Podstawy działania elementów półprzewodnikowych - diody

Transkrypt

1 Podstawy działania elementów półprzewodnikowych - diody Wrocław 2010 Ciało stałe Ciało, którego cząstki (atomy, jony) tworzą trwały układ przestrzenny (sieć krystaliczną) w danych warunkach (tzw. normalnych). Ruchy cząstek są ograniczone prawie wyłącznie do drgań wokół ich położeń równowagi (elektrony walencyjne słabsze wiązania z jądrem atomu ze względu na drgania cieplne oraz siły wzajemnego oddziaływania) 1

2 Energetyczny model pasmowy E.m.p. przedstawia strukturę energetyczną c.s. i służy do opisu właściwości elektronu w przestrzeni sieci krystalicznej tego ciała. Na podstawie modelu wyjaśnia się istotę przewodnictwa. Model energetyczny: a) atomu: E P energia w stanie podstawowym (walencyjnym), E W energia w stanie wzbudzonym, E pasmo zabronione (przerwa energetyczna) określa wartość energii potrzebną do uwolnienia elektronu b) ciała stałego Energetyczny model pasmowy Model energetyczny: - atomy (elektrony) znajdują się w określonych stanach energetycznych - dozwolone stany (poziomy) energetyczne oddzielone są strefami zabronionymi (przerwami energetycznymi) - atom (elektron) może zmienić swoją energię tylko skokowo - wiąże się to z pobraniem/oddaniem przez atom energii określonej przerwą energetyczną 2

3 Energetyczny model pasmowy - Oba pasma: podstawowe i przewodnictwa obsadzone są przez elektrony walencyjne. - Pozostałe elektrony są silnie związane z atomem i całkowicie wypełniają powłoki (orbity). - Odłączenie ich od atomu powoduje jego zniszczenie!!!!! - Wzajemne położenie pasm: podstawowego i przewodnictwa oraz liczba elektronów walencyjnych decydują o właściwościach elektrycznych ciała stałego. ielektryki Ze względu na właściwości elektryczne, ciała stałe dzieli się na: izolatory (dielektryki) -duża rezystywność Ωm Ωm, -brak elektronów swobodnych (walencyjnych), -pasmo podstawowe całkowicie obsadzone przez elektrony -brak elektronów swobodnych (walencyjnych) -elektrony nie występują w paśmie przewodnictwa -duża szerokość pasma zabronionego 10eV -nie możność przejścia elektronu w stan przewodnictwa, -pod wpływem wysokiego U, dielektryk ulega przebiciu i zniszczeniu 3

4 Przewodniki przewodniki -mała rezystywność 10-9 Ωm 10-6 Ωm, -brak pasma zabronionego pasma podst.i przew.zachodzą na siebie -w paśmie przewodnictwa znajduje się bardzo dużo elektronów swobodnych -przyłożenie niewielkiego napięcia powoduje przepływ prądu -wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji Najlepszymi przewodnikami są metale ciała stałe o budowie krystalicznej zawierające elektrony swobodne. Półprzewodniki półprzewodniki -rezystywność 10 4 Ωm 10 8 Ωm, -przerwa energetyczna ev -w temp. pokojowej występują elektrony w paśmie przewodnictwa - wraz ze wzrostem temperatury rezystancja półprzewodnika maleje - działając na półprzewodnik: ciepłem, promieniowaniem, polem elektrycznym lub magnetycznym łatwo jest przenieść elektron z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa 4

5 Rezystywność materiałów ziury i elektrony Atom krzemu (Si) ma 14 elektronów (1 orbita 2el., 2 orbita 8el., 3 orbita 4el.). E. z ostatniej orbity, decydujące o właściwościach chemicznych i elektry., nazywane są elektronami walencyjnymi. Niewzbudzony atom jest obojętny elektrycznie, ale pod wpływem energii zewnętrznej (ciepło, prom.świetlne) e. mogą zostać oderwane, jonizując atom. Energia jonizacji (aktywacji) tym większa im e. bliżej jądra. 5

