacja elekrosayczna emisja wewnęrzna (zjawisko Zenera). <0 P Jnu EC ld Przejście unelowe elekronów 2 s ( B ) qn p+-n: NA>>N wzros koncenracji domieszek węższa warswa zaporowa złącza EF EV EC EF Jpu EiT 204 r. N P&B mniejsza szerokość bariery poencjału ławiejsze unelowanie nośników EV Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 8 4

5 PRZEBCE LAWNOWE Silne pole elekryczne rozpędza swobodny nośnik do prędkości pozwalającej na rozerwanie wiązań kowalencyjnych w sieci krysalicznej jonizacja zderzeniowa powielanie lawinowe. <0 P B + Naężenie pola elekrycznego musi być rzędu 05 V/cm N Fp Współczynnik powielania lawinowego: M Fn BR m BR napięcie przebicia złącza m współczynnik, dla Si: 2 6 Gęsość prądu: J J 0 M J0 gęsość prądu przed przebiciem EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 9 PRZEBCE ZŁĄCZA p-n napięcie przebicia 𝑈𝐵𝑅 < 4 𝑊𝑔 𝑞 𝑊𝑔 𝑊𝑔 4 𝑈𝐵𝑅 6 𝑞 𝑞 Napięcie przebicia [V] 𝑈𝐵𝑅 > 6 𝑊𝑔 𝑞 dla krzemu rodzaj przebicia 𝑈𝐵𝑅 < 5V Zenera 5V < 𝑈𝐵𝑅 < 7V Zenara i lawinowe 𝑈𝐵𝑅 > 7V lawinowe Przebicie lawinowe Przebicie Zenera Koncenracja domieszek w obszarze bazy [cm-] EiT 204 r. P&B Zródło: Figure 26 in Physics of Semiconducor evices, Second Ediion, S.M. Sze, John Wiley and Sons, New York, 98, p.0 Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 0 5

6 Przebicie Zenera WPŁYW TEMPERATRY na napięcie przebicia T E g unelowy Przebicie lawinowe T ampliuda drgań aomów sieci prawdopodobieńswo zderzeń droga swobodna energia kineyczna nośników powielanie lawinowe lawinowy EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie WPŁYW TEMPERATRY na napięcie przebicia ( Z ) Temperaurowy współczynnik napięcia przebicia TW Z Z T Z określa względne zmiany napięcia przebicia od emperaury EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 2 6

7 WPŁYW TEMPERATRY na napięcie przebicia przebicie Zenera przebicie lawinowe T T TW Z < 0 TW Z > 0 EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n 3 PRZEBCE TERMCZNE pod wpływem wzrosu emperaury rośnie prąd rewersyjny złącza podgrzewanie i dalszy wzros prądu dodanie sprzężenie zwrone uszkodzenie złącza w skuek przegrzania EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie cieplne 4 7

8 POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA POJEMNOŚĆ ZŁĄCZOWA Pojemność złączowa powsaje w obszarze zubożonym, dlaego dominuje przy polaryzacji zaporowej złącza x p0 xn0 0 2 B ld q p N A N 2 N A N w sanie równowagi, przy braku polaryzacji zewnęrznej n 2 B N A N 2 ld q N A N ld Q qaxn0 N qaxp0 N A Gęsość ładunku qn Q qaxn0 N x p0 x NA ld N A N x p0 N ld N A N ld - szerokość obszaru zubożonego A powierzchnia przekroju złącza qn A EiT 204 r. xn 0 VERTE xn0 Q qax p 0 N A przy polaryzacji zewnęrznej napięciem Elemeny elekroniczne złącze p-n: pojemność P&B 5 POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA POJEMNOŚĆ ZŁĄCZOWA N N N N 2 Q qa A ld A 2 B A N A N N A N C Cj dq du dq A 2q N AN d B 2 B N A N 2 2 B N A N ld q N A N la złącza wówczas: (p+-n) Cj C j0 2 B A ld Skąd my o znamy? C j NA>>N, dlaego xn0 ld, xp0 0, 2 A 2q Cj N 2 B wniosek: na podsawie pomiaru pojemności złączowej można określić koncenrację domieszki słabiej domieszkowanego obszaru (u: ypu n) EiT 204 r. Cj P&B C j0 B m m 2 dla złączy skokowych m 3 dla złączy liniowych Elemeny elekroniczne złącze p-n: pojemność 6 8

