Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Podobne dokumenty
Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

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

Przyrządy półprzewodnikowe część 4

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

Elementy i Układy Sterowania Mocą

Elementy i Układy Sterowania Mocą

Przyrządy półprzewodnikowe część 2

Materiały używane w elektronice

Wprowadzenie do techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

Przyrządy półprzewodnikowe część 3

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

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

Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

IV. TRANZYSTOR POLOWY

Wykład VIII TRANZYSTOR BIPOLARNY

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

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Przyrządy półprzewodnikowe część 3

ELEKTRONIKA ELM001551W

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy

W książce tej przedstawiono:

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

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

Budowa. Metoda wytwarzania

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Tranzystory polowe. Klasyfikacja tranzystorów polowych

6. TRANZYSTORY UNIPOLARNE

Wykład X TRANZYSTOR BIPOLARNY

Politechnika Białostocka

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

LABORATORIUM ELEKTRONIKI ĆWICZENIE 4 POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Elementy przełącznikowe

Przyrządy półprzewodnikowe

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

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

Tranzystory polowe JFET, MOSFET

Wykład V Złącze P-N 1

Tranzystor bipolarny wzmacniacz OE

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

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

10. Tranzystory polowe (unipolarne FET)

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

Urządzenia półprzewodnikowe

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

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

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 2

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Politechnika Białostocka

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

Politechnika Białostocka

III. TRANZYSTOR BIPOLARNY

5. Tranzystor bipolarny

Złożone struktury diod Schottky ego mocy

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych test kompetencji zagadnienia

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

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

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

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

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Technologia BiCMOS Statystyka procesów produkcji

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

Ćwiczenie - 3. Parametry i charakterystyki tranzystorów

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ

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

Laboratorium elektroniki i miernictwa

Elementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

Uniwersytet Pedagogiczny

Ćwiczenie nr 7 Tranzystor polowy MOSFET

Tranzystory bipolarne w układach CMOS

Ćwiczenie 17 Temat: Własności tranzystora JFET i MOSFET. Cel ćwiczenia

Tranzystor bipolarny: częstotliwość graniczna f T

Ćwiczenie 2 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Diody, tranzystory, tyrystory. Materiały pomocnicze do zajęć.

TRANZYSTORY BIPOLARNE SMK WYKŁAD

Rys. 1. Oznaczenia tranzystorów bipolarnych pnp oraz npn

Podstawy Elektroniki dla Tele-Informatyki. Tranzystory unipolarne MOS

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

Tranzystory polowe MIS

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

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

ĆWICZENIE 4 CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO

Elementy elektroniczne Wykłady 3: Półprzewodniki. Teoria złącza PN

Ogólny schemat inwertera MOS

KARTA PRZEDMIOTU. studia niestacjonarne. Kod przedmiotu:

Politechnika Białostocka

Podstawy Elektroniki dla Informatyki. Tranzystory unipolarne MOS

PRZEŁĄCZANIE DIOD I TRANZYSTORÓW

Cel wykładu. Elektronika Jakub Dawidziuk

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

Transkrypt:

Podstawy Elektroniki Prowadzący: Prof. dr hab. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 116 e-mail: zbigniew.lisik@p.lodz.pl Program: wykład - 15h laboratorium - 15h wizyta w laboratorium technologicznym - 4h

Materiały półprzewodnikowe Metal Półprzewodnik Izolator T T T

Materiały półprzewodnikowe Podstawowe półprzewodniki: - krzem Ge - german GaAs - arsenek galu C -węglik krzemu Ge- - krzemogerman

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

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

Krzem domieszkowany Ga akceptor Ga As donor W C W D As W A W V

Krzem domieszkowany Ga akceptor Ga - As donor W C W D As + W A W V

Koncentracja nośników Bilans ładunku: n d + N a + n T = p T + N d + p a n 0 + N A = p 0 + N d n 0 - koncentracja równowagowa elektronów p 0 - koncentracja równowagowa dziur Typy półprzewodników: N a > N d p p0 > n p0 N a < N d p n0 < n n0 N a = N d p 0 = n 0 = n i typ p typ n 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 T T S temperatura wyczerpania stanów T i temperatura przejścia w stan samoistny W C W D W V

Koncentracja nośników ln n 0 ln p 0 n 0 n i Typ n n 0 = n d + n T p 0 = n T p 0 T ρ T s T i T S temperatura wyczerpania stanów T T s i temperatura przejścia w stan samoistny ρ ~(n 0 + p 0 ) T i ρ rezystywność T

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

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

Prąd unoszenia Ruch chaotyczny Pole elektryczne przyspiesza elektrony: F = qe a = F/m v E = at E = 0 v th = f(t) v = v th + v E v E Prędkość unoszenia: v u = E µ - ruchliwość 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 = qd n grad n J dh = -qd p grad p Równania transportu: J e = q(n n E + D n grad n) J h = q(p p E - D p grad p)

Równania ciągłości J e1 n, p J e2 J h1 g, R J h2 x 1D dn dt (g - R) 1 q dj dx dp dt (g - R) 1 q dj p dx 3D 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 + D n grad n) J h = q(p p E - D 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 = (D ) 0.5 2 n) n droga dyfuzji n(x) =? n(w)=0 w x β = j(w)/j(0) β współczynnik transportu j(x) = q D grad (Δn) 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 D b a E dx U AK = 0 I D = 0 U D - potencjał dyfuzyjny

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

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

Współczynnik wstrzykiwania SCR A p p0 n p0 p n n n0 p n0 Współczynnik wstrzykiwania K elektronów: e p J ej J J ej J e Współczynnik wstrzykiwania dziur: J hj Obszar złacza 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 D = Q U

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

Dioda idealna a rzeczywista Napięcie przebicia: DI R s G l U br DI+R s +G l I D Rodzaje przebić: lawinowe Zenera skrośne U D

Przełączanie diody E R D 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

Tranzystor bipolarny E C E J E J h J e R J hc C JC B p-n-p B 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 I I - C E I I C E 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 D S n - kanał D G JFET G 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 JFET S n p + G D U GS = 0 U DS małe I D ( U D ) = I 1 I D I 1 S G D 0 < U GS < U p U DS małe I D ( U D ) < I 1 U P U GS S G D U GS = U p U DS małe I D ( U D ) = 0 U P - napięcie odcięcia

Charakterystyka wyjściowa JFET S n p + G D U GS = 0 U DS = 0 I D = 0 Obszar liniowy Obszar nasycenia S G D U GS = 0 U DS < U p 0 < I D < I DSS I D I DSS U GS = 0 S G P D U GS = 0 U DS = U p I D = I DSS U P U DS I DSS - prąd nasycenia drenu U GS = U p

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

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

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

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

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

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

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

Tranzystor z kanałem indukowanym D B G S normalnie nieprzewodzący D G S B I D I D U GS = U T U T U GS Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa U DS

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 DD Charakterystyka przejściowa U wy T L U DD U GG U wy C L U we T D zwykle: U GG =U DD U T(TD) U we C L - pojemność obciążenia (kolejne bramki oraz doprowadzenia) Dla logicznego W wy = 0 płynie stały prąd obciążenia

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

Elementy logiczne Suma - OR

Elementy logiczne Iloczyn - AND

Elementy logiczne Bramka - NOR

Elementy logiczne Bramka - AND

Elementy logiczne Bramka Exclusive OR

Elementy logiczne Suma - OR