6 ziury i elektrony Wyrwany z wiązania e. może poruszać się w krysztale (nie jest związany z żadnym jądrem) e.swobodne. Każdy wyrwany e. pozostawia dodatnio nadładowny jon dziurę. Utworzony w ten sposób ładunek może poruszać się od atomu do atomu brakujący e.może być uzupełniany z sąsiedniego atomu gdzie z kolei powstaje jon dodatni (dziura). W krysztale przemieszcza się dziura! (dodatni ładunek). ziury i elektrony Przejście pomiędzy poziomami - generacja i rekombinacja; pary dziura elektron. Prąd w półprzewodniku: - elektronowy w paśmie przewodnictwa w kierunku elektrody dodatniej - dziurowy w paśmie podstawowym w kierunku elektrody ujemnej 6

7 Półprzewodniki samoistne Samoistne niedomieszkowane (koncentracja elektronów = koncentracji dziur). IV grupa układu okresowego: - węgiel - krzem - german - antymonek galu (GaSb) - arsenek galu (GaAs) - itd. Półprzewodniki domieszkowane Obecność zanieczyszczeń w krysztale bądź innych zakłóceń struktury krystalicznej wiąże się z wystąpieniem dodatkowych poziomów energetycznych wewnątrz pasma zabronionego. Poziomów donorowych w pobliżu pasma przewodnictwa, Poziomów akceptorowych w pobliżu pasma walencyjnego. 7

8 Półprzewodniki domieszkowane Wprowadzenie domieszki zakłócenie atomowe sieci krystalicznej zwiększenie konduktywności. Podstawowe pierwiastki gr. IV: german i krzem domieszkuje się pierwiastkami z - gr. III: B borem, Al glinem, Ga galem, In - indem - gr. V: P fosforem, As arsenem, Sb antymonem, Bi - bizmutem Rodzaje domieszek: Półprzewodniki - donorowa (pierwiastkiem pięciowartościowym) typ n półprzewodnika (nadmiarowy przewaga elektronów ładunek - ) 8

9 Półprzewodniki Rodzaje domieszek: - akceptorowa (pierwiastkiem trójwartościowym) typ p półprzewodnika (niedomiarowy dziurowy nośniki +) Złącze p-n W obszarze P, wskutek obecności domieszek akceptorowych, koncentracja dziur jest większa od koncentracji elektronów (dziury nośnikami większościowymi). W N odwrotnie (większościowe elektrony). Poza warstwą graniczną istnieje stan równowagi między ładunkami domieszek a elektronami i dziurami. Na styku obszarów P i N wskutek dużej różnicy koncentracji ruchomych nośników ładunku następuje dyfuzja nośników większościowych: dziur z P do N, elektronów z N do P. Po przejściu ładunków następuje rekombinacja. Powstaje warstwa zaporowa. 9

10 Złącze p-n Polaryzacja Polaryzacja w kierunku przewodzenia (a) U jest przeciwne do U zatem bariera potencjałów maleje o wartość U, zmniejsza się również szerokość warstwy zaporowej (zaczyna się przechodzenie elektronów z N do P i dziur z P do N). Polaryzacja w kierunku zaporowym (b) wskutek zgodności U z U bariera potencjałów zwiększa się o U a warstwa zaporowa rozszerza się. Przez złącze płynie niewielki prąd nośników mniejszościowych (wsteczny). I Złącze p-n Charakterystyka U + U = I g exp 1 IS exp 1 2ϕT ϕt I g prąd generacyjno-rekombinacyjny (składowa I R ) I S prąd nasycenia (składowa I R ) φ T potencjał termiczny elektronów =kt/e=26mv dla T=300K 10

11 ioda półprzewodnikowa U I I U = I S exp 1 nϕt I S efektywny prąd nasycenia ( A) n współczynnik niedoskonałości (1 2) ioda półprzewodnikowa Model R U R S R U rezystancja upływu (rzędu MΩ) istotna w kierunku zaporowym R S rezystancja szeregowa (ułamki Ω) istotna w kierunku przewodzenia 11

