Prowadzący: Prof. PŁ, dr hab. Zbigniew Lisik. Program: wykład - 15h laboratorium - 15h wizyta w laboratorium technologicznym - 4h



Podobne dokumenty
Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Elementy i Układy Sterowania Mocą

Przyrządy półprzewodnikowe część 4

Elementy i Układy Sterowania Mocą

Przyrządy półprzewodnikowe część 3

Prawo Ohma. qnv. E ρ U I R U>0V. v u E +

Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

IV. TRANZYSTOR POLOWY

Część 3. Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy. Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 51

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

Wykład VIII TRANZYSTOR BIPOLARNY

Przyrządy półprzewodnikowe część 3

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Urządzenia półprzewodnikowe

Wykład X TRANZYSTOR BIPOLARNY

Elementy przełącznikowe

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Elementy elektroniczne Wykład 9: Elementy przełączające

Materiały używane w elektronice

TRANZYSTORY MOCY. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi tranzystorami i ich charakterystykami.

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

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

Przyrządy półprzewodnikowe część 5

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

6. TRANZYSTORY UNIPOLARNE

Przyrządy półprzewodnikowe część 5

Politechnika Białostocka

Wprowadzenie do techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

Przyrządy półprzewodnikowe część 2

Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy

III. TRANZYSTOR BIPOLARNY

Tranzystory polowe JFET, MOSFET

ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

LABORATORIUM ELEKTRONIKI ĆWICZENIE 4 POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i MOSFET

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

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

Elementy półprzewodnikowe. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

W książce tej przedstawiono:

1. Zarys właściwości półprzewodników 2. Zjawiska kontaktowe 3. Diody 4. Tranzystory bipolarne

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

Politechnika Białostocka

1. Wymień trendy rozwojowe współczesnej elektroniki. 2. Zdefiniuj pojęcie sygnału. Jakie rodzaje sygnałów występują w elektronice?

Diody, tranzystory, tyrystory. Materiały pomocnicze do zajęć.

Rozmaite dziwne i specjalne

Tranzystory polowe. Klasyfikacja tranzystorów polowych

Tranzystory. bipolarne (NPN i PNP), polowe (MOSFET), fototranzystory

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Budowa. Metoda wytwarzania

Ćwiczenie 24 Temat: Układy bramek logicznych pomiar napięcia i prądu. Cel ćwiczenia

Politechnika Białostocka

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 2

Złożone struktury diod Schottky ego mocy

10. Tranzystory polowe (unipolarne FET)

Ćwiczenie - 3. Parametry i charakterystyki tranzystorów

Tranzystor bipolarny wzmacniacz OE

Złącza p-n, zastosowania. Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

Ogólny schemat inwertera MOS

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ

Elementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

ELEKTRONIKA ELM001551W

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych test kompetencji zagadnienia

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Tranzystory. 1. Tranzystory bipolarne 2. Tranzystory unipolarne. unipolarne. bipolarny

Laboratorium elektroniki i miernictwa

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 7 Tranzystor polowy MOSFET

EL08s_w03: Diody półprzewodnikowe

Dioda półprzewodnikowa

Temat i cel wykładu. Tranzystory

Tranzystory polowe. Podział. Tranzystor PNFET (JFET) Kanał N. Kanał P. Drain. Gate. Gate. Source. Tranzystor polowy (FET) Z izolowaną bramką (IGFET)

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Wykład V Złącze P-N 1

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

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

Technologia BiCMOS Statystyka procesów produkcji

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

Zasada działania tranzystora bipolarnego

7. Tyrystory. Tyrystor SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Skalowanie układów scalonych

Układy nieliniowe tranzystor bipolarny (n p n, p n p)

5. Tranzystor bipolarny

Pytania podstawowe dla studentów studiów I-go stopnia kierunku Elektrotechnika VI Komisji egzaminów dyplomowych

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

Półprzewodnikowe przyrządy mocy

PRZEŁĄCZANIE DIOD I TRANZYSTORÓW

Tranzystory bipolarne w układach CMOS

A-7. Tranzystor unipolarny JFET i jego zastosowania

Przegląd półprzewodnikowych przyrządów mocy

Ćwiczenie 2 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Rozmaite dziwne i specjalne

PL B1. AZO DIGITAL SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Gdańsk, PL BUP 20/10. PIOTR ADAMOWICZ, Sopot, PL

Podstawowe bramki logiczne

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 4

Transkrypt:

Prowadzący: Prof. PŁ, dr hab. Zbigniew Lisik Program: wykład - 15h laboratorium - 15h wizyta w laboratorium technologicznym - 4h

