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 Podstawy Elektroniki Mechatronika
Materiały półprzewodnikowe Podstawowe półprzewodniki: - krzem Ge - german GaN - azotek galu GaAs - arsenek galu C - węglik krzemu Podstawy Elektroniki Mechatronika
Krzem (T=0K) Model pasmowy: W C W g W V Podstawy Elektroniki Mechatronika
Krzem (T>0K) Generacja pary dziura-elektron Model pasmowy: W C W V Podstawy Elektroniki Mechatronika
Krzem domieszkowany Ga akceptor Ga - As donor W C W D As + W A W V Podstawy Elektroniki Mechatronika
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 Podstawy Elektroniki Mechatronika
Koncentracja nośników ln n 0 ln p 0 n 0 Typ n W C W D n i W V p 0 T T s T i T S temperatura wyczerpania stanów T i temperatura przejścia w stan samoistny ρ T s T i T Podstawy Elektroniki Mechatronika
Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Typowe obszary definiowane w katalogach dla przyrządów krzemowych: Obszar zalecany Zakres [ C] Komercyjny 0 70 Przemysłowy -25 85 ln n 0 ln p 0 n 0 n i Przemysłowy rozszerzony -40 125 Militarny -55 125 T s p 0 T i T Podstawy Elektroniki Mechatronika
Koncentracja nośników Koncentracje równowagowe: n 0, p 0 hν Δn W C Koncentracje nierównowagowe: n = n 0 + Δn p = p 0 + Δp Δp W V Koncentracje nadmiarowe: Δn, Δp zwykle: Δn = Δp Podstawy Elektroniki Mechatronika
Rekombinacja Szybkość rekombinacji: dn dδn R = - = - = dt dt Δn τ hν g R W C Δn 0 Δn n = n 0 + Δn W V Δn = Δn 0 exp (-t/τ) τ t τ - czas życia Podstawy Elektroniki Mechatronika
Prąd unoszenia elektrony v ue = µ n E J ue = qnv ue = qnµ n E dziury v uh = µ p E J uh = qpv uh = qpµ p E n (-q) p (q) E W C W V E natężenie pola elektrycznego µ ruchliwość v u prędkość unoszenia Prawo Ohma dla półprzewodnika: J u = J ue + J uh = q(nµ n + pµ p )E = σe Podstawy Elektroniki Mechatronika
Prąd dyfuzyjny J de J dh J de = qd n grad n J dh = -qd p grad p Równania transportu: J e = q(nµ n E + D n grad n) J h = q(pµ p E - D p grad p) Podstawy Elektroniki Mechatronika
Równania ciągłości J e1 n, p J e2 J h1 g, R J h2 Δx 1D dn dt = (g- R) + 1 q dj dx dp dt = (g- R) 1 q dj p dx 3D δn δt = g - R + 1 q div J e δp δt = g - R 1 q div J h Podstawy Elektroniki Mechatronika
Układ równań struktury półprzewodnikowej Równania transportu: J e = q(nµ n E + D n grad n) J h = q(pµ p E - D p grad p) Równania ciągłości: δn δt = g - R + 1 q div J e δp δt = g - R 1 q div J h Równanie Poissona: 4π div E = - q(p n + ε N d N a ) Równanie Kirchhoffa: J = J e + J h Podstawy Elektroniki Mechatronika
Wstrzykiwanie nośników Δn 0 R = Δn/τ g = 0 E = 0 Δn 0 j(0) j(w) β 1 j(0) > j(w) Δn 0 Δn 0 < β < 1 0 j(w) = 0 β = 0 Δn(x) =? Δn(w)=0 w x w L> w L w L< w L = (Dt) 0.5 droga dyfuzji w w β = j(w)/j(0) współczynnik transportu Δn 1 Δn R = Δn/τ 1 Δn(w)=Δn g = 0 2 Δn 2 E = 0 Δn(x) =? w x n p Podstawy Elektroniki Mechatronika w x n = n 0 + Δn p = p 0 + Δn
Wstrzykiwanie nośników Δn 0 R = Δn/τ g = 0 E = 0 Δn 0 Δn 0 Δn 0 Δn(x) =? Δn(w)=0 w x Q inj Q inj Q inj w L> w L w L< w Q inj ładunek wstrzykniętych nośników nadmiarowych C D pojemność dyfuzyjna gromadząca Q inj\ w w Δn 1 R = Δn/τ g = 0 E = 0 Δn(x) =? w Δn(w)=Δn 2 x Δn 1 Δn 2 Q i nj Podstawy Elektroniki Mechatronika w x n = n 0 + Δn p = p 0 + Δp
Złącze p-n Bezpośrednio po zetknięciu dwóch półprzewodników A J p 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 Podstawy Elektroniki Mechatronika
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 D = 0 U D - potencjał dyfuzyjny Podstawy Elektroniki Mechatronika
Złącze p-n pojemność złączowa SCR A pp0 n p0 p E n n n0 p n0 K Stan równowagi U AK = 0 V Q SCR = Q SCR0 A p p0 n p0 p n n n0 p n0 K Polaryzacja w kierunku przewodzenia U AK > 0 V Q SCR < Q SCR0 A p p0 n p0 p E n n n 0 K Polaryzacja wsteczna U AK < 0 V Q SCR > Q SCR0 p n0 Podstawy Elektroniki Mechatronika
