PÓŁPRZEWODNIKI W ELEKTRONICE. Powszechnie uważa się, że współczesna elektronika jest elektroniką półprzewodnikową.

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

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Rozszczepienie poziomów atomowych

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Elektryczne własności ciał stałych

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

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

Przerwa energetyczna w germanie

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Struktura pasmowa ciał stałych

Złożone struktury diod Schottky ego mocy

4. Diody DIODY PROSTOWNICZE. Są to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego.

MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

EL08s_w03: Diody półprzewodnikowe

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Przyrządy półprzewodnikowe

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Skończona studnia potencjału

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Elektryczne własności ciał stałych

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Urządzenia półprzewodnikowe

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki Politechnika Łódzka

Podstawy działania elementów półprzewodnikowych - diody

Badanie charakterystyki diody

Układy nieliniowe. Stabilizator - dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) Logiczna bramka NAND. w.7, p.1

METALE. Cu Ag Au

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

1 Źródła i detektory. V. Fotodioda i diody LED Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody i diod LED.

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

V. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

GaSb, GaAs, GaP. Joanna Mieczkowska Semestr VII

Elementy przełącznikowe

Elementy optoelektroniczne. Przygotował: Witold Skowroński

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Teoria pasmowa ciał stałych

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Wybrane elementy optoelektroniczne. 1. Dioda elektroluminiscencyjna LED 2. Fotodetektory 3. Transoptory 4. Wskaźniki optyczne 5.

Diody półprzewodnikowe

Układy nieliniowe. Stabilizator dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) w.9, p.1

Diody półprzewodnikowe

Skalowanie układów scalonych

Pracownia Fizyczna i Elektroniczna Struktura układu doświadczalnego. Wojciech DOMINIK. Zjawisko przyrodnicze

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

V. Fotodioda i diody LED

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Elektronika. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

Elementy elektroniczne Wykłady 3: Półprzewodniki. Teoria złącza PN

Układy nieliniowe. Stabilizator dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) w.9, p.1

Skalowanie układów scalonych Click to edit Master title style

Instrukcja do ćwiczenia: Badanie diod półprzewodnikowych i LED (wersja robocza)

Półprzewodniki typu n, p, złącze p-n - diody

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Badanie diod półprzewodnikowych

ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Ćwiczenie 123. Dioda półprzewodnikowa

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

1. PÓŁPRZEWODNIKI 1.1. PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Badanie emiterów promieniowania optycznego

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK DIÓD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Przewodniki, półprzewodniki i izolatory

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

ELEKTRONIKA ELM001551W

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Absorpcja związana z defektami kryształu

Ćwiczenie 241. Wyznaczanie ładunku elektronu na podstawie charakterystyki złącza p-n (diody półprzewodnikowej) .. Ω.

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

10 K AT E D R A F I Z Y K I S T O S OWA N E J

Diody półprzewodnikowe

Systemy laserowe. dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki

Transkrypt:

PÓŁPRZEWODNIKI W ELEKTRONICE Powszechnie uważa się, że współczesna elektronika jest elektroniką półprzewodnikową. 1

Półprzewodniki Półprzewodniki to ciała stałe nieorganiczne lub organiczne o przewodnictwie elektrycznym typu elektronowego i przewodności elektrycznej większej od przewodności dielektryków i mniejszej od przewodności metali. 2

Krzem (Si) Krzem jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej. Otrzymuje się go przemysłowo przez redukcję krzemionki (SiO 2 ) węglem w piecu elektrycznym. Krzem czysty (99,9%) poddaje się następnie oczyszczaniu strefowemu. W wyniku wielokrotnego oczyszczania strefowego uzyskuje się surowiec półprzewodnikowy o czystości rzędu 99,999%. Tak oczyszczony krzem poddaje się precyzyjnemu domieszkowaniu i krystalizacji w celu uzyskania materiału wyjściowego o pożądanej w procesie produkcji przyrządów PP strukturze i rezystywności. 3

Krzem (Si) Rezystywność krzemu może mieć wartość w przedziale od 300 kωcm do 0,001 Ωcm. W normalnych warunkach fizycznych ma on: skośną przerwę energetyczną o szerokości 1,12 ev, wytrzymałość na przebicie 300 kv/cm, względną stałą dielektryczną 11,9; ruchliwość elektronów rzędu 1000 cm 2 /Vs, ruchliwość dziur - 400 cm 2 /Vs, koncentrację samoistną nośników ładunku 1,5. 10 10 cm -3. Krzem jest pierwiastkiem IV grupy układu okresowego; liczba atomowa 14, czterowartościowy, średnica atomu 2,35Å, krystalizuje w układzie regularnym typu diamentu o stałej sieciowej 5,43Å, ma ok. 5 10 22 atomów/cm 3 i moduł Younga 10890kG/mm 2. 4

