ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 KEM GÓCZO-HTCZ M. STSŁW STSZC W KKOWE Wyział nformayki, Elekroniki i Telekomunikacji Kaera Elekroniki ELEMETY ELEKTOCZE r inż. Pior ziurzia paw. C-3, pokój 43; el , pior.ziurzia@agh.eu.pl r inż. reneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 52; el , ireneusz.brzozowski@agh.eu.pl ZŁĄCZE p-n charakerysyka - wpływ emperaury, przebicie złącza, pojemność złącza i inne EiT 206 r. P&B 2

2 Ch-ka prąowo-napięciowa WPŁYW TEMPETY Kierunek zaporowy Temperaurowy współczynnik prąu rewersyjnego nasycenia S nośników mniejszościowych: ln S TW S S T ni2 T 3 exp Eg 0 / kt TW S T E E ln 3 ln T g 0 3 g 0 T kt T kt la krzemu o Eg=,2eV w T=300K orzymujemy: TWS 5 %/K Temperaurowy współczynnik prąu generacyjnego TW G0 2T E 3 g 0 kt la krzemu o Eg=,2eV w T=300K orzymujemy: TWG0 7,5 %/K Wzglęne zmiany całkowiego prąu rewersyjnego zwykle wynoszą nie więcej niż 9 %/K a każe 0K prą rewersyjny powaja się EiT 206 r. Elemeny elekroniczne - złącze p-n P&B 3 Ch-ka prąowo-napięciowa WPŁYW TEMPETY Kierunek przewozenia F nt Zakres prąów yfuzyjnych, gy n ( =F) wey: S exp zaem: TW TW S F T q F S exp kt F T TW S F TW F T T F T T T T poencjał elekroermiczny Temperaurowy współczynnik napięcia przewozenia TW F F EiT 206 r. P&B F F T 3nk g 0 F T q cons 2mV / K Elemeny elekroniczne - złącze p-n 4 2

3 Ch-ka prąowo-napięciowa WPŁYW TEMPETY T -2mV/K T na każe 0K prą powaja się EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n 5 ioa jako ermomer EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 6 3

4 PZEBCE ZŁĄCZ p-n Gwałowny wzros prąu po przekroczeniu pewnego napięcia polaryzującego złącze zaporowo przebicie Zenera przebicie lawinowe przebicie cieplne EiT 206 r. Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie P&B 7 PZEBCE ZEE Pole elekryczne w cienkiej warswie zaporowej może wyrwać elekron z wiązania kowalencyjnego aomów sieci krysalicznej jonizacja elekrosayczna emisja wewnęrzna (zjawisko Zenera). <0 P Jnu Jnu EC Przejście unelowe elekronów l 2 s ( B ) q p+-n: >> wzros koncenracji omieszek węższa warswa zaporowa złącza EC EF EF EV Jpu Jpu EiT 206 r. P&B mniejsza szerokość bariery poencjału ławiejsze unelowanie nośników EV Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 8 4

5 PZEBCE LWOWE Silne pole elekryczne rozpęza swobony nośnik o prękości pozwalającej na rozerwanie wiązań kowalencyjnych w sieci krysalicznej jonizacja zerzeniowa powielanie lawinowe. <0 P B + aężenie pola elekrycznego musi być rzęu 05 V/cm Fp Współczynnik powielania lawinowego: M Fn B m B napięcie przebicia złącza m współczynnik, la Si: 2 6 Gęsość prąu: J J 0 M J0 gęsość prąu prze przebiciem EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 9 PZEBCE ZŁĄCZ p-n napięcie przebicia 𝑼𝑩𝑹 𝑾𝒈 <4 𝒒 la krzemu rozaj przebicia 𝑼𝑩𝑹 < 5V Zenera 𝑾𝒈 𝑾𝒈 𝟒 𝑼𝑩𝑹 𝟔 𝟓V < 𝑼𝑩𝑹 < 7V 𝒒 𝒒 apięcie przebicia [V] 𝑼𝑩𝑹 < 6 𝑾𝒈 𝒒 𝑼𝑩𝑹 > 7V Zenera i lawinowe lawinowe Przebicie lawinowe Przebicie Zenera Koncenracja omieszek w obszarze bazy [cm-] EiT 206 r. P&B Zróło: Figure 26 in Physics of Semiconucor evices, Secon Eiion, S.M. Sze, John Wiley an Sons, ew York, 98, p.0 Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 0 5

