Diody i tranzystory. - prostownicze, stabilizacyjne (Zenera), fotodiody, elektroluminescencyjne, pojemnościowe (warikapy)

Transkrypt

1 Diody i tranzystory - prostownicze, stabilizacyjne (Zenera), fotodiody, elektroluminescencyjne, pojemnościowe (warikapy) bipolarne (NPN i PNP) i polowe (PNFET i MOSFET), Fototranzystory i IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

2 Model idealnego złącza PN (np. Si) Anoda x x Katoda p n P N x j Obszar quasineutralny P l P >> L np E = 0 σ = p >> n Warstwa przejściowa E 0 σ = 0 p = n = 0 Złącze płaskie Obszar quasineutralny N l N >> L pn E = 0 σ = n >> p 2

3 Wewnętrzne pole elektryczne złącza PN ρ(x) Gęstość ładunku elektrycznego Obszar quasineutralny typu P p n + N D N A = 0 +qn D 0 x n x -qn A x p Warstwa przejściowa Obszar quasineutralny typu N p n + N D N A = 0 V = Edx F= qe p E = V x 3

4 Wpływ napięcia zewnętrznego na barierę potencjału złącza PN A P N K V(x) U d x V j U B U>0 U B = V j U d ~ U B 4

5 Charakterystyka prądowo-napięciowa idealnego złącza PN 10I S I I/I S (0,715V) 5I S U Si I S (0,656V) 0 0,2 0,4 0,6 I U[V] U ( U) I exp 1 S V T 5

6 Charakterystyka rzeczywistego złącza PN Zakres przewodzenia I I Anoda U Katoda U F I F U Zakres przebicia I R U R Zakres zaporowy 6

7 Diody prostownicze Prostownik mostkowy V ~ 50Hz + + _ u 1 t u 2 t 7

8 Diody stabilizacyjne r Z = U I I= I Z U Z0 P max = U Z I Zmax 8

9 Elementarny stabilizator napięcia ΔU WY = ΔW WE r Z rz + R 9

10 Wpływ temperatury na przewodzenie Maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne Charakterystyki wsteczne złącza PN I[A] F 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6 Charakterystyki przewodzenia 100 o C 25 o C -50 o C 0,2 U[V] F 0 0,2 0,4 0,6 1,0 U T I= const 2mV / K 10

11 Termometr diodowy +U CC U WY T K U U WY=b(T-T 0) T 0 -U CC U WY = b. (T-T 0 ) T 0 T b = k TUF K U ; k TUF 2mV/ o C 11

12 Wpływ oświetlenia na złącze PN Anoda I f Katoda 12

13 Charakterystyki I(U) fotodiody I Dioda nie oświetlona U Napięcie fotoelektryczne U f I ( U) = IDzw ( U) If Dioda oświetlona Prąd fotoelektryczny I f S f ~ η I f = S f J J f natężenie promieniowania γx ( W, λ) γ( wyk, λ) e j [ 1 R( wyk, λ) ] G f η - wydajność kwantowa fotonów, γ,r -współczynniki pochłaniania i odbicia promieniowania, x j - głębokość złącza. 13

14 Charakterystyka widmowa fotodiody 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 S/S f fmax Oko D-Si 0,4 0,6 0,8 1,0 λμ [ m] 14

15 Układ pracy fotodiody jako nieliniowego fotorezystora J f E + I f R L U WY U = R I = WY L f R L S f J f U WY 0 E 15

16 Fotodioda jako ogniwo fotoelektryczne J f U f U f U f max U = V f max j J f U f ~ ln I I f S Sf J ~ ln I S f 16

17 I f R (I,U) U f Charakterystyka ogniwa a-si o powierzchni 0,25cm 2 przy oświetleniu 1sun 17

18 Fotodioda kwadrantowa i wskaźnik α-numeryczny 7-segmentowy z kropką Fotodiodę stosuje się do detekcji położenia plamki świetlnej. Powierzchnia światłoczuła 18

19 Diody elektroluminescencyjne Φ ~ I F GaAs - promieniowanie podczerwone, GaAs 1-x P x na GaAs - światło czerwone lub bursztynowe, GaAs 1-x P x na GaP - światło czerwone lub pomarańczowe, GaP - światło zielone lub czerwone lub żółte, SiC, GaN - światło niebieskie, InGaN - światło zielone lub niebieskie, GaN pokryte warstwą fluoryzującego fosforu - światło białe. 19

