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