Przyrządy półprzewodnikowe część 3

Transkrypt

1 Przyrządy półprzewodnikowe część 3 Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: zbigniew.lisik@p.lodz.pl wykład 30 godz. laboratorium 30 godz WEEIiA E&T

2 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy bipolarne : Charakteryzują się tym, że oba typy nośników (elektrony i dziury) biorą udział w przepływie prądu. Ich istotą jest występowanie wstrzykiwania nośników mniejszościowych przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Prowadzi to do drastycznego wzrostu koncentracji nośników w obszarach słabodomieszkowanych i w konsekwencji do drastycznego wzrostu ich przewodności określanego jako modulacja przewodności. Z uwagi na występowanie koncentracji nadmiarowych ich dynamika jest ograniczona przez procesy rekombinacyjne

3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy uipolarne : Charakteryzują się tym, że prąd tworzą w nich jedynie nośniki większościowe. Zwykle są one sterowane sygnałem napięciowym i dlatego często są one nazywane przyrządami sterowanymi polowo. Prąd płynie w nich poprzez półprzewodnik jednego typu (typu n lub typu p), tak więc nie występuje w nich wstrzykiwanie nośników. Koncentracje elektronów i dziur są w nich generalnie równe swoim wartościom równowagowym nie występuje efekt modulacji przewodności.

4 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy Bi-MOS: Charakteryzują się tym, że posiadają one części pracujące, odpowiednio, jak przyrządy bipolarne i unipolarne. Jako przyrządy dyskretne są one zwykle sterowane przez sygnał napięciowy, a więc prościej niż w przypadku przyrządów bipolarnych. Wykorzystują one podstawową własność przyrządów bipolarnych modulację konduktywności. Są one zwykle szybsze od odpowiadających im przyrządów bipolarnych.

5 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Bipolarne Tranzystory Bipolarne Diody Tyrystory GTO BiMOS Tranzystory Bipolarne z Izolowaną Bramką (IGBT) Static Induction Thyristor (SITh) Unipolarne Tranzystory Polowe Złączowe (JFET) Tranzystory Polowe z Izolowaną Bramką (MOSFET)

6 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Przyrządy dyskretne - jeden przyrząd w jednej obudowie

7 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Układy scalone - układ elektroniczny z wieloma przyrządami wykonany na jednej strukturze półprzewodnikowej Alpha die

8 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja Alpha die photo i obudowa Moduły zintegrowane - kilka przyrządów i/lub układów scalonych zmontowanych w jednej obudowie

9 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy optoelektroniki - są to przyrządy sterowane światłem ( np. fototranzystory, fotodiody, fototyrystory) oraz emitujące światło (np. LEDy, lasery) jak również ogniwa słoneczne. Przyrządy wysokich częstotliwości - są one zdolne do pracy przy bardzo dużych częstotliwościach sięgających GHz ów zarówno jako źródła sygnału AC (np. diody Gunna lub lawinowe) jak i jako aktywne elementy obwodów wysokiej częstotliwości (np. tranzystory HJBT czy MESFET). Przykład powszechnego zastosowania telefonia mobilna.

10 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Sensory - obejmują szerokie spektrum różnych przyrządów półprzewodnikowych, których podstawową cechą jest ich czułość na pewne parametry fizyczne lub czynniki chemiczne (np. hallotrony, termistory, czujniki wilgotności i gazów) Przyrządy mocy - przyrządy dla prądów powyżej 40A i napięć powyżej 300V dla power management. Są wykorzystywane jako elementy przełączające w energoelektronice.

11 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Microsystemy - są połączeniem przyrządów elektrycznych i mechanicznych wykonywanych na jednej strukturze półprzewodnikowej lub wykonywane jako moduł zawierający elementy dyskretne (tzw. micromachining). Przykład czujnik przyspieszenia sterujący poduszką powietrzną.

12 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n współczynnik wstrzykiwania A p p0 n p0 p SCR n n n0 p n0 K Współczynnik wstrzykiwania dla elektronów: J ej J e Współczynnik wstrzykiwania dla dziur: J hj J h Obszar Złącza

13 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n współczynnik wstrzykiwania złącze p-n może być emiterem elektronów: złącze p-n może być emiterem dziur: kiedy N d >> N a when N a >> N d

14 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n rezystancja szeregowa p p0 n p0 p Obszar złącza n n n0 p n0 DI R s DI+R s I D R sp DI R sn I s0 U D DI R s

15 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n konduktancja upływu p p0 n p0 p SCR E n DI R s G l DI+R s +G l I D J l prąd upływu G l I s0 U D G l DI R s

16 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n pojemność złączowa p n Q w1 U1 Q w2 U2=U1 + U C j = Q U

17 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n pojemność dfuzyjna n n0 p p0 n p0 p n p n0 Q p2 U2=U1 + U p1 U1 p Q n2 U2=U1 + U n1 U1 C D = Q U

18 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n model diody rzeczywistej DI R s G l G l DI+R s +G l I D D I R s C j C d I s0 U D