Arsenek galu (GaAs) Arsenek galu jest stosowany przede wszystkim na diody elektroluminescencyjne, lasery, i przyrządy mikrofalowe. Umożliwia on uzyskanie jeszcze mniejszego prądu nasycenia i wyższej maksymalnej dopuszczalnej temperatury złącza p-n niż krzem. W normalnych warunkach fizycznych ma on: 1. prostą przerwę energetyczną o szerokości 1,43 ev, 2. wytrzymałość na przebicie 350 kv/cm, 3. względną stałą dielektryczną 12,9; 4. ruchliwość elektronów 6 razy większą niż w krzemie. 5

Inne, częściej stosowane półprzewodniki GaP, GaN, InAs, InP, InSb, CdS, PbTe, tlenki: Cu, Ni, Mn, Fe i ich mieszaniny, SiC, AlGaAs, GaAsP, SiGe. Bada się możliwości stosowania półprzewodników organicznych, np. pentacenu. Są próby stosowania jako półprzewodnika diamentu. 6

Elektrony w atomie Elektrony walencyjne Jądro Elektrony 7

Półprzewodnik samoistny - to półprzewodnik o doskonałej sieci krystalicznej. i-si a=5,431a 8

Atomy i rdzenie atomowe Si oraz Ge Si oraz Ge należą do grupy IV układu okresowego pierwiastków. Mają po 4 zewnętrzne elektrony. Tylko zewnętrzne elektrony uczestniczą w tworzeniu wiązań kowalencyjnych. Pozostałe elektrony i jądra można traktować w przybliżeniu jako rdzeń atomowy o ładunku +4q. 9

Wiązania kowalencyjne w krysztale Si Atom Si w sieci krystalicznej dzieli się swoimi 4 elektronami walencyjnymi z 4 otaczającymi go atomami, tworząc wiązanie kowalencyjne.

Energetyczny model pasmowy półprzewodnika W półprzewodniku, w wyniku oddziaływania rdzeni atomowych, dochodzi do utworzenia pasma przewodnictwa. Jest ono oddzielone przerwą energetyczną od pasma walencyjnego. Elektrony pasma walencyjnego i niższych nie mogą poruszać się swobodnie po krysztale.

Model pasmowy półprzewodnika samoistnego Energia Pasmo przewodnictwa Swobodne elektrony (n i ) W C W V W G n i =p i Swobodne dziury (p i ) Pasmo walencyjne Przestrzeń 12

Półprzewodnik samoistny kreacja e-h W idealnym krysztale półprzewodnika, bez defektów również bez domieszek, w temperaturze zera bezwzględnego pasmo walencyjne powinno być pozbawione dziur, a w paśmie przewodnictwa nie powinno być elektronów Dla T > 0 K termiczne drgania atomów prowadzą do zerwania niektórych wiązań i generacji par elektron-dziura o koncentracji odpowiednio n i = p i. Elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie walencyjnym mogą przewodzić prąd elektryczny.

Ruch dziury w paśmie walencyjnym T.Floyd, Electronic Devices, Prentice-Hall, 1999 Oswobodzenie elektronu przejście do pasma przewodnictwa zostawia dziurę w paśmie walencyjnym ruch elektronu pasma walencyjnego odpowiadający mu ruch dziury Bariera energetyczna pomiędzy dziurą, a elektronami walencyjnymi sąsiednich atomów Si jest niewielka. Termiczne drgania atomów w sieci krystalicznej wystarczają do jej pokonania i prowadzą do przemieszczania się dziury swobodnie po krysztale w paśmie walencyjnym. 14

n n i Koncentracja samoistna (n i ) Nexp i 1,5 Si,T= 300K WG 2kT 10 15 milionów swobodnych elektronów i tyleż samo swobodnych dziur w objętości 1mm 3! 10 cm 3 15

Półprzewodniki domieszkowane i-si + (P lub As lub Sb) n-si krzem donorowy Pierwiastki piątej grupy układu okresowego i-si+(b lub Al lub Ga) p-si krzem akceptorowy Pierwiastki trzeciej grupy układu okresowego 16

Model pasmowy jednorodnego półprzewodnika donorowego Energia Pasmo przewodnictwa Swobodne elektrony (n n ) (nośniki większościowe) W C W G n n >p n n n N D Jony domieszek donorowych (N D 10 14 10 19 cm -3 ) W V Pasmo walencyjne Swobodne dziury (p n ) (nośniki mniejszościowe) p n n 2 i N D Przestrzeń 17

Półprzewodnik donorowy (n) Domieszka donorowa obce atomy o większej wartościowości. Liczba elektronów swobodnych jest równa liczbie atomów domieszki. Powstaje półprzewodnik typu n (negative). 18

Model pasmowy jednorodnego półprzewodnika akceptorowego Energia W C W V W G n p <p p Pasmo przewodnictwa p p N A n n Swobodne elektrony (n p ) (nośniki mniejszościowe) Jony domieszek akceptorowych (N A 10 14 10 19 cm -3 ) p 2 i N A Swobodne dziury (p p ) Pasmo wartościowości (nośniki większościowe) Przestrzeń 19

