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 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
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 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 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 = 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 j(x) = q 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 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
Tranzystor JFET układ OS OS I I = y 11S U S + y 12S U S I U S I C = y 21S U S + y 22S U S U S Transkonduktancja I I SS g m I U S U S const U P U S
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 ~L/n
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 ~L/n
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