6 Przebicie Zenera WPŁYW TEMPETY na napięcie przebicia T E g unelowy Przebicie lawinowe T ampliua rgań aomów sieci prawopoobieńswo zerzeń roga swobona energia kineyczna nośników powielanie lawinowe lawinowy EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie WPŁYW TEMPETY na napięcie przebicia ( Z ) Temperaurowy współczynnik napięcia przebicia TW Z Z Z T określa wzglęne zmiany napięcia przebicia o emperaury EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie 2 6

7 WPŁYW TEMPETY na napięcie przebicia przebicie Zenera przebicie lawinowe T T TW Z < 0 TW Z > 0 EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n 3 PZEBCE TEMCZE po wpływem wzrosu emperaury rośnie prą rewersyjny złącza pogrzewanie i alszy wzros prąu oanie sprzężenie zwrone uszkozenie złącza w skuek przegrzania EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: przebicie cieplne 4 7

8 8 EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze p-n: pojemność 5 Pojemność złączowa powsaje w obszarze zubożonym, laego ominuje przy polaryzacji zaporowej złącza l - szerokość obszaru zubożonego powierzchnia przekroju złącza l p n x n0 p0 x 0 Gęsość łaunku x x n0 x p0 q q qx n Q 0 qx p Q B q l w sanie równowagi, przy braku polaryzacji zewnęrznej 2 2 B q l przy polaryzacji zewnęrznej napięciem p n qx qx Q 0 0 n l x 0 p l x 0 VETE POJEMOŚĆ ZŁĄCZ POJEMOŚĆ ZŁĄCZOW EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze p-n: pojemność 6 POJEMOŚĆ ZŁĄCZ POJEMOŚĆ ZŁĄCZOW 2 2 B l q Q u Q C B B j q Q C j l C Ską my o znamy? m B j j C C 0 2 m 3 m la złączy skokowych la złączy liniowych la złącza (p + -n) >>, laego xn0 l, xp0 0, wówczas: B j q C wniosek: na posawie pomiaru pojemności złączowej można określić koncenrację omieszki słabiej omieszkowanego obszaru (u: ypu n) C j C j0 B 2 2 B q l

9 POJEMOŚĆ ZŁĄCZ POJEMOŚĆ YFZYJ Pojemność yfuzyjna ominuje przy polaryzacji złącza w kierunku przewozenia, wynika z opóźnienia zmian napięcia wzglęem zmian prąu Zakłaamy złącze ypu (p + -n), czyli: >>, laego xn0 l, xp0 0 p n rozkła nośników p Q p p p n e xn Lp Cały rozkła łaunków jes onawiany zięki wsrzykiwaniu łaunków przez przepływający prą. W innym przypaku ów rozkła zanikałby na skuek rekombinacji po śrenim czasie życia ziur τp w maeriale ypu n. Q p Q p Q p q 0 p x x n n x n C Q p p T Ską my o znamy? EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze p-n: pojemność 7 POJEMOŚĆ ZŁĄCZ POSMOWE zaporowy kierunek pracy złącza przewozenia ominuje pojemność złączowa C j >C Związana jes z gromazeniem łaunku w warswie zubożonej ominuje pojemność yfuzyjna C >>C j Związana z przepływem prąu yfuzyjnego C j0 C j C Q p p T B C j0 C j m B EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne - złącze p-n: pojemność 8 9

10 PZEŁĄCZE OY EFEKTY YMCZE E M -E E EF EF F Δ s f Przełączanie prąowe jeżeli: r r s M EF E r la m=/2,58c j0 EF 0.7V EF 0.7V F r S F eg r r s,25 C j0 la m=/3 F i E r C j ln C j ln C j E 0.7V jeżeli EF>>0.7V i EF=E u E 0.7V rise ime r s ln sorage ime F off s f f 2. 2C j falling ime EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze p-n: efeky ynamiczne 9 ZŁĄCZE p-n moelowanie EiT 206 r. P&B 20 0

