docPrzyrządy półprzewodnikowe – część 3
download 
Reklamacja Transkrypt
Przyrządy półprzewodnikowe – część 3
Przyrządy półprzewodnikowe – część 3 Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 110 e-mail: [email protected] wykład 30 godz. laboratorium 30 godz WEEIiA E&T Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy bipolarne : ● Charakteryzują się tym, że oba typy nośników (elektrony i dziury) biorą udział w przepływie prądu. ● Ich istotą jest występowanie wstrzykiwania nośników mniejszościowych przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia. ● Prowadzi to do drastycznego wzrostu koncentracji nośników w obszarach słabodomieszkowanych i w konsekwencji do drastycznego wzrostu ich przewodności – określanego jako modulacja przewodności. ● Z uwagi na występowanie koncentracji nadmiarowych ich dynamika jest ograniczona przez procesy rekombinacyjne Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy uipolarne : ● Charakteryzują się tym, że prąd tworzą w nich jedynie nośniki większościowe. ● Zwykle są one sterowane sygnałem napięciowym i dlatego często są one nazywane przyrządami sterowanymi polowo. ● Prąd płynie w nich poprzez półprzewodnik jednego typu (typu n lub typu p), tak więc nie występuje w nich wstrzykiwanie nośników. ● Koncentracje elektronów i dziur są w nich generalnie równe swoim wartościom równowagowym – nie występuje efekt modulacji przewodności. Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy Bi-MOS: ● Charakteryzują się tym, że posiadają one części pracujące, odpowiednio, jak przyrządy bipolarne i unipolarne. ● Jako przyrządy dyskretne są one zwykle sterowane przez sygnał napięciowy, a więc prościej niż w przypadku przyrządów bipolarnych. ● Wykorzystują one podstawową własność przyrządów bipolarnych – modulację konduktywności. ● Są one zwykle szybsze od odpowiadających im przyrządów bipolarnych. Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Bipolarne Tranzystory Bipolarne Diody Tyrystory GTO BiMOS Unipolarne Tranzystory Bipolarne z Izolowaną Bramką (IGBT) Tranzystory Polowe Złączowe (JFET) Static Induction Thyristor (SITh) Tranzystory Polowe z Izolowaną Bramką (MOSFET) Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Przyrządy dyskretne - jeden przyrząd w jednej obudowie Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Układy scalone - układ elektroniczny z wieloma przyrządami wykonany na jednej strukturze półprzewodnikowej 21164 Alpha die Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd 21164 Alpha die photo i obudowa Konstrukcja Moduły zintegrowane - kilka przyrządów i/lub układów scalonych zmontowanych w jednej obudowie Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy optoelektroniki - są to przyrządy sterowane światłem ( np. fototranzystory, fotodiody, fototyrystory) oraz emitujące światło (np. LEDy, lasery) jak również ogniwa słoneczne. Przyrządy wysokich częstotliwości - są one zdolne do pracy przy bardzo dużych częstotliwościach sięgających GHz’ów zarówno jako źródła sygnału AC (np. diody Gunna lub lawinowe) jak i jako aktywne elementy obwodów wysokiej częstotliwości (np. tranzystory HJBT czy MESFET). Przykład powszechnego zastosowania – telefonia mobilna. Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Sensory - obejmują szerokie spektrum różnych przyrządów półprzewodnikowych, których podstawową cechą jest ich czułość na pewne parametry fizyczne lub czynniki chemiczne (np. hallotrony, termistory, czujniki wilgotności i gazów) Przyrządy mocy - przyrządy dla prądów powyżej 40A i napięć powyżej 300V dla „power management”. Są wykorzystywane jako elementy przełączające w energoelektronice. Część 3 Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Microsystemy - są połączeniem przyrządów elektrycznych i mechanicznych wykonywanych na jednej strukturze półprzewodnikowej lub wykonywane jako moduł zawierający elementy dyskretne (tzw. micromachining). Przykład – czujnik przyspieszenia sterujący poduszką powietrzną. Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – współczynnik wstrzykiwania SCR A pp0 np0 Współczynnik wstrzykiwania dla elektronów: nn0 p K n pn0 Jej Je Jhj Jh Współczynnik wstrzykiwania dla dziur: Obszar Złącza Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – współczynnik wstrzykiwania ● złącze p-n może być emiterem elektronów: kiedy Nd >> Na ● złącze p-n może być emiterem dziur: when Na >> Nd Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – rezystancja szeregowa Obszar złącza nn0 pp0 n p np0 DI Rs DI+Rs ID pn0 Rsp Rsn DI Is0 DI UD Rs Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – konduktancja upływu SCR E pp0 np0 n p DI Rs Gl DI+Rs+Gl ID Jl – prąd upływu Gl Is0 UD Gl DI Rs Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – pojemność