Przyrządy półprzewodnikowe część 2

Transkrypt

1 Przyrządy półprzewodnikowe część 2 Dr inż. Bogusław Boratyński Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska 2014

2 Literatura Literatura i źródła rysunków: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill, R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publ., B.G. Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice-Hall, D. Bell, Fundamentals of Electric Circuits, Oxford Univ. Press, T. Mouthaan, Semiconductor Devices Explained, John Willey&Sons W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, A. Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, B.G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT

3 Przyrządy półprzewodnikowe Rozdział 3. Złącze p-n. Diody półprzewodnikowe. Budowa i zasada działania złącza p-n. Równanie Shockley a charakterystyka I-U złącza p-n. Idealne i rzeczywiste diody. Efekty temperaturowe. Polaryzacja napięciowa punkt pracy. Modele zastępcze diody. Przebicie złącza diody Zenera. Wpływ światła fotodiody, ogniwa fotowoltaiczne. Złącza metal-półprzewodnik - dioda Schottky ego. Układy prostowników i stabilizatorów napięcia.

4 Wytwarzanie złącz p-n (technologia) podłoże płytka Si utlenianie w temp. 1000ºC Si >>SiO 2 fotolitografia i trawienie okienek w SiO 2 dyfuzja domieszek donorowych, np. atomów fosforu kontakty metaliczne, np. naparowanie warstwy Al. w wysokiej prózni fotolitografia i trawienie wzoru w warstwie Al Proces fotolitografii odwzorowanie woru z maski na podłoże pp. Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

5 Idealne złącze p-n (the ideal p-n junction) Dioda rzeczywista i jej przybliżenie - idealne złącze p-n. V A - napięcie polaryzacji zewnętrznej I natężenie prądu (prąd) Kontakty zewn. (metalizacja) symbol A-anoda typ-p K-katoda typ-n silicon krzem, Si w pp. typu-p nośniki większościowe - dziury w pp. typu-n nośniki większościowe - elektrony Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

6 Bariera dyfuzyjna złącza p-n - elektrostatyka złącza formowanie złącza p-n V o - potencjał wbudowany, lub bariera dyfuzyjna, lub bariera kontaktowa złącza p-n w szerokość obszaru zubożonego (w nośniki) złącza Poziom Fermiego ustala się jednakowo w całej próbce jony domieszek gęstość ładunku dryft i dyfuzja nośników V o < E g /q Typowe wartości bariery dyfuzyjnej i (przerwy zabronionej) V o (E g ): Ge: 0,4V (0,7eV) Si: 0,7V (1,1eV) pole elektryczne Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

7 Idealne złącze p-n w równowadze i spolaryzowane Model pasmowy złącza z polaryzacją napięciem - V A p n p n V o unoszenie n. mniejszościowych elektronów V A <0 V A =0 I =0 Aktualna bariera - duża V o - -V A > V o E - pole elektryczne dyfuzja n. większościowych elektronów V A >0 Aktualna bariera - mała V o - V A < V o E Polaryzacja zaporowa unoszenie n. mniejszościowych dziur dyfuzja n. większościowych dziur Polaryzacja przewodzenia Charakterystyka I-V Pol. zaporowa: unoszenie nośników mniejszościowych Pol. przewodzenia: dyfuzja nośników większościowych Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

8 Model pasmowy złącza p-n (tutaj od strony - n czyli złącze n-p) formowanie złącza złącze spolaryzowane n p n p złącze p-n w równowadze termodynamicznej E F =const pol. przewodzenia pol. zaporowa złącze p-n w równowadze termodynamicznej E F =const Source: T. Mouthaan, Semiconductor Devices Explained, John Willey&Sons

9 Charakterystyka I-U idealnego złącza p-n Wzór Shockley a zależność prądowo-napięciowa dla złącza p-n - eksponencjalna (silna) zależność prądu od napięcia dla polaryzacji przewodzenia (dyfuzja n. większościowych) - ustalony, niewielki prąd dla polaryzacji zaporowej I o =const. prąd nasycenia (unoszenie n. mniejszościowych) współrzędne l - V współrzędne ln(i) - V dla pol. przewodz.: y = b + a x kt/q = 26 mv dla T=300K Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