9 POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA POJEMNOŚĆ YFZYJNA Pojemność dyfuzyjna dominuje przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia, wynika z opóźnienia zmian napięcia względem zmian prądu Zakładamy złącze ypu (p+-n), czyli: NA>>N, dlaego xn0 ld, xp0 0 pn p rozkład nośników p pn e Cały rozkład ładunków jes odnawiany dzięki wsrzykiwaniu ładunków przez przepływający prąd. W innym przypadku ów rozkład zanikałby na skuek rekombinacji po średnim czasie życia dziur τp w maeriale ypu n. xn Lp Q p Q p Qp xn Cd Q p qa p xn dxn dq d p p d d T Skąd my o znamy? 0 EiT 204 r. Elemeny elekroniczne złącze p-n: pojemność P&B 7 POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA POSMOWANE kierunek pracy złącza zaporowy przewodzenia ominuje pojemność złączowa ominuje pojemność dyfuzyjna Cj>Cd Cd>>Cj Związana jes z gromadzeniem ładunku w warswie zubożonej Związana z przepływem prądu dyfuzyjnego Cj Cd C j0 dq d p p d d T B C j EiT 204 r. P&B C j0 B m Elemeny elekroniczne - złącze p-n: pojemność 8 9

10 PRZEŁĄCZANE OY EFEKTY YNAMCZNE E M -ER E EF EF F Δ R s f Przełączanie prądowe jeżeli: R r d r s M EF ER R r dla m=/2,58rc j0 EF 0.7V EF 0.7V F R r R S F eg r r s,25 RC j0 dla m=/3 F R id E r RC j ln RC j ln RC j E 0.7V jeżeli EF>>0.7V i EF=ER R ud ER 0.7V R R rise ime r s ln sorage ime F R off s f f 2. 2RC j falling ime EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze p-n: efeky dynamiczne 9 ZŁĄCZE p-n modelowanie EiT 204 r. P&B 20 0

11 MOELE O MOELE SYMBOLCZNE schemay zasępcze NELNOWE wielkosygnałowe LNOWE małosygnałowe STATYCZNE YNAMCZNE EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne modele diod 2 MOELE O MOEL WELKOSYGNAŁOWY, STATYCZNY Równanie Shockleya T ( ) e S lub: ( ) GR0 e r 2 S T S e r T S o NELNOWE zależności wiążące prąd i napięcie diody r () serowane źródło prądowe (wg jednego z powyższych równań) r S r rezysancja upływu (dla kierunku zaporowego) r S rezysancja szeregowa EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne wielkosygnałowy model diody 22

12 MOELE O MOEL WELKOSYGNAŁOWY, YNAMCZNY zjawiska dynamiczne są reprezenowane przez: pojemność złączową C j i dyfuzyjną C d r () C j r S C d EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne wielkosygnałowy model diody 23 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH KONKTANCJA O REGLOWANEJ WARTOŚC i d2 2 P 2 punk pracy P(, ) i u i d u d i d P 2 g d składowa sała składowa zmienna i u i u d d g d u d u d g d i u d d g d 2 i u d 2 d EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda złączowa 2

13 MOELE O MOEL MAŁOSYGNAŁOWY, LNOWY WAGA: jeśli zmiany napięcia i prądu diody będą małe o NELNOWĄ ch-kę można lokalnie LNEARYZOWAĆ w ooczeniu punku pracy i + d PP i d u d u = + d sin() EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne małosygnałowy model diody 25 MOELE O MOEL MAŁOSYGNAŁOWY, LNOWY i syczna w punkcie pracy i S e u n T r d du di (, ) nt S nt /r d PP u zwykle n = i r d T k C d Skąd my o znamy? dq p d p T r d k r d r S model dla kierunku przewodzenia EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne małosygnałowy model diody 26 3

14 MOELE O MOEL MAŁOSYGNAŁOWY, YNAMCZNY r d C j r S r d rezysancja dynamiczna r S rezysancja szeregowa C j pojemność złączowa C d pojemność dyfuzyjna C d pulsacja graniczna gr r C j. wedy, gdy spadek napięcia na złączu jes porównywalny ze spadkiem napięcia na rezysancji szeregowej (r S ) S j EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda prosownicza 27 OY PROSTOWNCZA, STABLZACYJNA, TNELOWA, ŚWECĄCA, EiT 204 r. P&B 28 4

