Przyrządy półprzewodnikowe część 3

Przyrządy półprzewodnikowe część 3 Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 110 e-mail: zbigniew.lisik@p.lodz.pl wykład 30 godz. laboratorium 30 godz WEEIiA E&T

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

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.

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.

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

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

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Układy scalone - układ elektroniczny z wieloma przyrządami wykonany na jednej strukturze półprzewodnikowej 21164 Alpha die

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Moduły zintegrowane - kilka przyrządów i/lub układów scalonych zmontowanych w jednej obudowie IPM MCM

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. FD LED LD Ogniwa słoneczne

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie 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, HEMT czy MESFET). Przykład powszechnego zastosowania telefonia mobilna. Space application diody HEMT klucze HF

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) MEMS metan sensor Hallotron Czujnik CO Czujnik wilgotności Termistory

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy mocy - przyrządy dla prądów powyżej 40A i napięć powyżej 300V dla power management. Są wykorzystywane jako elementy przełączające w energoelektronice.

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. mikrosilni k czujnik pojemnościowy mikromedycyna mikrofon mikroaktuator

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

Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n współczynnik wstrzykiwania e p h n J ej J J hj J J ej J J hj 1 0 hn 1 1 0 ep złącze p-n może być emiterem elektronów: ep 1 kiedy N d >> N a złącze p-n może być emiterem dziur: hn 1 when N a >> N d

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

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

Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n pojemność złączowa p n DQ w1u1 DQ w2u2=u1 + DU C j = DQ DU

Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n pojemność dfuzyjna n n0 p p0 n p0 p n p n0 DQ p2u2=u1 + DU p1u1 p DQ n2u2=u1 + DU n1u1 C D = DQ DU

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

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

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n przebicie lawinowe W C W V W g W kin Elektron jest przyspieszany w SCR przez siłę: F E qe i jego energia kinetyczna rośnie: E SCR W kin F E l qel 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)

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:: W W kin ion Wg 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: l ion W qe ion

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 w SCR l ion l ph - średnia droga swobodna dla rozpraszania na fononach Si Ge GaAs 78 Ǻ 105 Ǻ 58 Ǻ zderzenie z nośnikami jest bardziej prawdopodobne niż z fononami: r ion l l ion ph 1

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n model przebicia lawinowego w diodzie rzeczywistej I D Współczynnik powielania: U br U D M J J i - całkowity prąd diody - prąd diody bez powielania Prąd całkowity diody w modelu: gdzie M określane eksperymentalnie: M 1 1 U U br m I D qu MIs0exp -1 kt

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.

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.

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.

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: J a 2 U

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.

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

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

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)

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

Przyrządy bipolarne - Diody Inne diody Efekt Gunna A n-gaas K I p I v v u (I u ) v ul v ul v uh W niektórych półprzewodnikach, np. GaAs, występują dwa typy elektronów: lekkie n l, m efel, µ nl v ul = µ nl E ujemna rezystancja U p U v E(U) ciężkie n h, m efeh, µ nh v uh = µ nh E E = 0 V/m n h = 0 n = n l n = n l + n h E => n l => 0 n => n h J un = qnm n E Chapter 3

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda prostownicza p-i-n budowa Profile rozkładu domieszkowania Elementy składowe: 10 20 10 18 10 16 10 14 A [cm -3 ] 20 60 x 40 p + p n n + p-n - złącze blokujące napięcie p +, n + - warstwy emiterów wstrzykujące nośniki do obszarów słabo domieszkowanych oraz zapewniające dobry kontakt omowy metal-półprzewodnik [mm] K

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda prostownicza p-i-n stan przewodzenia p + p n n + p n p + i n + n = p n p U F U P U I 0 w p+ w w n+ U N

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda prostownicza p-i-n stan przewodzenia U F = U P + U I + U N p + i n + Elementy składowe: U F U P napięcie na złączach p-i i n-i : U kt q ln J U P + U N = K 1 ln I napięcie na obszarze i - omowe : I T 2 < T 1 w T 1 U I U N U I W W J dx Edx 2q n( x) m( x) 0 0 T 2 U I K 2 I 0.5 U F

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda prostownicza p-i-n stan przewodzenia U F = U P + U I + U N U P + U N = K 1 ln I U I K 2 I 0.5 U F p + i n + U P U I U F = K 1 ln I + K 2 I 0.5 w U N małe I U P + U N > U I duże I U P + U N < U I I T 2 < T 1 T 1 T (U P + U N ) a U I T 2 - cross point U F

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda prostownicza p-i-n stan przewodzenia Charakterystyka zastępcza: rezystancja dynamiczna: R d DU DI przybliżenie liniowe: U F U O F F I F R d 3π 2 π 2 I FAV I FAV I F DI F DU F I FAV znamionowa wartość średnia prądu przewodzenia I FAV U O U F

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda prostownicza p-i-n stan blokowania dioda NPT: Cały ładunek przestrzenny w warstwie n - dioda PT: Ładunek przestrzenny w warstwie n - i n + Złącze n - -n + uległo przebiciu skrośnemu E max p + p n - n + w SCR E max E p n w SCR

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

Zasada działania Przyrządy bipolarne - Tranzystory E J h R J hc C J e B Bardeen-Brattain Bell Labs 1947 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

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

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 U U I I 1 2 1 2 z z y y 11 21 11 21 y y z z 12 12 22 22 I I 1 2 U U 1 2 Macierz impedancyjna Macierz admitancyjna U I 2 Macierz hybrydowa 1 h h 11 21 h h 12 22 I U 1 2

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

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

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 IC IC IC IE h 21E I I - I I B E C C 1- I E 1-

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 B I B U CE I C = h 21E I B + h 22E U CE I C = f(i B ) U CE =var 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

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.

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.

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.

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

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

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

Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Katalogowa charakterystyka wyjściowa:: U BE I B U CE BC 108

Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE I C Katalogowa charakterystyka SOA:: U BE I B U CE Przebicie wtórne termiczny efekt przestrzenny, polega na tym, że przy dużych napięciach U CE pojawia się nierównomierny rozkład prądu I C prowadzący do wystąpienia efektu hot spot przy krawędziach obszaru emitera. BD 789

Przyrządy bipolarne - Tranzystor Tranzystor stan przejściowy E C R L U WE t U WE U WY I Cm I C t s t f 0.9I Cm E F U WE t 0.1I Cm t d t r t t on = t d +t r t off = t s +t f

Tranzystor bipolarny jako inwerter E C I C I B = E C /R B R L E C /R L 0 R B U WE U WY 1 I B = 0 E C U CE Wejście Wyjście stan "0" U WE 0 V U WY E C stan "1" stan "1" U WE E C U WY 0 V stan "0"