10 Charakterystyka I-U idealnego złącza p-n Równanie Shockley a Polaryzacja przewodzenia Typowe spadki napięcia U F występujące na złączach p-n wykonanych z różnych półprzewodników Natężenie prądu, I jest funkcją eksponencjalną napięcia V A (inaczej U) polaryzującego złącze. kt/q = 26 mv (T=300 K) Przykład: dla złącza z I 0 = 1µA = 10-6 A dla polaryzacji napięciem V A = 260 mv (e 10 ), obliczony prąd: I =I 0 e 10 = 2, A = 22 ma. Aby uzyskać podobny prąd (20 ma) dla złącza z I 0 = 0,1pA =10-13 A należy ustalić polaryzację tego złącza V A = 680 mv (e 26 ) Ponieważ: U F(Ge) (Si) (GaAs) (GaP) 0,3V 0,7V 0,9V Dla różnych półprzewodników (różne E g ) gdy: E g > n i to I 0 oraz U F

11 Wpływ temperatury na charakterystykę I-V złącza p-n Rozpatrujemy wzór Shockley a I o =const. gdy T=const. ale, gdy T to I o Współczynnik temperaturowy : Napięciowy (dla k. przewodzenia) - wsp. bezwzględny dv/dt = -2 mv/k dla I=const. Prądowy (dla k. zaporowego) - wsp. względny (di/dt)(1/i) = +10%/K dla V=const. czyli wartość prądu w k. zaporowym podwaja się na każdy przyrost temperatury dt= 10K kt/q = 26 mv tylko dla T=300K Zastosowanie: dioda jako termometr Przykład: dioda Si, dt= 70K = 70 C pol.przewodzenia: dla 25 C V A = 620mV dla I = const. (I=1mA) dla 95 C V A = 620mV + 70K (-2 mv/k) = 620mV - 140mV= =480mV = 0.48V dv A = -140mV pol. zaporowa: dla 25 C I 0 = 10nA dla V A = const. (V A = -5V) dla 95 C I 0 = 2 7 x 10nA = 128 x 10nA= 1.28 A

12 Rzeczywiste złącze p-n dioda Wzór Shockley a daje dobre przybliżenie charakterystyki I-V dla diod rzeczywistych w przypadku polaryzacji przewodzenia. Bariera dyfuzyjna (potencjał wbudowany) złącza: V o < E g /q Typowe wartości: V o oraz (E g ) 300K Ge: 0,4V (0,7eV) Si: 0,7V (1,1eV) GaAs: 1,0V (1,4eV) Relacja napięcia kolana do wartosci E g podobna do zależności V o - E g Source: B.G.Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall. 0.6V 1.0V 1.4V 1.8V - napięcie kolana charakterystyki w temp. 77K W temp. 300K (27 C) napięcie to będzie mniejsze o ΔU= -2mV/K 223K = - 446mV ~ - 0.4V 0,2V 0,6V 1,0V 1,4V

13 Rzeczywiste złącze p-n dioda Dla polaryzacji zaporowej należy uwzględnić przebicie złącza oraz upływ prądu jako uzupełnienie do wzoru Shockleya. Przebicie złącza (breakdown) gwałtowny wzrost prądu Typowa zależność I-V diody Si Source: B.G.Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall. Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

14 Rzeczywiste złącze p-n dioda Upływ (leakage) prądu w kierunku zaporowym stopniowy wzrost ponad wartość I 0 Dodatkowe prądy związane z generacją termiczną i rekombinacją (g-r) nośników Pol. zapor. dominuje - prąd generacji Pol. przewodz. dominuje - prąd rekombinacji n współczynnik idealności złącza Source: B.G.Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall. Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

15 Zjawisko przebicia w złączu P-N przebicie Zenera - tunelowanie elektronów (przejście przez barierę energetyczną) przebicie lawinowe (powielanie nośników przez zrywanie wiązań sieci kryształu ) pierwotny elektron duże napięcie - elektron uzyskuje dużą energię - przebicie małe napięcie - brak przebicia pierwotny elektron +3 dziury 1+3 elektrony E pole elektryczne E Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