Półprzewodnik akceptorowy (p) Domieszka akceptorowa obce atomy o mniejszej wartościowości. Liczba dziur swobodnych jest równa liczbie atomów domieszki. Powstaje półprzewodnik typu p (positive). 20

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

Diody - klasyfikacje Rodzaj złącza diody p-n diody p-i-n diody m-s (Schottky'ego) diody heterozłączowe Przeznaczenie ogólnego przeznaczenia prostownicze stabilizacyjne (Zenera) pojemnościowe (warikapy) przełączające optoelektroniczne mikrofalowe 22

Prostujące złącza półprzewodnikowe Złącze P-N P + Si N - Si Złącze M-S Złącze Schottky ego Metal N - Si 23

Model idealnego złącza PN Anoda x p x n Katoda P N x j Obszar quasineutralny P Warstwa przejściowa Obszar quasineutralny N 24

Charakterystyka prądowonapięciowa idealnego złącza PN 10I S I I/I S 10 12 (0,715V) 5I S U Si I S 10 11 (0,656V) 0 0,2 0,4 0,6 U[V] I S prąd nasycenia (na) V T potencjał elektrotermicznyv T = kt/q 26 mv dla T = 300 K I ( U) I S exp 1 VT U 25

Charakterystyka rzeczywistego złącza PN Zakres przewodzenia I I Anoda U Katoda U F I F U Zakres przebicia I R U R Zakres zaporowy 26

Schemat budowy diody Obudowa Prostujące złącze półprzewodnikowe Wyprowadzenia 27

Diody prostownicze Prostownik jednopołówkowy 28

Diody prostownicze Prostownik jednopołówkowy Efekt prostowania jest częściowo zależny od częstotliwości napięcia prostowanego U 1 =12V, 50Hz R=10Ω, dioda 1N4002 29

Diody prostownicze Prostownik jednopołówkowy Efekt prostowania jest częściowo zależny od częstotliwości napięcia prostowanego U 1 =12V, 50kHz R=10Ω, dioda 1N4002 30

Diody prostownicze Prostownik mostkowy + 12 230 V ~ + + 50Hz _ u 1 t u 2 t 31

Diody stabilizacyjne r Z = U I I= I Z U Z0 P max = U Z I Zmax 32

Elementarny stabilizator napięcia U WY = U WE r Z rz + R 33

Wpływ temperatury na przewodzenie złącza PN Charakterystyki wsteczne I F[A] 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6 Charakterystyki przewodzenia 100C o 25C o -50C o Maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne 0,2 U F[V] 0 0,2 0,4 0,6 1,0 U T I= const 2mV/ K 34

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 35

Wpływ oświetlenia na złącze PN Anoda I f Katoda 36

Charakterystyki I(U) fotodiody Dioda oświetlona I Dioda nie oświetlona U S f Napięcie fotoelektryczne U f Prąd fotoelektryczny ~ I f η I f = S f J J f natężenie promieniowania γx j ( W, λ) γ( wyk, λ) e [ 1 R( wyk, λ) ] G I I U = IS exp 1 V T ( U) = IDzw( U) If f I f η - wydajność kwantowa fotonów, γ,r - współczynniki pochłaniania i odbicia promieniowania, x j - głębokość złącza. 37

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 λ [ µ m] 38

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 39

U f = V T ln Fotodioda jako ogniwo fotoelektryczne U f = V T ln I S + I S I f V T ln I I f S J f Uf U f U f max U = f max V j J f U f ~ ln I I f S SfJ ~ ln I S f 40

I f R (I,U) U f Charakterystyka ogniwa a-si o powierzchni 0,25cm 2 przy oświetleniu 1sun 41

Fotodioda kwadrantowa Powierzchnia światłoczuła Stosuje się do detekcji położenia plamki świetlnej. 42

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. 43

Charakterystyki I(U) I F[mA] 20 10 2 Si U F[V] 0 0,6 1 1,5 2 2,5 3 3,5 44 Podczerwona Czerwona Zielona Bursztynowa Niebieska

Wskaźnik α-numeryczny 7 segmentowy z kropką 45

Laser półprzewodnikowy (krawędziowy) powierzchnie polerowane obszar aktywny 46

Odczyt CD ROMu Winylowa warstwa podłożowa Warstwa odblaskowa λ/4 Przeźroczysta warstwa ochronna Promień opóźniony o λ/2 Dioda laserowa 47

Pojemność barierowa złącza PN x n x p = d d ( V u) ~ j Q + C = Q j = εε = d dq du 0 Cj b S ( u) = Q b 48

Diody pojemnościowe C j C j0 ( u) = m 1 u V j 1 1 m, 2 3 C C r1 C r2 U 49

Obwody rezonansowe przestrajane diodą pojemnościową f a 2π 1 L C(U) f b = 2π 1 L 1 2 C(U) 50

Układ przylegania Detektor szczytowy 51

Ogranicznik poziomu 52

Układ wygaszania przepięcia induktora 53