19 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n napięcie przebicia DI R s G l U br DI+R s +G l I D Rodzaje przebić:: lawinowe Zenera skrośne U D

20 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie lawinowe W C Elektron jest przyspieszany w SCR przez siłę: W g W kin W V i jego energia kinetyczna rośnie: E SCR l droga swobodna pomiędzy dwoma zderzeniami Elektron może oddać nadmiarową energię na dwa sposoby: - w zderzeniach z siecią fononami - w zderzeniach z innymi nośnikami (elektrony lub dziury)

21 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie lawinowe W C W V W kin Jeżeli energia kinetyczna jest wystarczająco duża, w wyniku zderzenia z elektronem pasma walencyjnego może być wygenerowana para dziura-elektron. Wymaga to:: gdzie W ion energia joniacji Ponieważ uzyskanie takiej energii wymaga różnych dróg swobodnych przy różnych natężeniach pola elektrycznego, zdefiniowano średnią drogę jonizacji zależną od pola elektrycznego:

22 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie lawinowe W C W V W kin Powielanie lawinowe prowadzące do przebicia lawinowego ma miejsce kiedy: dla konkretnego natężenia pola E l ph - średnia droga swobodna dla rozpraszania na fononach zderzenie z nośnikami jest bardziej prawdopodobne niż z fononami: Si Ge GaAs 78 Ǻ 105 Ǻ 58 Ǻ

23 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n model przebicia lawinowego w diodzie rzeczywistej I D Współczynnik powielania: U br U D - całkowity prąd diody - prąd diody bez powielania Prąd całkowity diody w modelu: gdzie M określane eksperymentalnie:

24 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie Zenera Przebicie Zenera jest związane z efektem nazywanym polową generacją par dziuraelektron, który ma charakter kwantowy. Ma on miejsce w obszarze o dużym natężeniu pola elektrycznego, kiedy nachylenie krawędzi pasma przewodnictwa i walencyjnego jest bardzo duże, np. w silnie domieszkowanym złączu p-n. Jeżeli domieszkowanie jest tak duże, że odległość pomiędzy punktami A i B jest wystarczająco mała, aby oba punkty znalazły się wewnątrz dzwonu prawdopodobieństwa, wynikającego z zasady nieoznaczoności Heisenberga, to ten sam elektron może pojawiać się w każdym z nich z określonym prawdopodobieństwem.

25 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie skrośne n w n w p p Przebicie skrośne jest efektem przestrzennym wynikającym z faktu, że grubość warstw tworzących diodę p-n, w n and w p, jest ograniczona. w SCR(n) w SCR(p) Rozważmy asymetryczną diodę p-n, w której: W C W V W takiej diodzie N d >> N a w SCR(p) >> w SCR(n), oznacza to, że obszar SCR występuje głównie w warstwie p.

26 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie skrośne n w n w p p Kiedy napięcie wsteczne rośnie, szerokość obszaru SCR w warstwach również rośnie i przy pewnym napięciu obszar SCR wypełnia jedną z warstw. w SCR(n) W C W V w SCR(p) Kiedy dalszy wzrost SCR w jednej z warstw staje się niemożliwy, warstwa p na rysunku, jedyną drogą umożliwiającą dalszy wzrost napięcia wstecznego jest wzrost gęstości ładunku w obszarze SCR tej warstwy. Może to być osiągnięte poprzez wprowadzenie dodatkowych elektronów do SCR warstwy p. Wzrost koncentracji nośników prowadzi jednak do wzrostu prądu unoszenia w tym obszarze.

27 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie skrośne I D Gdy prąd unoszenia rośnie w wyniku wzrostu gęstości swobodnych nośników w obszarze SCR diody, jest to efekt przebicia. U br U D W przypadku przebicia skrośnego nie występuje jednak drastyczny wzrost prądu przy prawie stałej wartości napięcia wstecznego, ale wielkość prądu zależy od napięcia wstecznego zgodnie z wzorem:

28 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n charakterystyki przebicia I D Łatwo jest rozpoznać, który typ przebicia występuje w diodzie: lawinowe U br Zenera U D W przypadku przebicia skrośnego nie występuje gwałtowny wzrost prądu. W przypadku przebicia lawinowego napięcie przebicia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku przebicia Zenera napięcie przebicia zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury.

29 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n stan przejściowy E R D E R E t E F E t I F I t s t f t E R I R I F = E F /R I R = E R /R

30 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n stan przejściowy E t t r czas narastania E R t s czas magazynowania t f czas opadania I F I t r t s t f t I R I F = E F /R I R = E R /R

31 Przegląd diod p-n Przyrządy bipolarne - Diody Standardowe Prostownicza (U br,r on ) Impulsowa (t r,t rr ) Zenera (U br ) Inne diody: Specjalne Varikap (C j ) Tunelowa (typu-s) Lawinowa (syg. wcz) p-i-n (sygn wcz) Optoelelektroniczne LED (emisja) Laser (emisja) FD (detekcja) ogniwo słoneczne Schottky ego wykorzystująca własności nieliniowego kontaktu metal-półprzewodnik (t r,t rr ) Gunna wykorzystuje zależność ruchliwości od pola elektrycznego występującą w pewnych materiałach jak np. GaAs (charakterystyka I-V typu S)