16 Rzeczywista dioda charakterystyki I-V BAV19 dioda uniwersalna charakterystyki I-V I o = I g prąd generacji Dopuszczalne wartości maksymalne (Absolute Maximum Rating) : I F = 500mA - dc forward current (k. przewodzenia) V R = 100V - dc reverse voltage (k. zaporowy) T j =175 C - junction temperature (temp. złącza) n wsp. idealności złącza n {1,2}

17 Parametry katalogowe (data sheet) diody Fairchild BAV19, -20, -21 Si diodes

18 Analiza stałoprądowa (dc) obwodu z diodą Koncepcja prostej pracy Znajdowanie punktu pracy (Q point ) diody Położenie punktu pracy wartości napięcia i prądu diody - znajdujemy metodą graficzną. Charakterystyka diody D1 z prawa Kirchhoffa równanie oczkowe: V T = R T i D + v D i D piszemy równanie prostej: i D = f(v D ) i D = -(1/ R T ) v D + V T /R T Dana jest też charakterystyka diody: i D = f(v D ) Punkt pracy znajdujemy z przecięcia wykresów (rozwiązanie dwóch równań): i DQ = 21mA, v DQ = 1.0 V v D Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

19 Małosygnałowy model zastępczy diody Wyliczamy z równania Shockley a: g = di/du = I Q /(kt/q) = I Q /26mV (dla 300K) konduktancja g -1 = r d - rezystancja dynamiczna (przyrostowa) diody C total - pojemność złączowa i dyfuzyjna diody R series - rezystancja szergowa diody Ważny dla małych częstotliwości: f<100khz Ważny dla wielkich częstotl.: f>100khz (uwzględnia pojemności diody) nachylenie = g 2 r d = g -1 I Q2 Q p2 R series Prąd stały polaryzacji diody I Q1 Q p1 nachylenie funkcji = pochodna = g = di/du Wartości elementów modelu zależą od punktu pracy Q (polaryzacji), z wyjątkiem rezystancji R series = const. I Q =10mA r d =2.6 Ω I Q = 1µA r d =26 kω Source: B.G.Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall. Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

20 Zjawisko przebicia w złączu P-N w diodach Zenera przebicie Zenera - tunelowanie elektronów (przejście przez barierę energetyczną) przebicie lawinowe (powielanie nośników przez zrywanie wiązań sieci kryształu ) pierwotny elektron duże napięcie - elektron uzyskuje dużą energię - przebicie małe napięcie - brak przebicia pierwotny elektron +3 dziury 1+3 elektrony E pole elektryczne E Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

21 Dioda Zenera stabilizująca napięcie Pracuje przy polaryzacji zaporowej w zakresie przebicia, z rezystorem R s tworzy układ stabilizatora napięcia V 0 =V z V z = napięcie Zenera (przebicia) I zm - max. prąd Zenera V z = const. I zm Duże tętnienia (zmiany napięcia) Napięcie wejściowe Source: B.G.Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall. Układ stabilizatora napięcia R s Małe tętnienia Napięcie wyjściowe _ V z 3.3 V 5 V 6.3 V 9.1 V 12 V 15 V 24 V 91 V + przykładowo BZX85C9V1 BZX85B12 tolerancja: C - 5% B - 2%

22 Fotodioda struktura i charakterystyki I-U Absorpcja fotonów w strukturze diody p-i-n region i poszerza obszar złącza z wbudowanym polem elektrycznym symbol Charakterystyka I-V oświetlonej diody hv fotony k. zaporowy praca fotodiody G - strumień fotonów k. przewodzenia self -biased ogniwo fotowoltaiczne Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

23 Mechanizm absorpcji fotonów absorpcja fotonów pole el. profil generowane nośniki obszar zubożony złącza z polem elektrycznym - współczynnik absorpcji danego materiału, jest funkcją długości fali świetlnej 0 Source: T. Mouthaan, Semiconductor Devices Explained, John Willey&Sons.