11 MOELE O MOELE SYMBOLCZE schemay zasępcze ELOWE wielkosygnałowe LOWE małosygnałowe STTYCZE YMCZE EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne moele io 2 MOELE O MOEL WELKOSYGŁOWY, STTYCZY ównanie Shockleya T ( ) e S lub: ( ) G0 e r 2 S T S e r T S o ELOWE zależności wiążące prą i napięcie ioy r () serowane źróło prąowe (wg jenego z powyższych równań) r S r rezysancja upływu (la kierunku zaporowego) r S rezysancja szeregowa EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne wielkosygnałowy moel ioy 22

12 MOELE O MOEL WELKOSYGŁOWY, YMCZY zjawiska ynamiczne są reprezenowane przez: pojemność złączową C j i yfuzyjną C r () C j r S C EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne wielkosygnałowy moel ioy 23 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KOKTCJ O EGLOWEJ WTOŚC i 2 2 P 2 punk pracy P(, ) i u i u i P 2 g skłaowa sała skłaowa zmienna i u i u g u u g i u g 2 i u 2 EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa złączowa 2

13 MOELE O MOEL MŁOSYGŁOWY, LOWY WG: jeśli zmiany napięcia i prąu ioy bęą małe o ELOWĄ ch-kę można lokalnie LEYZOWĆ w ooczeniu punku pracy i + PP i u u = + sin() EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne małosygnałowy moel ioy 25 MOELE O MOEL MŁOSYGŁOWY, LOWY i syczna w punkcie pracy i S e u n T r u i (, ) nt S nt /r PP u zwykle n = i r T k C Ską my o znamy? Q p p T r k r r S moel la kierunku przewozenia EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne małosygnałowy moel ioy 26 3

14 MOELE O MOEL MŁOSYGŁOWY, YMCZY r C j r S r rezysancja ynamiczna r S rezysancja szeregowa C j pojemność złączowa C pojemność yfuzyjna C pulsacja graniczna gr r C j. wey, gy spaek napięcia na złączu jes porównywalny ze spakiem napięcia na rezysancji szeregowej (r S ) S j EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa prosownicza 27 MOELE O MOEL MŁOSYGŁOWY, LOWY PZYKŁ ioa krzemowa pracuje przy prązie = 0m. Obliczyć rezysancję sayczną i ynamiczną, przeyskuować wyniki zależności mięzy ymi rezysancjami. i ezysancja sayczna: T ezysancja ynamiczna: r 0m /r PP u la ioy krzemowej można przyjąć = 0,6V i poencjał elekroermiczny 26mV la T=300K. są: = 0,6V/0m = 60, r = 26mV/0m = 2,6. / Jak bęzie wygląać zależność /r w funkcji napięcia ioy (czyli położenia punku pracy na ch-ce)? EiT 205 r. P&B Elemeny elekroniczne małosygnałowy moel ioy 28 4

15 OY POSTOWCZ, STBLZCYJ, TELOW, ŚWECĄC, EiT 206 r. P&B 29 O POSTOWCZ Wykorzysuje fak jenokierunkowego przepływu prąu przez złącze p-n Paramery: maksymalny prą przewozenia maksymalne napięcie rewersyjne maksymalna moc sra (amisyjna) Pmax prą rewersyjny upływu rezysancja ermiczna h maksymalna emperaura złącza Tjmax ypowa pojemność złączowa inne EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa prosownicza 30 5

16 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE PZEBEGÓW PĘCOWYCH ETEKTO SZCZYTOWY BMK OOW OGCZK OOWY POSTOWK POWELCZE PĘC POMP ŁKOW i inne EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 3 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH POSTOWK JEOPOŁÓWKOWY Mała ampliua ęnień gy spełniony jes warunek: i LC L >> T E L E L L CL T EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 32 6

17 ESET OY W KŁCH ELEKTOCZYCH POSTOWK WPOŁÓWKOWY E T E CL L L EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 33 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH ETEKTO WTOŚC SZCZYTOWEJ we C V V Z we V ESET eekory warości szczyowej pozwalają mierzyć wolomierzem prąu sałego warość ampliuy przebiegów zmiennych. Pojemność C łaowana jes przez ioę, uża rezysancja wewnęrzna wolomierza uniemożliwia jej szybkie rozłaowanie. Krókorwałe zwarcie przycisku ESET powouje rozłaowanie pojemności z małą sałą czasową τ=zc i przygoowanie ukłau o nowych pomiarów. EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 34 7