15 OA PROSTOWNCZA Wykorzysuje fak jednokierunkowego przepływu prądu przez złącze p-n Paramery: maksymalny prąd przewodzenia maksymalne napięcie rewersyjne maksymalna moc sra (admisyjna) Pmax prąd rewersyjny upływu rezysancja ermiczna Rh maksymalna emperaura złącza Tjmax ypowa pojemność złączowa inne EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda prosownicza 29 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH KSZTAŁTOWANE PRZEBEGÓW NAPĘCOWYCH ETEKTOR SZCZYTOWY BRAMKA OOWA OGRANCZNK OOWY POWELACZE NAPĘCA PROSTOWNK POMPA ŁANKOWA i inne EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 30 5

16 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH PROSTOWNK JENOPOŁÓWKOWY RLC L >> T Mała ampliuda ęnień gdy spełniony jes warunek:? i E L E L RL CL T EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 3 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH PROSTOWNK WPOŁÓWKOWY E T E CL L RL EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 32 6

17 RESET OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH ETEKTOR WARTOŚC SZCZYTOWEJ we C V R V RZ we V RESET eekory warości szczyowej pozwalają mierzyć wolomierzem prądu sałego warość ampliudy przebiegów zmiennych. Pojemność C ładowana jes przez diodę, duża rezysancja wewnęrzna wolomierza uniemożliwia jej szybkie rozładowanie. Krókorwałe zwarcie przycisku RESET powoduje rozładowanie pojemności z małą sałą czasową τ=rzc i przygoowanie układu do nowych pomiarów. EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 33 OA STABLZACYJNA Wykorzysuje odwracalne przebicie złącza o mechanizmie Zenera i/lub lawinowym. Paramery: napięcie sabilizacji Z (częso nazywane napięciem Zenera) emperaurowy współczynnik napięcia sabilizacji rezysancja dynamiczna r z maksymalna moc sra (admisyjna) P max prąd rewersyjny upływu rezysancja ermiczna R h maksymalna emperaura złącza T jmax EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda sabilizacyjna 34 7

18 OA STABLZACYJNA REZYSTANCJA YNAMCZNA r Z Z Z Z Z ( Z, Z ) Określa własności sabilizacyjne diody nachylenie ch-ki w zakresie przebicia Zależność TW Z i rezysancji dynamicznej od napięcia sabilizacyjnego Rysunek zaczerpnięo z S. Kua Elemeny i układy elekroniczne, AGH 2000 EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda sabilizacyjna 35 OA STABLZACYJNA REZYSTANCJA YNAMCZNA hp:// EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda sabilizacyjna 36 8

19 OA STABLZACYJNA OPSZCZALNA MOC STRAT P MAX P max określa maksymalną moc jaka może się wydzielić w diodzie przy określonej emperaurze. Zwykle, w kaalogach, podawana przy emperaurze obudowy T amb =25 o C P max T j max R T h amb Przekroczenie dopuszczalnej mocy najczęściej powoduje uszkodzenie diody przez przegrzanie EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda sabilizacyjna 37 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH PARAMETRYCZNY STABLZATOR NAPĘCA WE R Z Sabilizaor parameryczny bez obciążenia WE Z WY dealna charakerysyka iody Zenera WY Z Z Z WE Z P Z WE P dla diody krzemowej wynosi ok. 0,7V EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diody sabilizacyjnej 38 9

20 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH PARAMETRYCZNY STABLZATOR NAPĘCA WE R Z L Sabilizaor parameryczny z obciążeniem WE Z RL WY dealna charakerysyka iody Zenera WY Z R L WE R R L Z R Z RL P P WE WEZ Z Z R R L Z P P WE EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diody sabilizacyjnej 39 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH PARAMETRYCZNY STABLZATOR NAPĘCA R Wpływ zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe przy RL=cons Rzeczywisa charakerysyka iody Zenera u WE WE u we Z RL u WY WY u wy uwy uwy Z P(WE, WY) Z P R L WE R R L P r Z R Z RL uwe uwe EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diody sabilizacyjnej 40 20