Materiały półprzewodnikowe Metal Półprzewodnik Izolator T T T

Materiały półprzewodnikowe Podstawowe półprzewodniki: - krzem e - german aas - arsenek galu C -węglik krzemu e- - krzemogerman

Krzem (T=0K) Model pasmowy: W C W g W V

Krzem (T>0K) eneracja pary dziura-elektron Model pasmowy: W C W V

Krzem domieszkowany a akceptor a - As donor W C W As + W A W V

Koncentracja nośników Bilans ładunku: n d + N a + n T = p T + N d + p a n+ N A = p + N d Typy półprzewodników: N a > N d p p > n p typ p N a < N d p n < n n typ n N a = N d p = n = n i typ i

Koncentracja nośników ln n 0 ln p 0 n 0 n i Typ n n 0 = n d + n T p 0 = n T T s p 0 T i n 0 - koncentracja równowagowa elektronów p 0 - koncentracja równowagowa dziur T W C W W V

Koncentracja nośników Koncentracje równowagowe: n 0, p 0 Koncentracje nierównowagowe: n = n 0 + n p = p 0 + p zwykle: n = p h n p W C W V

Rekombinacja Szybkość rekombinacji: R - dn dt Δn τ h g R W C n 0 n n = n 0 + n W V n = n 0 exp (-t/ ) t - czas życia n(3 ) = 0.05 n 0

Ruch chaotyczny Prąd unoszenia Pole elektryczne przyspiesza elektrony E = 0 v th = f(t) v = v th + v E Prędkość unoszenia: v E v u = E v u t

Prąd unoszenia elektrony v ue = n E J ue = qnv ue = qn n E dziury v uh = p E J uh = qpv uh = qp p E Prawo Ohma dla półprzewodnika: J u = J ue + J uh = q(n n + p p )E = E

Prąd dyfuzyjny J de J dh J de = q n grad n J dh = -q p grad p Równania transportu: J e = q(n n E + n grad n) J h = q(p p E - p grad p)

Równania ciągłości J e1 n, p J e2 J h1 g, R J h2 x 1 dn dt (g - R) 1 q dj dx dp dt (g - R) 1 q dj p dx 3 n t g - R 1 q div J e p t g - R 1 q div J h

Układ równań struktury półprzewodnikowej Równania transportu: J e = q(n n E + n grad n) J h = q(p p E - p grad p) Równania ciągłości: n t g - R 1 q div J e p t g - R 1 q div J h Równanie Poissona: 4 div E - q(p n N d N a ) Równanie Kirchhoffa: J = J e + J h

Wstrzykiwanie nośników n 0 R = n/ g = 0 E = 0 L 2 d 2 ( dx L = ( ) 0.5 2 n) n droga dyfuzji n(x) =? n(w)=0 w x β = j(w)/j(0) β współczynnik transportu n 0 j(0) j(w) β 1 n j(0) > j(w) 0 n 0< β < 1 0 j(w) = 0 β =0 w L> w L w L< w w w

Złącze p-n Bezpośrednio po zetknięciu dwóch półprzewodników A p J de n J dh K p p >> p n n p << n n W stanie równowagi QN SCR QN A p E n K J uh J de J dh J ue

Złącze p-n w stanie równowagi SCR A p p0 n p0 p E n n n0 K p n0 V b a E dx b a U AK = 0 I = 0 U - potencjał dyfuzyjny

Złącze p-n w stanie przewodzenia SCR n n0 A p p0 n p0 p n K p n0 V - V AK b a E dx b a U AK > 0 I = f(u AK ) > 0

Złącze p-n w stanie blokowania SCR A p p0 n p0 p E n n n0 K p n0 V AK V b a Edx b U AK < 0 I = f(u AK ) < 0 a

ioda idealna SCR A p p0 K n p0 p n n n0 p n0 K Obszar złącza I Charakterystyka diody idealnej I qu Is0 exp -1 kt I s0 U I s0 prąd nasycenia

Współczynnik wstrzykiwania SCR A p p0 p n n n0 K Współczynnik wstrzykiwania elektronów: n p0 p n0 e p J ej J J J ej J e J Współczynnik wstrzykiwania dziur: J hj Obszar złącza J h h n J hj J

Pojemności w diodzie Pojemność złączowa: p n Q w1 U1 Q w2 U1 + U C j = Q U

Pojemności w diodzie Pojemność dyfuzyjna: Q p2 U1 + U p1 U1 p Q n2 U1 + U n1 U1 C = Q U

ioda idealna a rzeczywista R sp I R sn E p p0 n p0 p n J l prąd upływu u l I C j C d R s R s rezystancja szeregowa u konduktancja upływu C j pojemność złączowa C d pojemność dyfuzyjna I dioda idealna

ioda idealna a rzeczywista Napięcie przebicia: I R s l U br I+R s + l I Rodzaje przebić:: lawinowe Zenera skrośne U