złączowa p Q w1U1 n Q w2U2=U1 + U Q Cj = U Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – pojemność dfuzyjna pp0 np0 Q p Q nn0 p n pn0 p2U2=U1 + U p1U1 n2U2=U1 + U n1U1 Q CD = U Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – model diody rzeczywistej DI Rs Gl DI+Rs+Gl ID Gl DI Cj Cd Rs Is0 UD Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – napięcie przebicia DI Rs Gl DI+Rs+Gl ID Rodzaje przebić:: ● lawinowe ● Zenera ● skrośne Ubr UD Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie lawinowe Elektron jest przyspieszany w SCR przez siłę: WC Wkin Wg WV i jego energia kinetyczna rośnie: E SCR l – droga swobodna pomiędzy dwoma zderzeniami Elektron może oddać nadmiarową energię na dwa sposoby: - w zderzeniach z siecią – fononami - w zderzeniach z innymi nośnikami (elektrony lub dziury) Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie lawinowe WC Wkin WV Jeżeli energia kinetyczna jest wystarczająco duża , w wyniku zderzenia z elektronem pasma walencyjnego może być wygenerowana para dziura-elektron. Wymaga to:: gdzie Wion – energia joniacji Ponieważ uzyskanie takiej energii wymaga różnych dróg swobodnych przy różnych natężeniach pola elektrycznego, zdefiniowano średnią drogę jonizacji zależną od pola elektrycznego: Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie lawinowe Powielanie lawinowe prowadzące do przebicia lawinowego ma miejsce kiedy: WC Wkin WV ● dla konkretnego natężenia pola E lph- średnia droga swobodna dla rozpraszania na fononach Si 78 Ǻ Ge GaAs 105 Ǻ 58 Ǻ ● zderzenie z nośnikami jest bardziej prawdopodobne niż z fononami: Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n model przebicia lawinowego w diodzie rzeczywistej Współczynnik powielania: ID - całkowity prąd diody Ubr - prąd diody bez powielania UD Prąd całkowity diody w modelu: gdzie M określane eksperymentalnie: Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie Zenera Przebicie Zenera jest związane z efektem nazywanym polową generacją par dziuraelektron, który ma charakter kwantowy. Ma on miejsce w obszarze o dużym natężeniu pola elektrycznego, kiedy nachylenie krawędzi pasma przewodnictwa i walencyjnego jest bardzo duże, np. w silnie domieszkowanym złączu p-n. Jeżeli domieszkowanie jest tak duże, że odległość pomiędzy punktami A i B jest wystarczająco mała, aby oba punkty znalazły się wewnątrz dzwonu prawdopodobieństwa, wynikającego z zasady nieoznaczoności Heisenberga, to ten sam elektron może pojawiać się w każdym z nich z określonym prawdopodobieństwem. Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie skrośne wn wp p n wSCR(n) WC WV wSCR(p) Przebicie skrośne jest efektem przestrzennym wynikającym z faktu, że grubość warstw tworzących diodę p-n, wn and wp, jest ograniczona. Rozważmy asymetryczną diodę p-n, w której: Nd >> Na W takiej diodzie wSCR(p) >> wSCR(n), oznacza to, że obszar SCR występuje głównie w warstwie p. Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie skrośne wn wp p n wSCR(n) WC WV wSCR(p) Kiedy napięcie wsteczne rośnie, szerokość obszaru SCR w warstwach również rośnie i przy pewnym napięciu obszar SCR wypełnia jedną z warstw. Kiedy dalszy wzrost SCR w jednej z warstw staje się niemożliwy, warstwa p na rysunku, jedyną drogą umożliwiającą dalszy wzrost napięcia wstecznego jest wzrost gęstości ładunku w obszarze SCR tej warstwy. Może to być osiągnięte poprzez wprowadzenie dodatkowych elektronów do SCR warstwy p. Wzrost koncentracji nośników prowadzi jednak do wzrostu prądu unoszenia w tym obszarze. Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie skrośne Gdy prąd unoszenia rośnie w wyniku wzrostu gęstości swobodnych nośników w obszarze SCR diody, jest to efekt przebicia. ID Ubr UD W przypadku przebicia skrośnego nie występuje jednak drastyczny wzrost prądu przy prawie stałej wartości napięcia wstecznego, ale wielkość prądu zależy od napięcia wstecznego zgodnie z wzorem: Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – charakterystyki przebicia Łatwo jest rozpoznać, który typ przebicia występuje w diodzie: ID ● W przypadku przebicia skrośnego nie występuje gwałtowny wzrost prądu. Ubr lawinowe Zenera UD ● W przypadku przebicia lawinowego napięcie przebicia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury . ● W przypadku przebicia Zenera napięcie przebicia zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – stan przejściowy R E t E EF D ER E IF I tf t t ER ts IR IF = EF/R IR = ER/R Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – stan przejściowy E t tr – czas narastania ER ts – czas magazynowania tf – czas opadania IF I tr ts tf t IR IF = EF/R IR = ER/R Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Przegląd diod p-n Standardowe Specjalne Optoelelektroniczne ● Prostownicza (Ubr,Ron) ● Varikap (Cj) ● LED (emisja) ● Tunelowa (typu-S) ● Laser (emisja) ● Impulsowa (tr,trr) ● Lawinowa (syg. wcz) ● FD (detekcja) ● Zenera (Ubr) ● p-i-n (sygn wcz) ● ogniwo słoneczne Inne diody: ● Schottky’ego – wykorzystująca własności nieliniowego kontaktu metal-półprzewodnik (tr,trr) ● Gunna – wykorzystuje zależność ruchliwości od pola elektrycznego występującą w pewnych materiałach jak np. GaAs (charakterystyka I-V typu S) Część 3 Przyrządy bipolarne - Diody Przegląd diod p-n –I-V charakterystyki typu S Ip ID Up – napięcie szczytowe Ip – prąd szczytowy Up – napięcie dolinowe Iv Up ujemna rezystancja Uv UD Ip – prąd dolinowy Я - ujemna rezystancja Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Ogólna prezentacja E p n p C B E n p B n C C E p-n-p B C E n-p-n B Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Zasada działania E Jh Je R JhC Warunki normalnej pracy: C UEB > 0 B UCB < 0 UBE – polaryzacja w kierunku przewodzenia – dziury są wstrzykiwane z emitera do bazy UBC – polaryzacja wsteczna – dziury są przenoszone przez SCR z bazy do na stronę kolektora podczas gdy elektrony są zawracane do wnętrza bazy Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Zasada działania JE JhE E JeE R JhC JC JeB Warunki normalnej pracy: C UEB > 0 UCB < 0 B JC = JhC = JhE = JE = JE 0<<1 β – współczynnik transportu przez bazę - współczynnik wstrzykiwania dziur z emitera do bazy Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor jako czwórnik I2 I1 U1 WE Obwód elektryczny WY U2 Macierz impedancyjna U1 = h11I1 + h12U2 I2 = h21I1 + h22U2 Macierz hybrydowa Macierz admitancyjna Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor jako czwórnik OE OC IC IB UCE UBE OB UEB IB IE IB UBC UEC IC UCB Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE IC IB UBE = h11EIB + h12EUCE UCE UBE Warunki zwarciowe UCE = 0 h11E = UBE/IB Rezystancja wejściowa h21E = IC /IB Współczynnik IC = h21EIB + h22EUCE Warunki rozwarciowe IB = 0 współczynnik h12E = UBE/UCE Inwersyjny wzmocnienia napięciowego wzmocnienia prądowego h22E = IC /UCE Konduktancja wyjściowa Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE OE IB UBE Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego IC UCE h21E = IC /IB Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE Charakterystyki przejściowe IC IB IB UCE UCE IB UBE Charakterystyki oddziaływania wstecznego UCE UBE C Charakterystyki wejściowe IC IB Charakterystyki wyjściowe I UCE OE IC = h21EIB + h22EUCE IC = f(IB) UCE=var IC = f(UCE) IB=var UBE = h11EIB + h12EUCE UBE = f(IB) UCE=var UBE = f(UCE) IB=var Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE Charakterystyki wyjściowe:: IC OE IC IB UCE UBE Obszar odcięcia IB IB=0 UCE Oba złącza są spolaryzowane wstecznie. Obwód zewnętrzny decyduje o napięciu kolektoremiter podczas gdy prąd kolektora jest pomijalnie mały. Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE Charakterystyki wyjściowe:: IC OE IC IB UCE UBE Obszar aktywny IB IB=0 UCE Złącze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektorowe wstecznie Prąd bazy określa prąd kolektora, a napięcie kolektor-emiter wynika z odpowiedzi obwodu zewnętrznego na wymuszony prąd kolektora. Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE Charakterystyki wyjściowe:: IC OE IC IB UCE UBE Obszar nasycenia IB IB=0 UCE Oba złącza są spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Napięcie kolektor-emiter jest bardzo małe, a prąd kolektora jest ograniczony jedynie przez obwód zewnętrzny.. Uwaga: UCE < UCB. Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE Obszar bezpiecznej pracy - SOA:: IC ICmax Hiperbola mocy admisyjnej Pmax = IC UCE SOA Ubr UCE OE IC IB UCE UBE SOA – obejmuje tą część charakterystyk wyjściowych, w której tranzystor może pracować. Jest ona ograniczona przez: ICmax – maksymalny prąd kolektora ograniczony przez wytrzymałość połączeń drutowych pomiędzy kontaktami metalicznymi na chipie oraz wyjściowymi polami obudowy Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE Obszar bezpiecznej pracy - SOA:: IC ICmax Hiperbola mocy admisyjnej Pmax = IC UCE SOA Ubr UCE OE IC IB UCE UBE SOA – obejmuje tą część charakterystyk wyjściowych, w której tranzystor może pracować. Jest ona ograniczona przez: Ubr – napięcie przebicia, zwykle będącego wynikiem lawinowego przebicia złącza kolektorowego Część 3 Przyrządy bipolarne - Tranzystory Tranzystor w konfiguracji OE Obszar bezpiecznej pracy - SOA:: IC ICmax Hiperbola mocy admisyjnej Pmax = IC UCE SOA Ubr UCE OE IC IB UCE UBE SOA – obejmuje tą część charakterystyk wyjściowych, w której tranzystor może pracować. Jest ona ograniczona przez: Pmax – maksymalną moc, która może być wydzielona bez przekroczenia maksymalnej temperatury złącza Tjmax Część 3