32 Przyrządy bipolarne - Diody Przegląd diod p-n I-V charakterystyki typu S I p I D U p napięcie szczytowe I p prąd szczytowy I v U p napięcie dolinowe U p U v U D I p prąd dolinowy ujemna rezystancja Я - ujemna rezystancja

33 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Ogólna prezentacja E p n B p C p-n-p E B C E n p B n C n-p-n E B C

34 Zasada działania Przyrządy bipolarne - Tranzystory E J h J e R J hc C Warunki normalnej pracy: U EB > 0 B U CB < 0 U BE polaryzacja w kierunku przewodzenia dziury są wstrzykiwane z emitera do bazy U BC polaryzacja wsteczna dziury są przenoszone przez SCR z bazy do na stronę kolektora podczas gdy elektrony są zawracane do wnętrza bazy

35 Zasada działania Przyrządy bipolarne - Tranzystory J E E J he J ee R J eb J hc J C C Warunki normalnej pracy: U EB > 0 B U CB < 0 J C = J hc = J he = J E = J E 0 < < 1 β współczynnik transportu przez bazę - współczynnik wstrzykiwania dziur z emitera do bazy

36 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor jako czwórnik I 1 I 2 U 1 WE Obwód elektryczny WY U 2 U 1 = h 11 I 1 + h 12 U 2 I 2 = h 21 I 1 + h 22 U 2 Macierz impedancyjna Macierz hybrydowa Macierz admitancyjna

37 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor jako czwórnik OE I C OC I E I B U CE I B U EC U BE U BC OB I B I C U EB U CB

38 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C U BE = h 11E I B + h 12E U CE I B U CE I C = h 21E I B + h 22E U CE U BE Warunki zwarciowe U CE = 0 Warunki rozwarciowe I B = 0 h 11E = U BE /I B Rezystancja wejściowa h 12E = U BE /U CE Inwersyjny współczynnik wzmocnienia napięciowego h 21E = I C /I B Współczynnik wzmocnienia prądowego h 22E = I C /U CE Konduktancja wyjściowa

39 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego I B U CE U BE h 21E = I C /I B

40 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Charakterystyki przejściowe I C Charakterystyki wyjściowe U BE I B U CE U CE I I B C I C = h 21E I B + h 22E U CE I C = f(i B ) U CE =var I B U CE I C = f(u CE ) I B =var U CE I B U BE = h 11E I B + h 12E U CE Charakterystyki wejściowe U BE Charakterystyki oddziaływania wstecznego U BE = f(i B ) U CE =var U BE = f(u CE ) I B =var

41 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Charakterystyki wyjściowe:: U BE I B U CE I C Obszar odcięcia I B I B =0 U CE Oba złącza są spolaryzowane wstecznie. Obwód zewnętrzny decyduje o napięciu kolektoremiter podczas gdy prąd kolektora jest pomijalnie mały.

42 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Charakterystyki wyjściowe:: U BE I B U CE I C Obszar aktywny I B I B =0 U CE Złącze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektorowe wstecznie Prąd bazy określa prąd kolektora, a napięcie kolektor-emiter wynika z odpowiedzi obwodu zewnętrznego na wymuszony prąd kolektora.

43 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Charakterystyki wyjściowe:: U BE I B U CE I C Obszar nasycenia I B I B =0 U CE Oba złącza są spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Napięcie kolektor-emiter jest bardzo małe, a prąd kolektora jest ograniczony jedynie przez obwód zewnętrzny.. Uwaga: UCE < UCB.

44 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Obszar bezpiecznej pracy - SOA:: U BE I B U CE I C I Cmax Hiperbola mocy admisyjnej P max = I C U CE SOA obejmuje tą część charakterystyk wyjściowych, w której tranzystor może pracować. Jest ona ograniczona przez: SOA U br U CE I Cmax maksymalny prąd kolektora ograniczony przez wytrzymałość połączeń drutowych pomiędzy kontaktami metalicznymi na chipie oraz wyjściowymi polami obudowy

45 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Obszar bezpiecznej pracy - SOA:: U BE I B U CE I C I Cmax Hiperbola mocy admisyjnej P max = I C U CE SOA obejmuje tą część charakterystyk wyjściowych, w której tranzystor może pracować. Jest ona ograniczona przez: SOA U br U CE U br napięcie przebicia, zwykle będącego wynikiem lawinowego przebicia złącza kolektorowego

46 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Obszar bezpiecznej pracy - SOA:: U BE I B U CE I C I Cmax Hiperbola mocy admisyjnej P max = I C U CE SOA obejmuje tą część charakterystyk wyjściowych, w której tranzystor może pracować. Jest ona ograniczona przez: SOA U br U CE P max maksymalną moc, która może być wydzielona bez przekroczenia maksymalnej temperatury złącza T jmax