1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza

Transkrypt

1 Elementy półprzewodnikowe i układy scalone 1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza ELEKTRONKA Jakub Dawidziuk sobota, 16 czerwca Charakterystyki prądowo-napięciowe 6. Parametry techniczne diod

2 Struktura krystaliczna Koncentracja atomów cm -3 a=2-3 Å (1 Å = 100 pm Angstrem jednostka długości równa m. Oznaczenie: Å.

3 Model atomu Elektron w atomie może znajdować się tylko w niektórych stanach kwantowych. Jądro (protony, neutrony) Elektron wartościowości

4 Półprzewodniki Wykorzystanie materiałów półprzewodnikowych spowodowało rozwój przemysłu elektronicznego dzięki produkcji takich przyrządów półprzewodnikowych jak diody, tranzystory i układy scalone. Atomy węgla, germanu i krzemu posiadają cztery elektrony w paśmie walencyjnym. Znajdują się one pomiędzy metalami i niemetalami i nazywają się półprzewodnikami. Oporność właściwa półprzewodników jest dużo większa niż metali i dużo mniejsza niż dielektryków. Podstawowym materiałem stosowanym przy produkcji elementów półprzewodnikowych jest krzem. Oporność właściwa: german 45 Ωcm, krzem Ωcm, węgiel 0,35 Ωcm.

5 Budowa atomu krzemu i germanu

6 Siatka krystaliczna krzemu półprzewodnik samoistny Krzem i german mają na ostatniej powłoce po cztery elektrony walencyjne. Aby zapełnić tę powłokę, atomy zajmują miejsce w siatce krystalicznej w taki sposób, że każdy z nich jest związany swoimi elektronami walencyjnymi z czterema sąsiednimi atomami, tworząc wiązanie kowalentne.

7 Elektrony i dziury swobodne W idealnym modelu atomu krzemu nie występują elektrony swobodne, które są w stanie przewodzić prąd elektryczny, dlatego też taki materiał jest dielektrykiem. Jednakże w temperaturze pokojowej, niektóre elektrony posiadają dostateczną energię do rozerwania wiązań kowalentnych i opuszczenia atomów macierzystych. Elektron opuszczając wiązanie kowalentne staje się nośnikiem prądu elektrycznego. Na jego miejscu powstaje tak zwana dziura.

8 Półprzewodniki domieszkowane

9 Półprzewodniki domieszkowane Własności pp samoistnych mogą być znacznie zmienione jeżeli do siatki krystalicznej zostaną wprowadzone domieszki. Domieszkowanie powoduje zmniejszenia rezystancji materiału samoistnego. Każdy atom domieszki może wziąć udział w przewodzeniu prądu w postaci jednego swobodnego elektronu lub dziury. Materiał samoistny zawiera w 1 cm 3 około 1,5*10 10 elektronów lub dziur. Koncentracja domieszki wznosi około cm -3 wolnych elektronów lub dziur. Liczba nośników prądu zwiększyła się około 10 5 razy. Tyle razy zmniejszona zostaje rezystancja półprzewodnika.

10 Koncentracje domieszek złącza p-n

11 Złącze pn niespolaryzowane stan równowagi Złącze p-n jest podstawową strukturą mikroelektroniki i optoelektroniki. diody (prostownicze, pojemnościowe, ); emitery promieniowania (lasery, LED); detektory promieniowania; ogniwa słoneczne.

12 Złącze p-n Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Schemat złącza p-n i jego niektóre właściwości przedstawiono na rysunku. Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n jest znacznie większa niż w obszarze p, w którym stanowią one nośniki mniejszościowe. Podobnie koncentracja dziur w obszarze p jest znacznie większa niż w obszarze n. Wskutek różnicy koncentracji następuje dyfuzja nośników większościowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n. Nośniki te po przejściu warstwy granicznej ulegają rekombinacji. W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej (obszarze przejściowym) po stronie obszaru n zanikają elektrony swobodne, a pozostają niezrównoważone elektrycznie dodatnie jony donorów, tworząc dodatni ładunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje ujemny ładunek przestrzenny w granicznej warstwie przejściowej po stronie obszaru p. Na złączu powstaje pole elektryczne i bariera potencjału. Pole elektryczne przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych, natomiast sprzyja przepływowi generowanych termicznie nośników mniejszościowych: elektronów swobodnych z obszaru p do n i dziur w kierunku przeciwnym. Opisany powyżej przepływ nośników większościowych nazywa się prądem dyfuzyjnym, a przepływ nośników mniejszościowych - prądem termicznym.

13 Polaryzacja złącza

14 Polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym oraz prądy w złączu

15 Polaryzacja diody w kierunku przewodzenia

16 Polaryzacja diody w kierunku zaporowym

17 Charakterystyka prądowo-napięciowa diody zakres przewodzenia zakres przebicia

18 Charakterystyki diody krzemowej prostowniczej Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia U F dla prądu przewodzenia F =0,1 Fmax.

