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

Półprzewodniki typu n, p, złącze p-n - diody Wrocław 2016 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

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

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. Dielektryki Ze względu na właściwości elektryczne, ciała stałe dzieli się na: izolatory (dielektryki) -duża rezystywność 10 12 Ωm 10 15 Ωm, -brak elektronów swobodnych (walencyjnych), -pasmo podstawowe całkowicie obsadzone przez elektrony -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

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 0.1 2 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

Rezystywność materiałów Dziury 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

Dziury i elektrony Wyrwany z wiązania e. może poruszać się w krysztale (nie jest związany z żadnym jądrem) e. swobodne. Każdy wyrwany e. pozostawia dodatnio naładowany 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). Dziury 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

Półprzewodniki samoistne półprzew - samoistny.swf 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

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 Półprzewodniki półprzew - n.swf Rodzaje domieszek: - donorowa (pierwiastkiem pięciowartościowym) typ n półprzewodnika (nadmiarowy przewaga elektronów ładunek - ) 8

Półprzewodniki półprzew - p.swf Rodzaje domieszek: - akceptorowa (pierwiastkiem trójwartościowym) typ p półprzewodnika (niedomiarowy dziurowy nośniki +) Półprzewodniki Zależność przewodnictwa półprzewodników domieszkowanych od temperatury 9

Półprzewodniki Termistory NTC Termistory NTC (Negative Temperature Coefficient) Wraz ze wzrostem temperatury maleje ich rezystancja Półprzewodniki Termistory NTC - zastosowanie 10

Półprzewodniki Termistory NTC - zastosowanie Półprzewodniki Termistory PTC Termistory PTC (Positive Temperature Coefficient) Wraz ze wzrostem temperatury rośnie ich rezystancja 11

Półprzewodniki Termistory PTC - zastosowanie Np. w sterowaniu diodami LED dużej mocy, systemach samochodowych np. w układach kontroli świateł stopu. Zbyt wysoka temperatury pracy diody LED powoduje skrócenie jej czasu eksploatacji. By ograniczyć jej temperaturę pracy stosuje się rezystory stałe. Takie jednak rozwiązanie nie pozwala na maksymalne wykorzystanie maksymalnej jasności świecenia diody LED. Zastosowanie termistora PTC pozwala na zwiększenie jasności świecenia gdy dioda jest jeszcze zimna, a gdy jej temperatura rośnie, termistor PTC zaczyna ograniczać prąd płynący przez diodę. Powoduje to, że dioda pracuje w dopuszczalnym zakresie prądów dla danej temperatur Półprzewodniki Termistory - zastosowanie Układy pomiarowe Stabilizatory temperatury Układy zabezpieczające obwody elektroniczne Stabilizacja punktu pracy układów elektronicznych Układy opóźniające Układy startowe silników Odmagnesowania kineskopów Liniowość i precyzja półprzewodnikowych mierników temperatury jest słaba. Zaletą natomiast jest za to ich duża czułość. 12

Półprzewodniki Warystory Warystor (ang. VDR - Voltage Dependent Resistor) to rezystor, którego wartość rezystancji zmniejsza się silnie wraz ze wzrostem napięcia. Warystory produkuje się obecnie najczęściej z granulowanego tlenku cynku, domieszkowanego różnymi pierwiastkami jak Bi, Mn, Sb, Si, itd., uformowanego w pastylkę. Półprzewodniki Warystory A stała materiałowa, β współczynnik nieliniowości. Stałe A i β zależą od rodzaju materiału półprzewodnikowego, technologii wykonania i rodzaju warystora. 13

Półprzewodniki Warystory Warystory wykonuje się z masy złożonej z proszku węglika krzemu SiC (karborundu) i ceramicznego spoiwa - o kształcie walcowym (typu WN) - o kształcie dyskowym (typu WD). Zastosowanie - zabezpieczanie urządzeń przed przepięciami, - ochronniki przepięciowe i wysokonapięciowe (w telewizorach), - ochrona linii wysokiego napięcia, - zabezpieczenie telefonów, modemów i innych urządzeń podłączonych do linii telefonicznej, - odgromniki oraz zabezpieczenie transformatorów. 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. 14