Przełączanie diody E R E t E R 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

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

Przegląd diod Charakterystyka V-I typu S: I p I U p napięcie szczytowe I p prąd szczytowy I v U p napięcie dolinowe U p U v U I p prąd dolinowy ujemna rezystancja Я - ujemna rezystancja

Tranzystor bipolarny E J E J h J e R B J hc C J C E B p-n-p C J C =J hc = J h = J E = J E Typowe warunki pracy: U BE - przewodzenie U BC - blokowanie Współczynnik wzmocnienia J C /J E α γ β

Tranzystor bipolarny jako czwórnik I 1 I 2 Układ U 2 = h 11 I 1 + h 12 U 1 U 1 WE WY U elektroniczny 2 I 2 = h 21 I 1 + h 22 U 1 Układ wspólnego emitera OE I C Współczynnik wzmocnienia I C /I B U BE I B U CE I I C B I E I C I C 1 -

Tranzystor bipolarny w układzie OE I C I B Charakterystyka wyjściowa I B =0 U CE Obszar nasycenia Obszar aktywny Obszar odcięcia

Tranzystor bipolarny jako inwerter E C R L I C E C /R L 0 U WE U WY 1 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"

Tranzystor bipolarny jako inwerter Przełączanie tranzystora: E C R L I C E U WE t t s t f UWE U WY I CM I C t t d t r t d czas opóźnienia t r czas narastania t s czas magazynowania t f czas opadania

Tranzystor polowy p + S S n - kanał JFET Prąd płynie od źródła do drenu Złącze bramka-kanał jest spolaryzowane wstecznie Nie ma wstrzykiwania nośników Prąd przenoszą tylko nośniki większościowe Regulacja szerokości kanału napięciem bramka-kanał

Charakterystyka przejściowa S n p + U S = 0 U S małe I ( U ) = I 1 I I 1 S 0 < U S < U p U S małe I ( U ) < I 1 U P U S S U S = U p U S małe I ( U ) = 0 U P - napięcie odcięcia

Charakterystyka wyjściowa JFET S n p + U S = 0 U S = 0 I = 0 Obszar liniowy Obszar nasycenia S U S = 0 U S < U p 0 < I < I SS I I SS U S = 0 S P U S = 0 U S = U p I = I SS U P U S I SS - prąd nasycenia drenu U S = U p

Struktura MIS zasada działania Jeżeli do kontaktów S i zostanie przyłożone napięcie U S, popłynie pomiędzy nimi prąd I : S n U S + - I L I = U S /R S gdzie R S rezystancja pomiędzy kontaktami i S warstwy o grubości L R S ~n/l

Struktura MIS zasada działania Jeżeli do kontaktów S i zostanie przyłożone napięcie U S, popłynie pomiędzy nimi prąd I : I = U S /R S S + - n B gdzie R S rezystancja pomiędzy kontaktami i S warstwy o grubości L R S ~n/l

Struktura MIS zasada działania Jeżeli napięcie U B > 0 jest przyłożone do kondensatora C B, na okładkach zgromadzi się ładunek Q dodatni na i ujemny na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej. S n B + + + + + + + + + + + - Q = U B C B ielektryk np. O 2 W warstwie przewodzącej prąd koncentracja elektronów rosnie prowadząc do zmniejszenia się rezystancji R S, czemu towarzyszy wzrost prądu I przy niezmienionej wartości napięcia U S.

Tranzystor polowy MOSFET n Sp + B p p + Tranzystor z B kanałem wbudowanym S n S p + p + Tranzystor z kanałem zaindukowanym n B

Tranzystor polowy MOSFET S p + p + PMOS S n + n + n NMOS p B B Układ scalony S S S S B podłoże Tranzystor MOS

Tranzystor polowy MOSFET zasada działania n S p + B p + p + S p + n B B + + + _ B Q C B = 0 U C B = 0 Q C B 0 U C B > 0 Q C B = Q wbudowane + Q dostarczone U C B = U Cwbudowane + U B

Tranzystor z kanałem indukowanym n S p + p + U S = 0 koncentracja n przy powierzchni większa (stany powierzchniowe), nie ma prądu drenu n S p + p + U S = U T (napięcie progowe) stan samoistny przy powierzchni (n 0 =p 0 ), nie ma prądu drenu S n p + p + U S > U T przy powierzchni warstwa inwersyjna typu p tworzy kanał prąd drenu zaczyna płynąć

