Półprzewodniki typu n i p. Złącze p-n

Transkrypt

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
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: EP – energia w stanie podstawowym
(walencyjnym), EW – energia w stanie
wzbudzonym,
∆E – pasmo zabronione (przerwa energetyczna) –
określa wartość energii potrzebną do uwolnienia
elektronu
b) ciała stałego
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
- 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 1012Ωm – 1015Ωm,
-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 10-9Ωm – 10-6Ωm,
-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 104Ωm – 108Ωm,
-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
półprzew - samoistny.swf
Półprzewodniki samoistne
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
półprzew - n.swf
Półprzewodniki
Rodzaje domieszek:
- donorowa (pierwiastkiem pięciowartościowym) – typ n półprzewodnika
(nadmiarowy – przewaga elektronów „ładunek -”)
8
półprzew - p.swf
Półprzewodniki
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
złacze p-n.swf
Złącze p-n
Polaryzacja
Polaryzacja w kierunku przewodzenia (a) U jest przeciwne do UD 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 UD bariera potencjałów
zwiększa się o U a warstwa zaporowa rozszerza się. Przez złącze płynie niewielki prąd
nośników mniejszościowych (wsteczny).
Złącze p-n
Charakterystyka

U
I D = I g  exp D
 2ϕT


 
U  
 − 1 + I S  exp D  − 1



 
 ϕT  

Ig – prąd generacyjno-rekombinacyjny
(składowa IR)
IS – prąd nasycenia (składowa IR)
φT – potencjał termiczny elektronów
=kT/e=26mV dla T=300K
15
Dioda półprzewodnikowa
UD
ID
D

U
I D = I S  exp D
 nϕ T

 
 − 1

 
IS – efektywny prąd nasycenia (10-18 ÷ 10-9A)
n – współczynnik niedoskonałości (1 ÷ 2)
Model
RU
D
RS
RU rezystancja upływu (rzędu MΩ) – istotna w kierunku zaporowym
RS rezystancja szeregowa (ułamki Ω) – istotna w kierunku przewodzenia
16
Model dynamiczny
C0
RU
D
Przy szybkich zmianach sygnału wymuszającego istotne są
pojemności złącza
C0 – pojemność obudowy,
RS
Cd – pojemność dyfuzyjna, (stan przewodzenia),
Cj – pojemność złączowa (stan zaporowy)
Cj
Cd
Dla ωτt <<1
Cd =
I Dτ t
nϕT
τt – czas „przejścia” (życia nośników mniejszościowych)
n - wsp. niedoskonałości
Parametry katalogowe
• IF - prąd przewodzenia
•
•
•
•
F – forward - przewodzenia
AV(M)- average -średni (maksymalny)
RMS – real mean square – skuteczny
SM – surge maximum - impulsowy maksymalny (niepowtawrzalny)
• UF - napięcie przewodzenia
• IR – prąd wsteczny
•
R(M) – reverse (maximum) - wsteczny (maksymalny)
• UR – napięcie wsteczne
•
•
RRM – repetitive reverse maximum
SM – surge maximum - impulsowy maksymalny (niepowtawrzalny)
17
Parametry katalogowe
Symbol
URRM
[V]
IR
[uA]
UF
[V]
IF
[A]
UFM IFSM
[V]
[A]
trr
[ns]
C[pF]
URRM
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
1
BAT 43
30
100
0.3
0.002
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
Recovery time trr (czas wyłączania)
ID
E
UD
D
R
U~ID
18
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:
I0 – max średni prąd przewodzenia (prąd znamionowy w kierunku przewodzenia)
URRM – 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)
ID
E
UD
D
R
U~ID
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 trr. Nazywany czasem ustalania ch-yki wstecznej.
Im większy IF tym większy ładunek zgromadzony
w złączu PN i dłuższy czas trr. Skrócenie czasu
przez zwiększenie prądu rozładowania IR –
szybciej usuwany ładunek ze złącza.
Istotna także pojemność C przy napięciu
wstecznym URRM. Im mniejsza C tym większa
szybkość przełączania.
22
Dioda stabilizacyjna
Stabilistor lub dioda Zenera – umożliwia stabilizację napięcia prądu
stałego.
Najprostszy stabilizator parametryczny
23
Układ ograniczający napięcie
Parametry
•
•
•
•
Napięcie Zenera (3V3 ÷ 30V; 200V ÷ 240V)
Prąd minimalny (3 ÷ 5 mA)
Moc (1 – 10W)
Rezystancja dynamiczna (10 ÷ 300Ω)
– Minimalna dla Uz=7V5
• Współczynnik temperaturowy (-5÷+15%/K)
– Zerowy dla UZ≈5V1
24
Parametry
Dioda pojemnościowa
Zastosowania, w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności
warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem napięcia polaryzacji.
Cj =
C j (U D = 0)
 UD 
1 − V 
j 

Warikap (VARIable CAPacitance) – dioda o
zmiennej pojemności do przestrajania
obwodów rezonansowych (BB113,109,105)
m
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

Półprzewodniki typu n i p. Złącze p-n

Transkrypt

Podobne dokumenty

Historia elektroniki. Elementy bierne.

Wizja 2014 - Czesław M. Rodkiewicz Scholarship Foundation

Układy generacyjne. - Politechnika Wrocławska