Dioda idealna SCR A p p0 K n p0 p n n n0 p n0 K Obszar złącza D Charakterystyka diody idealnej D qu = s0 exp -1 kt s0 U D s0 prąd nasycenia Podstawy Elektroniki Mechatronika
Współczynnik wstrzykiwania SCR A p p0 n p0 p n n n0 p n0 Współczynnik wstrzykiwania K elektronów: γ e p = J ej J J ej J e Współczynnik wstrzykiwania dziur: J hj Obszar złacza J h γ h n = J hj J Podstawy Elektroniki Mechatronika
Dioda idealna a rzeczywista R sp D R sn E p p0 n p0 p n J l prąd upływu G u G l D C j C d R s R s rezystancja szeregowa G u konduktancja upływu C j pojemność złączowa C d pojemność dyfuzyjna D dioda idealna Podstawy Elektroniki Mechatronika
Dioda idealna a rzeczywista Napięcie przebicia: D R s G l U br D+R s +G l D Rodzaje przebić: lawinowe Zenera skrośne U D Podstawy Elektroniki Mechatronika
Przełączanie diody E R D E t E R E F E t F t s t f t E R R F = E F /R R = E R /R Podstawy Elektroniki Mechatronika
Przegląd diod p-n nne diody: Schottky ego wykorzystująca własności nieliniowego kontaktu metal-półprzewodnik (t r,t rr ) Gunna wykorzystuje zależność ruchliwości od pola elektrycznego występującą w pewnych materiałach jak np. GaAs (charakterystyka -V typu S) Podstawy Elektroniki Mechatronika
Przegląd diod p-n charakterystyki typu S p D U p napięcie szczytowe p prąd szczytowy v U p U v U D U p napięcie dolinowe p prąd dolinowy ujemna rezystancja Я - ujemna rezystancja Podstawy Elektroniki Mechatronika
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 = β J h = γβ J E = α J E Typowe warunki pracy: U BE - przewodzenie U BC - blokowanie Współczynnik wzmocnienia J C /J E α = γ β Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor bipolarny model Ebersa - Molla E J E J h J e R J hc J C C C B C α N E C jc C dc B E α R C C je C de E Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor bipolarny jako czwórnik 1 2 Układ U 1 = h 11 1 + h 12 U 2 U 1 WE WY U elektroniczny 2 2 = h 21 1 + h 22 U 2 Układ wspólnego emitera OE C Współczynnik wzmocnienia C / B U BE B U CE β = C C E 1- C = = = B E C C E α 1-α Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor bipolarny jako czwórnik 1 2 Układ U 1 = h 11 1 + h 12 U 2 U 1 WE WY U elektroniczny 2 2 = h 21 1 + h 22 U 2 Układ zastępczy 1 2 ~ h 11 U 1 h 22 h 21 1 U 2 h 12 U 2 Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor bipolarny w układzie OE C B Charakterystyka wyjściowa B =0 U CE Obszar nasycenia Obszar aktywny Obszar odcięcia Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor bipolarny jako inwerter E C R L 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" Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor bipolarny jako inwerter Przełączanie tranzystora: E C R L C E U WE t UWE U WY CM C t s t f t t d t r t d czas opóźnienia t r czas narastania t s czas magazynowania t f czas opadania Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor bipolarny Darlingtona Konfiguracja Prąd tranzystora Wzmocnienie β P 100 β G 10 B β = β P β G B Podstawy Elektroniki Mechatronika E
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 Podstawy Elektroniki Mechatronika