12 ioda półprzewodnikowa Model dynamiczny R U C j C 0 R S Przy szybkich zmianach sygnału wymuszającego istotne są pojemności złącza C 0 pojemność obudowy, C d pojemność dyfuzyjna, (stan przewodzenia), C j pojemność złączowa (stan zaporowy) C d la ωτ t <<1 C d = I τ t nϕ T τ t czas przejścia (życia nośników mniejszościowych) n - wsp. niedoskonałości ioda półprzewodnikowa Model małosygnałowy (liniowy) I punkt pracy Q Model małosygnałowy można uzyskać linearyzując model dynamiczny należy uwzględnić rezystancję dynamiczną I Q Q I( t) = IQ + i sin( ωt) U U Q U ( t) = U Q + u sin( ωt) r d = du di u i 12

13 ioda półprzewodnikowa Rezystancja dynamiczna r d = du di u i r d du = di I = I Q = nϕt I + I s nϕt I np. dla I = 1 ma, n = 1 r d 25mV = = 25Ω 1mA ioda półprzewodnikowa Parametry katalogowe I F - prąd przewodzenia F forward - przewodzenia AV(M)- average -średni (maksymalny) RMS real mean square skuteczny SM surge maximum - impulsowy maksymalny (niepowtawrzalny) U F - napięcie przewodzenia I R prąd wsteczny R(M) reverse (maximum) - wsteczny (maksymalny) U R napięcie wsteczne RRM repetitive reverse maximum SM surge maximum - impulsowy maksymalny (niepowtawrzalny) 13

14 ioda półprzewodnikowa Parametry katalogowe Symbol U RRM [V] I R [ua] U F [V] I F [A] U FM [V] I FSM [A] t rr [ns] C[pF] U RRM zastosowanie 1N ioda prostownicza 1A 1N ioda prostownicza 1A 1000V BA /4V Szybka prostownicza 1N n A/1us Szybka przełączana 1N m ? 40 Prostownicza Shottky BAT Shottky ST06S60 Silicon-carbide Szybka, wysokonapięciowa, mocy; Shottky SEP12-12A ? Szybka, wysokonapięciowa, mocy ioda półprzewodnikowa Recovery time t rr (czas wyłączania) I U E R U~I 14

15 ioda prostownicza Przeznaczone do pracy w układach zasilających. - ogólnego przeznaczenia (na 50Hz) - szybkie o krótkim t rr do pracy w zasilaczach impulsowych Parametry: I 0 max średni prąd przewodzenia (prąd znamionowy w kierunku przewodzenia) U RRM szczytowe napięcie wsteczne diody ioda stabilizacyjna Stabilistor lub dioda Zenera umożliwia stabilizację napięcia prądu stałego. 15

16 ioda stabilizacyjna Parametry Napięcie Zenera (3V3 30V; 200V 240V) Prąd minimalny (3 5 ma) Moc (1 10W) Rezystancja dynamiczna (10 300Ω) Minimalna dla U z =7V5 Współczynnik temperaturowy (-5 +15%/K) Zerowy dla U Z 5V1 ioda impulsowa (przełączana) ioda charakteryzująca bardzo szybką zmianą warunków polaryzacji. Najważniejszy parametr t rr. Nazywany czasem ustalania ch-yki wstecznej. Im większy I F tym większy ładunek zgromadzony w złączu PN i dłuższy czas t rr. Skrócenie czasu przez zwiększenie prądu rozładowania I R szybciej usuwany ładunek ze złącza. Istotna także pojemność C przy napięciu wstecznym U RRM. Im mniejsza C tym wiesza szybkość przełączania. 16

17 ioda pojemnościowa Zastosowania, w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem napięcia polaryzacji. C j ( U = 0) C j = m U 1 V j Warikap (VARIable CAPacitance) dioda o zmiennej pojemności do przestrajania obwodów rezonansowych (BB113,109,105) Waraktor (VARiable reactor) dioda o zmiennej reaktancji element nieliniowy stosowany w mikrofalach ioda tunelowa ioda o cienkiej (ok.10nm) warstwie zaporowej uzyskiwanej wskutek silnego domieszkowania złącza PN możliwe są tunelowe przejścia nośników między pasmami walencyjnym i przewodnictwa. Podstawowe zastosowanie generatory i wzmacniacze mikrofalowe (300MHz kilkaset GHz) 17