Tranzystor z kanałem indukowanym B S normalnie nieprzewodzący S B I I U S = U T U T U S Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa U S

Tranzystor z kanałem indukowanym B S normalnie przewodzący B S I I U S = 0 U p U S Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa U S

Układy scalone Układ scalony - przyrząd półprzewodnikowy zawierający w jednej strukturze półprzewodnikowej cały obwód elektryczny z: przyrządami półprzewodnikowymi (diody, tranzystory) elementami biernymi (rezystory, kondensatory) połączenia międzyelementowe (tzw. layout z Al lub Cu) 1958 - pierwszy układ scalony w Bell Lab. (Kilby)

Układy scalone - podziały Bipolarne - podstawowy element tranzystor bipolarny Unipolarne - podstawowy element tranzystor polowy MOS Analogowe - sygnały wejściowe i wyjściowe ciągłe Cyfrowe - sygnały wejściowe i wyjściowe dyskretne (logiczne 0 i 1 )

Cyfrowe IC - podziały Technologie Bipolarne: TTL - Transistor-Transistor Logic ECL - Emiter Coupled Logic I 2 L - Integrated Injection Logic Technologie Unipolarne: NMOS - tylko tranzystory z kanałem typu n PMOS - tylko tranzystory z kanałem typu p CMOS - Complementary MOS, oba typy

Technologia CMOS P + warstwa p - podłoże p + n-well n + polikrzem tlenek podbramkowy tlenek izolacyjny I tlenek izolacyjny II metalizacja I metalizacja II pasywacja

Układy logiczne - Inwerter E E C R L U we Element obciążający Element sterujący U wy U WE Schemat blokowy Symbol U WY U we U wy

Inwertery - bramka NMOS U Charakterystyka przejściowa U wy T L U U U wy C L U we T zwykle: U =U U T(T) U we C L - pojemność obciążenia (kolejne bramki oraz doprowadzenia) la logicznego W wy = 0 płynie stały prąd obciążenia

Inwertery - bramka CMOS U Charakterystyka prądowa T L I U we U wy C L T U we U Tn U inv U -U Tp Prąd płynie tylko przy przełączaniu

Przyrządy mocy - przegląd Podstawowe cechy : główne zastosowania klucze w obwodach C i AC duże wymiary wymagają chłodzenia duża jednostkowa cena

Przyrządy mocy - przegląd Podstawowe wymagania : duży prąd przewodzenia : typowo 40-1000 A, max. 6 ka duże napięcie blokowania : typowo 300V - 2kV, max. 10 kv duża częstotliwość przełączania : dla bipolarnych > 10 khz dla unipolarnych > 100kHz małe straty mocy (U on I on ) w stanie przewodzenia proste sterowanie

Przyrządy mocy - przegląd Bipolarne Tranzystory bipolarne iody Tyrystory TO BiMOS Tranzystory z izolowaną bramką (IBT) Static Induction Thyristor (SITh) Unipolarne Tranzystory MOSFET Tranzystory JFET

Przyrządy mocy - tyrystor zasada działania Jest to przyrząd 3-złączowy pochodzący od znanego układu dwutranzystorowego, tzw. łącznika TT: struktura n-p-n-p cztery warstwy trzy złącza trzy elektrody: A anoda K katoda p n A p n T1 A I A T2 I bramka K K I K = I A + I

Przyrządy mocy - SIT zasada działania Wywodzący się z idei JFET Static Induction Transistor SIT (unipolarny) p + n + n - n + S Konstrukcja bramki zagrzebanej Konstrukcja SIT jest wzorowana na idei lampy elektronowej triody

Przyrządy mocy - VMOS zasada działania Wywodzący się z idei MOSFET Vertical ouble iffusion VMOS (unipolarny) S p n - n n S Pojedyncza komórka przyrząd składa się z tysięcy takich komórek n + Identyczność komórek MOS jest uzyskiwana dzięki jednorodności procesu podwójnej dyfuzji (jedna maska dla wysp n i p)

Przyrządy mocy - IBT zasada działania Wywodzący się z idei MOSFET Integrated ate Bipolal Transistor IBT (Bi-MOS) n S p + n Wyjściowa struktura MOS n - S n +

Przyrządy mocy - IBT zasada działania Wywodzący się z idei MOSFET Integrated ate Bipolal Transistor IBT (Bi-MOS) n E p + n E Zmodyfikowana struktura MOS struktura IBT n - p + C C