24 Krawędź absorpcji w półprzewodniku Widmo optyczne i krawędź absorpcji λ G dla różnych półprzewodników λ G [ m]=1.24/e g [ev] UV IR - podczerwień GaN AlGaAs InGaAs Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

25 Ogniwo słoneczne (solar cell) Ogniwo polaryzuje się samo w kierunku przewodzenia - na skutek oświetlenia. Jest źródłem mocy elektrycznej, a ściślej zamienia energię fotonów na energię elektryczną. V oc napięcie rozwartego ogniwa I sc prąd zwartego ogniwa Charakterystyka I-V diody oświetlonej V oc G - strumień fotonów - fotoprąd V oc I sc Złącze oświetlone: polaryzacja przewodzenia: V>0, lecz I<0 czyli P= I U < 0 - źródło mocy k. zaporowy fotodioda P>0 P<0 Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp. I sc k. przwodz. ogniwo słoneczne

26 Ogniwo słoneczne (solar cell) - pojedyncze złącze p-n Praca ogniwa słonecznego Punkt pracy - maks. mocy elektrycznej Widmo słoneczne: AM1 - poza atmosferą AM średnio na Ziemi P=100mW/cm 2 slope 1/R load Sprawność ogniwa: V m R load I m = [%} = 5% amorficzne = 10% polikrystaliczne = 20% monokrystaliczne = 35% hetrostruktura wielozłączowa = 40% skoncentrowane oświetlenie P in = P słońca FF wsp. wypełnienia (fill factor) charakterystyki I-V Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.

27 Złącze metal półprzewodnik (dioda Schottky ego) Typ 1: złącze Schottky ego kontakt prostujący - dioda A metal K półprzewodnik Typ 2: kontakt omowy - o małej oporności R Pol. przewodzenia Pol. zaporowa przepływ elektronów gaz elektronów w metalu półprzewodnik typu-n dioda Schottky dioda p-n -prąd nasycenia - termoemisji wewn. ( z metalu do pp.) mniejsze napięcie kolana - mniejsza moc strat Source: Source: B.G.Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall. Dioda Schottky: małe pojemności - doskonała do pracy w.cz. oraz b.w.cz. (mikrofale) Source: J. Singh, Semiconductor Devices, John Willey&Sons

28 Układy prostownika prostownik 1-połówkowy prostownik 2-połówkowy Source: G.Rizzoni, Fundamentals of Electrical Eng., McGraw-Hill

29 Układ prostownika z filtrem układ mostka prostowniczego (mostek Graetz a) filtr wygładzający napięcie 1k R L 1k R L Source: G.Rizzoni, Fundamentals of Electrical Eng., McGraw-Hill

30 Układ zasilacza ze stabilizacją napięcia (constant voltage power supply) Prostownik z filtrem wygładzającym napięcie Układ zasilacza dc Stabilizator napięcia (z d. Zenera) duże tętnienia małe tętnienia V z = const. R s Input voltage Output voltage I zm Source: G.Rizzoni, Fundamentals of Electrical Eng., McGraw-Hill

31 Diody elektroluminescencyjne - LED Konstrukcje diod emitujących światło białe Schematy konstrukcji diody LED: konstrukcja diody zastosowana w ITME (a), konstrukcja wysokiej mocy diody, obecnie stosowana w przemyśle (b) luminofor RGB luminofor żółty Schemat obrazujący konstrukcje diod umożliwiających otrzymywanie światła białego [101] niebieska M. Rudziński, M. Wesołowski, W. Strupiński, Niebieskie, zielone i białe emitery światła wytwarzane z półprzewodników AIII-BN, Przegląd Elektrotechniczny, 7, 2014

32 Diody dla różnych zastosowań Podstawowe rodzaje diod i ich symbole d. Zenera stabilizatory napięcia, diody referencyjne d. uniwersalne (prostownicze, przełączające) d. elektroluminescencyjne, LED wyświetlacze, wskaźniki, lampy, oświetlenie, (także diody laserowe) d. pojemnościowe, układy dostrajane LC d. Schottky ego (metal - pp) prostowniki, przełączniki, detektory, układy mikrofalowe fotodiody fotodetektory, fotoogniwa