Złącze p-n Polaryzacja złacze p-n.swf Polaryzacja w kierunku przewodzenia (a) U jest przeciwne do U D 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 D bariera potencjałów zwiększa się o U a warstwa zaporowa rozszerza się. Przez złącze płynie niewielki prąd nośników mniejszościowych (wsteczny). I D Złącze p-n Charakterystyka U + D U D = 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 15

Dioda półprzewodnikowa U D I D D I D U D = I S exp 1 nϕt I S efektywny prąd nasycenia (10-18 10-9 A) n współczynnik niedoskonałości (1 2) Dioda półprzewodnikowa Model R U D R S R U rezystancja upływu (rzędu MΩ) istotna w kierunku zaporowym R S rezystancja szeregowa (ułamki Ω) istotna w kierunku przewodzenia 16

Dioda półprzewodnikowa Model dynamiczny R U D 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 j C d Dla ωτ t <<1 C d = I Dτ t nϕ T τ t czas przejścia (życia nośników mniejszościowych) n - wsp. niedoskonałości Dioda 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) 17

Dioda 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 1N4002 100 50 0.9 1 2.3 25 3500 15 Dioda prostownicza 1A 1N4007 1000 50 0.9 1 2.3 25 5000 15 Dioda prostownicza 1A 1000V BA159 1000 5 1.3 1 1.8 20 500 12/4V Szybka prostownicza 1N4148 75 25n 1 0.1 4A/1us 4 0.8 Szybka przełączana 1N5819 40 1m 0.4 1 1.2 25? 40 Prostownicza Shottky BAT 43 30 100 0.3 0.002 1 0.2 5 5 Shottky SDT06S60 Silicon-carbide 600 200 1.7 6 21.5 00 15 Szybka, wysokonapięciowa, mocy; Shottky DSEP12-12A 1200 100 2.7 15 90 40? Szybka, wysokonapięciowa, mocy Dioda półprzewodnikowa Recovery time t rr (czas wyłączania) I D U D E D R U~I D 18

Dioda półprzewodnikowa Budowa Dioda prostownicza 19

Dioda prostownicza Cechy charakterystyczne: - duża powierzchnia warstw zaporowych - niewielkie częstotliwości pracy (głównie 50 lub 100Hz) - szeroki zakres mocy dopuszczalnych - stosowane głównie w układach zasilających do prostowania prądów przemiennych Parametry: I 0 max średni prąd przewodzenia (prąd znamionowy w kierunku przewodzenia) U RRM szczytowe napięcie wsteczne diody Dioda prostownicza 20

Dioda prostownicza Dioda prostownicza Przy polaryzacji diody napięciem gwałtownie zmieniającym znak daje o sobie znać wada złącza p-n, polegająca na tym, że po przejściu ze stanu przewodzenia do zaporowego potrzebny jest określony czas na usunięcie nośników z obszaru złącza (ang. reverse recovery time, trr) I D U D E D R U~I D 21

Dioda impulsowa (przełączana) Diody przeznaczone do pracy w układach impulsowych muszą charakteryzować się małym czasem włączania i wyłączenia. Zmniejszenie czasu trr można osiągnąć na przykład poprzez: odpowiednią geometrię złącza (krótka droga nośników), wprowadzenie gradientu domieszek w obszarze złącza, wprowadzenie centrów rekombinacji (dodatkowych defektów), zastosowanie złącza metal półprzewodnik Dioda impulsowa (przełączana) Dioda Schottky ego Dioda zbudowana jako złącze półprzewodnika typu n z metalem Dioda charakteryzująca się 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 większa szybkość przełączania. 22

Dioda stabilizacyjna Stabilistor lub dioda Zenera umożliwia stabilizację napięcia prądu stałego. Dioda stabilizacyjna Najprostszy stabilizator parametryczny 23

Dioda stabilizacyjna Układ ograniczający napięcie Dioda 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 24

Dioda stabilizacyjna Parametry Dioda pojemnościowa Zastosowania, w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem napięcia polaryzacji. C j ( U D = 0) C j = m U 1 D 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 25

Dioda tunelowa Dioda 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) 26