Tranzystor JFET układ OS OS D G = y 11S U GS + y 12S U DS G U DS D = y 21S U GS + y 22S U DS U GS Transkonduktancja D DSS g m δ = D δ U GS U DS = const U P U GS Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Charakterystyka przejściowa JFET S n p + G D U GS = 0 U DS małe D ( U D ) = 1 D 1 S G D 0 < U GS < U p U DS małe D ( U D ) < 1 U P U GS S G D U GS = U p U DS małe D ( U D ) = 0 U P - napięcie odcięcia Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Charakterystyka wyjściowa JFET S n p + G D U GS = 0 U DS = 0 D = 0 Obszar liniowy Obszar nasycenia S G D U GS = 0 U DS < U p 0 < D < DSS D DSS U GS = 0 S G P D U GS = 0 U DS = U p D = DSS U P U DS DSS - prąd nasycenia drenu U GS = U p Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Struktura MS zasada działania Jeżeli do kontaktów S i D zostanie przyłożone napięcie U DS, popłynie pomiędzy nimi prąd D : S n U DS + - D D L D = U DS /R DS gdzie R DS rezystancja pomiędzy kontaktami D i S warstwy o grubości L i długości l R DS ~ l/nl Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Struktura MS zasada działania Jeżeli do kontaktów S i D zostanie przyłożone napięcie U DS, popłynie pomiędzy nimi prąd D : D = U DS /R DS S + G - n B D gdzie R DS rezystancja pomiędzy kontaktami D i S warstwy o grubości L R DS ~ n/l Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Struktura MS 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 D przy niezmienionej wartości napięcia U DS. Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Tranzystor polowy MOSFET p p S S n + n + G B G n n + n + D D Tranzystor z B kanałem wbudowanym Tranzystor z kanałem zaindukowanym S n G D B Podstawy Elektroniki - Mechatronika
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 Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Tranzystor polowy MOSFET zasada działania S p + G p + D G Q C GB = 0 n B B U C GB = 0 S n p + G B p + D G + + + _ B Q C GB 0 U C GB > 0 Q C GB = Q wbudowane + Q dostarczone U C GB = U Cwbudowane + U GB Podstawy Elektroniki - Mechatronika
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 Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Tranzystor z kanałem indukowanym D B G S normalnie nieprzewodzący D G S B D D U GS = U T U T U GS Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa U DS Podstawy Elektroniki - Mechatronika
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) Podstawy Elektroniki - Mechatronika
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 ) Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Cyfrowe C - podziały Technologie Bipolarne: TTL - Transistor-Transistor Logic ECL - Emiter Coupled Logic 2 L - ntegrated njection Logic Technologie Unipolarne: NMOS - tylko tranzystory z kanałem typu n PMOS - tylko tranzystory z kanałem typu p CMOS - Complementary MOS, oba typy Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Technologia CMOS P + warstwa p - podłoże p + n-well n + polikrzem tlenek podbramkowy tlenek izolacyjny tlenek izolacyjny metalizacja metalizacja pasywacja Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Układy logiczne - nwerter E E C R L U we Element obciążający Element sterujący U wy U WE Schemat blokowy Symbol U WY U we U wy Podstawy Elektroniki - Mechatronika
nwertery - 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 Podstawy Elektroniki - Mechatronika
nwertery - bramka CMOS U DD Charakterystyka prądowa T L D U we U wy C L T D U we U Tn U inv U DD -U Tp Prąd płynie tylko przy przełączaniu Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Elementy logiczne Suma - OR Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Elementy logiczne loczyn - AND Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Elementy logiczne Bramka - NOR Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Elementy logiczne Bramka - AND Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Elementy logiczne Bramka Exclusive OR Podstawy Elektroniki - Mechatronika
Elementy logiczne Suma - OR 1. Błaszcyk Tomasz 2. Kamiński Tomasz 3. Chmielewski Marcin 4. Olakowski Piotr 1. Gaj Łukasz 2. Drążek Mariusz 3. Kamiński Tomasz 4. Chmielewski Marcin 5. Choiński Arek Podstawy Elektroniki - Mechatronika