20 Charakterystyki I(U) DEL I[mA] F Si U[V] F 0 0,6 1 1,5 2 2,5 3 3,5 20 Podczerwona Czerwona Zielona Bursztynowa Niebieska

21 Laser półprzewodnikowy (krawędziowy) powierzchnie polerowane obszar aktywny 21

22 Odczyt CD ROMu Winylowa warstwa podłożowa Warstwa odblaskowa λ/4 Przeźroczysta warstwa ochronna Promień opóźniony o λ/2 Dioda laserowa 22

23 Pojemność barierowa złącza PN x n x p = d d ~ ( V u) j ΔQ + = ΔQ = Δ Q b x p x n C j = dq du b εε = d 0 C j S ( u) 23

24 Diody pojemnościowe C j C j0 ( u) = m 1 u V j 1 1 m, 2 3 C C r1 C r2 U 24

25 Obwody rezonansowe przestrajane diodą pojemnościową f a 2π 1 L C(U) f b = 2π 1 L 1 2 C(U) 25

26 Podstawowe struktury tranzystora bipolarnego E N Emiter P Baza N Kolektor C P N P B Wymagania: 1. Ν E >> Ν B 2. w B << L B 26

27 Charakterystyki I-U tranzystora NPN A I C I C I C 1 1 * U =U U =const CE 2 2 BE A I C U BE U CE U BE U CE * 0 U 0 U U BE CE A I C I C U =U * CE I C A I C I B U CE 3 3 β 4 4 I=const B I B U CE 0 I B * 0 U UCE 27

28 Charakterystyka wejściowa tranzystora NPN I B [μa] I B U BE A U CE Si UCE=const U CE >U BE 0 0,7V U BE [V] 28

29 Pole elektryczne w strukturze NPN x u EB ; u CB i C = i E = 0 29

30 u EB < 0, u CB > 0 i C i E i B i I E ES e u V BE T i C = I CB0 + α i E 30

31 i C = I CB0 + α i E i E VT ( u ) I e BE ES u BE i i + i E = i = I + α ( i + i ) C B α = 0,95 0,99889 C CB0 C B i C I = 1 α β I CB0 = ICE0 + β i CE0 CB0 B I α β = β = α 31

32 Schemat zastępczy tranzystora NPN w zakresie aktywnym Kolektor I = βi + C B I CE0 I I B BS e U V BE T β = I CE Baza U BE Emiter 32

33 Tranzystory polowe Efekt polowy S I 1 E D S U DS UDS E = ; I1 AJ1; L = J = σ E ; 1 I1 = GUDS ; σ I 2 U DS E D I 2 G = L A ( U, ) = I DS E 33

34 PN-FET z kanałem typu N D I=0 G G G P N S D I D U <0 GS S U >0 DS 34

35 Charakterystyki PNFET-a (przykład) A I D ZL Z. NASYCENIA U GS U DS 35

36 MOSFET z kanałem indukowanym typu N G D S B U GS I D D G S SiO 2 N + N + miejsce kanał kanał P-Si B U DS 36

37 Charakterystyki MOSFET-a z kanałem indukowanym typu N (przykład) ZL Z. NASYCENIA 37

38 MOSFET z kanałem wbudowanym typu N G D B I D D G SiO 2 N + P-Si B S U GS S N + kanał U DS 38

39 Charakterystyki MOSFET-a z kanałem wbudowanym typu N (przykład) A I D ZL Z. NASYCENIA U GS U DS 39

40 Elektryczny stałoprądowy schemat zastępczy tranzystora polowego I=0 G G U GS S I(U D GS,U DS) D U DS S I D I UDS UGS UT D = B U GS U T U 2 = ( U ) 2 ( ) GS U T UDS UGS UT B 2 DS U DS ; B = μ C G K L n 2 40

41 Fototranzystor J f UCE I C I C =(1+β)(I CB0 +I f )+βi B I f = S f J f I C J f4 J=const f ; I B=0 J f3 I C U CE=UCE1 J f2 J f1 0 U CE1 U CE J J J J f1 f2 f3 f4 J f 41

42 Tranzystor IGBT ang. Insulated Gate Bipolar Transistor G D D SiO 2 C G C G C G p S p B n - n + S B p+ - Si E E 42

43 Charakterystyki wyjściowe IGBT 43