18 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE CHKTEYSTYK PZEJŚCOWEJ () WE WY arysuj ch-kę przejściową WY = f( WE ) ukłau zakłaając, że ioa jes iealna. WY WE EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 35 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE CHKTEYSTYK PZEJŚCOWEJ () WE WY arysuj ch-kę przejściową WY = f( WE ) ukłau zakłaając, że ioa jes iealna. WY WE Gy, WE 0, o: ioa przewozi. WY = WE EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 36 8

19 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE CHKTEYSTYK PZEJŚCOWEJ () WE WY arysuj ch-kę przejściową WY = f( WE ) ukłau zakłaając, że ioa jes iealna. WY WE Gy, WE 0, o: ioa przewozi. Gy, WE < 0, o: ioa nie przewozi. WY = 0 WY = WE EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 37 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE CHKTEYSTYK PZEJŚCOWEJ (2) 0,7V WE WY arysuj ch-kę przejściową WY = f( WE ) ukłau zakłaając, że ioa jes prawie iealna. WY 0,7V Gy, WE 0,7V, o: ioa przewozi. Gy, WE < 0,7V, o: ioa nie przewozi. WY = 0 WE 0,7V WE 0,7V WY =0 WY = WE 0,7V EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 38 9

20 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE CHKTEYSTYK PZEJŚCOWEJ (3) WE WY arysuj ch-kę przejściową WY = f( WE ) ukłau zakłaając, że ioa nie jes iealna. WY 0,7V /r WE EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 39 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE CHKTEYSTYK PZEJŚCOWEJ (4) WE 2 WY arysuj ch-kę przejściową WY = f( WE ) ukłau zakłaając, że ioa jes prawie iealna. WY WE EiT 205 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 40 20

21 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH KSZTŁTOWE PZEBEGÓW PĘCOWYCH WE WE WY 4 m m2 m3 WY m m: przewozi () m= m2: przewozi (,, 2) m2=(2)/(+2) m3: przewozi (,, 2, 2, 3) m3=(2 3)/(+2 3) 4 m4: przewozi (,, 2, 3, 2, 3, 4) m4=(2 3 4)/(+2 3 4) EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 4 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH EMOLCJ M EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 42 2

22 O STBLZCYJ Wykorzysuje owracalne przebicie złącza o mechanizmie Zenera i/lub lawinowym. Paramery: napięcie sabilizacji Z (częso nazywane napięciem Zenera) emperaurowy współczynnik napięcia sabilizacji rezysancja ynamiczna r z maksymalna moc sra (amisyjna) P max prą rewersyjny upływu rezysancja ermiczna h maksymalna emperaura złącza T jmax EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa sabilizacyjna 43 O STBLZCYJ EZYSTCJ YMCZ r Z Z Z Z Z ( Z, Z ) Określa własności sabilizacyjne ioy nachylenie ch-ki w zakresie przebicia Zależność TW Z i rezysancji ynamicznej o napięcia sabilizacyjnego ysunek zaczerpnięo z S. Kua Elemeny i ukłay elekroniczne, GH 2000 EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa sabilizacyjna 44 22

23 O STBLZCYJ EZYSTCJ YMCZ hp:// EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa sabilizacyjna 45 O STBLZCYJ OPSZCZL MOC STT P MX P max określa maksymalną moc jaka może się wyzielić w iozie przy określonej emperaurze. Zwykle, w kaalogach, poawana przy emperaurze obuowy T amb =25 o C P max T j max T h amb Przekroczenie opuszczalnej mocy najczęściej powouje uszkozenie ioy przez przegrzanie EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa sabilizacyjna 46 23

24 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH PMETYCZY STBLZTO PĘC WE Z Sabilizaor parameryczny bez obciążenia WE Z WY iealna charakerysyka ioy sabilizacyjnej WY Z WE Z Z Z F Z WE F la ioy krzemowej wynosi ok. 0,7V EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie ioy sabilizacyjnej 47 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH PMETYCZY STBLZTO PĘC WE Z L Sabilizaor parameryczny z obciążeniem WE WY Z Z Z Z P P L L WY WE WEZ Z Z WE L iealna charakerysyka ioy sabilizacyjnej Z P Z F F la ioy krzemowej wynosi ok. 0,7V EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie ioy sabilizacyjnej 48 24