21 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH PARAMETRYCZNY STABLZATOR NAPĘCA Wpływ zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe R u we r Z u wy u wy rz u r R Z we EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diody sabilizacyjnej 4 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH PARAMETRYCZNY STABLZATOR NAPĘCA R Wpływ zmian rezysancji obciążenia RL na napięcie wyjściowe przy WE=cons Rzeczywisa charakerysyka iody Zenera u WE cons. Z RL u WY WY u wy uwy Z? P r d T RL EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diody sabilizacyjnej 42 2

22 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH OGRANCZNK NAPĘCA WE WE WY WY +3.0V +0.7V -0.7V -3.0V WE 4.3V 6.8V WY WE WY +0.0V +5.0V -7.5V -0.0V EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 43 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH KSZTAŁTOWANE PRZEBEGÓW NAPĘCOWYCH WE WE R WY 4 m m2 m3 WY m4 2 R2 5 3 R3 6 m: przewodzi (R) m= m2: przewodzi (R,, R2) m2=(r2)/(r+r2) m3: przewodzi (R,, 2, R2, R3) m3=(r2 R3)/(R+R2 R3) R4 m4: przewodzi (R,, 2, 3, R2, R3, R4) m4=(r2 R3 R4)/(R+R2 R3 R4) EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 44 22

23 OY W KŁAACH ELEKTRONCZNYCH EMOLACJA AM EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie diod 45 OA TNELOWA ioda Esakiego powsaje ze złącza dwóch zdegenerowanych półprzewodników p ++ n ++. Półprzewodnik zdegenerowany o aki, w kórym poziom koncenracji domieszki zbliża się do koncenracji aomów maeriału. p n EF EC E EV EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda unelowa 46 23

24 OA TNELOWA rd<0 -r d EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda unelowa 47 OA ELEKTROLMNESCENCYJNA B Al Ga n V C Si Ge Sn V P As Sb Rekombinacja promienisa (luminescencja) GaP -V AlP AlAs GaP GaAs GaSb EC S Zn EV Eg=2,26eV hv=2,2ev zielone EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda świecąca 48 24

25 OA ELEKTROLMNESCENCYJNA LGHT EMTTNG OE R E 0,7 2,5 EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne dioda świecąca 49 ZŁĄCZE m-s (meal półprzewodnik) OA SCHOTTKY EGO EiT 204 r. P&B 50 25

26 ZŁĄCZE METAL-PÓŁPRZEWONK Połączenie srukury półprzewodnikowej z końcówkami elemenu (doprowadzenia) ma być niskorezysancyjne nie wpływać na charakerysykę - elemenu jes w pewnych warunkach może powsać złącze prosujące może eż być niskorezysancyjne EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s 5 ZŁĄCZE m-s Praca wyjścia W energia porzebna na przeniesienie elekronu z poziomu Fermiego do nieskończoności (W - W F ) Powinowacwo elekronowe - praca wyjścia z poziomu minimalnej energii w paśmie przewodnicwa E C energia elekronu w próżni S W S W M E C E F E i E F E V meal półprzewodnik ypu n EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s 52 26

27 ZŁĄCZE m-s połączenie myślowe B bariera poencjału q B q 0 E C E F 0 poencjał konakowy E V meal półprzewodnik n Z równania Poissona: 2 S 0 ds qn d S EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s 53 ZŁĄCZE m-s KONTAKT OMOWY Przy polaryzacji napięciem : d S 2 S ( 0 ) qn q B unelowanie E C E F N d S n+ n E V może wysąpić unelowanie uraa własności prosujących złącza meal d S półprzewodnik n Żeby wykonać konak omowy musi być odpowiednia koncenracja domieszek EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s: konak omowy 54 27

28 ZŁĄCZE m-s OA SCHOTTKY ego ioda Schoky ego o prosujące złącze meal półprzewodnik symbol graficzny: zaley: mniejsze napięcie przewodzenia (ok. 0,3V), mała pojemność (prakycznie brak pojemności dyfuzyjnej) wady: duży prąd rewersyjny, małe napięcie przebicia zasosowanie: układy impulsowe pracujące z dużymi częsoliwościami deekcja sygnałów mikrofalowych układy cyfrowe TTL-LS EiT 204 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s: dioda Schoky ego 55 28