19 Równanie charakterystyki prądowonapięciowej diody D qu D qu U D D T e mkt 1 e kt VT S 1 e 1 D S S s prąd termiczny, wsteczny, m współczynnik korekcyjny od 1 do 2 (m=1), V T =kt/q potencjał elektrokinetyczny. kt q q kt 1, ,5 mv 23 1,60 J K 296K C ,5 25,5 1 1 V 40V mv J C W s A s V A A V

20 Charakterystyki diody germanowej, krzemowej i Schottky ego koniec Z charakterystyki można odczytać wartość napięcia przewodzenia U F dla prądu przewodzenia F =0,1 Fmax : Ge, Schottky U F = 0,35 V, zazwyczaj przyjmujemy U F = 0,4 V; Si U F = 0,62V, zazwyczaj przyjmujemy U F = 0,7 V.

21 Typowe parametry dla diody małej mocy Si U F =0,7 V, U RM 50 V, Fmax =100 ma, S =10 pa; Ge U F =0,4 V, U RM 30 V, Fmax =100 ma, S =100 na. Typowe parametry dla diody dużej mocy Si XYS U F =0,8 V, U RM 2200 V, Fmax =1200 A; Schottky XYS U F =0,7 V, U RM 200 V, Fmax =60 A; SiC Cree U F =1,6 V, U RM 1200 V, Fmax =20 A S =10 μa; Ge praktycznie nie występują.

22 Obudowy diod i mostków

23 Fotodioda-zasada działania

24 Fotodioda Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu. Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia. Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.

25 Fotodioda-zasada działania Przy oświetleniu fotodiody w pobliżu jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze n i elektrony w obszarze p) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane i pokonują złącze. Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelektryczny f. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciążenia.

26 Obszary pracy fotodiody i fotoogniwa Fotoogniwo, PV, bateria słoneczna, 1m 2 ~ 500W, η=15%

27 s exp qu kt D 1 f Prąd zwarcia i napiecie rozwarcia 1.E 0, f 0 qu D s exp 1 kt dioda qu D 2.E 0, f 0, U D 0,exp 0, s kt f fotodioda 3.E 0, 0,U 0, 4.E 0, U D U oc f f kt q ln D 0, 0, f s f s 1 1 exp kt ln q sc qu kt f s D, f prąd zwarcia (ang. Short Circuit Current) PV SEM (ang. Open Circuit Voltage)

28 Charakterystyka -U i związane z nią parametry U oc napięcie obwodu otwartego sc prąd zwarcia sprawność U m P 0 m 100% P max U U m P 0 m m m 100% FF 0,8 FF U MPP U oc (ang. Fill Factor) P U max Współczynnik wypełnienia moc maksymalna m MPP P 0 moc promieniowania słonecznego oświetlającego czynną powierzchnię ogniwa oc m

29 Charakterystyka prądowo napięciowa i mocowo-napięciowa panela PV 900 W/m 2 P MPP = 66V 24A = 1584 W 300 W/m 2 P = 25V 8A = 200 W spadek mocy do 12,62% (prawie 8. krotny)

30 Charakterystyki elektryczne ogniw PV Maximum Power Point Tracking (MPPT) punkt maksymalnej mocy

31 Struktury systemów fotowoltaicznych Moc panelu PV od 100 do 400 W, napięcie wyjściowe V; a) centralna kw, b) łańcuchowa 3%; c) wielołańcuchowa 1,5-10 kw, d) modułowa 0,1-1 kw.

32 Ogniwo fotowoltaiczne - przykład Światło pada na fotodiodę, w której do złącza pn przyłożono ujemną polaryzację, przy czym uzyskano fotoprąd f =10 8 s.. Oblicz SEM dla T=300K. 1 ln V U 0 U U 0 S f T f f D 0,47V 1 10 ln 25 mv U 25 mv q kt V S S 8 f T

33 Ogniwo fotowoltaiczne - przykład Średnia wartość nasłonecznienia padającego na 1m 2 Ziemi w Polsce wynosi 500W. Sprawność konwersji η=15%. Obliczyć powierzchnię baterii PV potrzebnej do zasilania 100 W żarówki. P P P 1 W 2 2 P1 500 S m 2 1 m 2 P S 500W A 100 0, ,3m

34 Fotodioda jako fotodetektor

35 Parametry fotodiody: Parametry fotodiody maksymalne napięcie wsteczne U Rmax = V, maksymalny prąd ciemny R0max = 1 100nA, czułość na moc promieniowania S pe = 0,3 1A/W, czułość na natężenie oświetlenia S EV = nA/lx. Zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy 10 MHz (pin 1 GHz) Natomiast wadą jest dość silna zależność prądu fotodiody od temperatury.

36 Zastosowanie fotodiody w urządzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania, w szybkich przetwornikach analogowo cyfrowych, w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp., w panelach słonecznych.

37 Elementy półprzewodnikowe

38 Wykorzystanie paneli słonecznych Siłą napędzającą pojazd jest energia słoneczna. Zamontowano 6 metrów kwadratowych paneli słonecznych na przyczepce, która jedzie za pojazdem. Prędkość maksymalna jest dość wysoka, wynosi aż 90km/h (nie zapominajmy, że auto napędza energia słoneczna!). Samochód spala (odpowiednio przeliczając) 1 litr benzyny na 100km. Całkowita waga samochodu i przyczepy 750kg.