25 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH PMETYCZY STBLZTO PĘC we Wpływ zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe przy L=cons rzeczywisa charakerysyka ioy sabilizacyjnej u WE WE u we Z L u WY WY u wy (skłaowa sała i zmienna) u WY P( WE, WY ) Z u wy Z u WE P r Z P Z L u we EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie ioy sabilizacyjnej 49 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH PMETYCZY STBLZTO PĘC Wpływ zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe u we r Z u wy u wy rz u r Z we EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie ioy sabilizacyjnej 50 25

26 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH PMETYCZY STBLZTO PĘC Wpływ zmian rezysancji obciążenia L na napięcie wyjściowe przy WE=cons zeczywisa charakerysyka ioy Zenera u WE cons. Z L u WY WY u wy uwy Z? P r T L EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie ioy sabilizacyjnej 5 OY W KŁCH ELEKTOCZYCH OGCZK PĘC 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 206 r. P&B Elemeny elekroniczne zasosowanie io 52 26

27 O TELOW ioa Esakiego powsaje ze złącza wóch zegenerowanych półprzewoników p ++ n ++. Półprzewonik zegenerowany o aki, w kórym poziom koncenracji omieszki zbliża się o koncenracji aomów maeriału. p n EF EC E EV EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa unelowa 53 O TELOW r<0 -r EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa unelowa 54 27

28 O ELEKTOLMESCECYJ B l Ga n V C Si Ge Sn V P s Sb ekombinacja promienisa (luminescencja) GaP -V lp ls GaP Gas GaSb EC S Zn EV Eg=2,26eV hv=2,2ev zielone EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa świecąca 55 O ELEKTOLMESCECYJ LGHT EMTTG OE E 0,7 2,5 EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne ioa świecąca 56 28

29 ZŁĄCZE m-s (meal półprzewonik) O SCHOTTKY EGO EiT 206 r. P&B 57 ZŁĄCZE METL-PÓŁPZEWOK Połączenie srukury półprzewonikowej z końcówkami elemenu (oprowazenia) ma być niskorezysancyjne nie wpływać na charakerysykę - elemenu jes w pewnych warunkach może powsać złącze prosujące może eż być niskorezysancyjne EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s 58 29

30 ZŁĄCZE m-s Praca wyjścia W energia porzebna na przeniesienie elekronu z poziomu Fermiego o nieskończoności (W - W F ) Powinowacwo elekronowe - praca wyjścia z poziomu minimalnej energii w paśmie przewonicwa E C energia elekronu w próżni W M S W S E C E F WM W S E i E F E V meal półprzewonik ypu n EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s 59 ZŁĄCZE m-s połączenie myślowe WM W S Elekrony ławo przechozą z półprzewonika o mealu q B q 0 E C E F E V 0 poencjał konakowy B bariera poencjału meal półprzewonik n opóki ich ruch nie zosanie powsrzymany przez pole elekryczne o gromazących się łaunków S Z równania Poissona: 2 S 0 S q EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s 60 30

31 ZŁĄCZE m-s KOTKT OMOWY Przy polaryzacji napięciem : S 2 S ( 0 ) q q B unelowanie E C E F S n+ n E V może wysąpić unelowanie uraa własności prosujących złącza meal S półprzewonik n Żeby wykonać konak omowy musi być opowienia koncenracja omieszek EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s: konak omowy 6 ZŁĄCZE m-s O SCHOTTKY ego ioa Schoky ego o prosujące złącze meal półprzewonik symbol graficzny: zaley: mniejsze napięcie przewozenia (ok. 0,3V), mała pojemność (prakycznie brak pojemności yfuzyjnej) way: uży prą rewersyjny, małe napięcie przebicia zasosowanie: ukłay impulsowe pracujące z użymi częsoliwościami eekcja sygnałów mikrofalowych ukłay cyfrowe TTL-LS EiT 206 r. P&B Elemeny elekroniczne złącze m-s: ioa Schoky ego 62 3