Urządzenia półprzewodnikowe

Urządzenia półprzewodnikowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Diody:
- prostownicza
- Zenera
- pojemnościowa
- Schottky'ego
- tunelowa
- elektroluminescencyjna - LED
- fotodioda półprzewodnikowa
Tranzystory
- tranzystor bipolarny
- tranzystor unipolarny (tranzystor polowy)
- fototranzystor
Lasery półprzewodnikowe
Hallotron
Termistor
Złącze p-n
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Równanie Poissona – „lokalny” potencjał elektrostatyczny
∇ φ (r ) = −
2
e
εε 0
(N
+
D
+ p − N A− − n
Wyrównanie energii Fermiego po obu stronach złącza
)
Złącze p-n – sytuacja równowagowa
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Po obu stronach łącza tworzą się obszary
zubożone w nośniki. Siły kulombowskie
zapobiegają dalszemu transportowi nośników.
VD·e – różnica położenia
dna pasma przewodzenia
między obszarem p i n
Szerokości stref: model Schottky’ego
(rozwiązanie przybliżone)
⎛ 2εε 0V D N A N D
d n = ⎜⎜
⋅
NA + ND
⎝ e
⎞
⎟⎟
⎠
1
2
⎛ 2εε 0V D N D N A
⋅
d p = ⎜⎜
NA + ND
⎝ e
⎞
⎟⎟
⎠
1
2
Złącze p-n – napięcie zaporowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Przyłożenie napięcia polaryzującego złącze w kierunku zaporowym utrudnia
przechodzenie elektronu przez obszar złącza
Napięcie w kierunku przewodzenia
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Elektrony, które przeszły przez
obszar złącza ulegają
rekombinacji z dziurami. Przez
złącze przepływa prąd.
Dioda – charakterystyka I(V)
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Diody
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dioda prostownicza
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Diody prostownicze w
alternatorze
samochodowym
Dioda Zenera
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dla kierunku zaporowego
działanie diody Zenera jest
oparte na tunelowaniu
kwantowym.
Dioda Zenera
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zastosowanie:
regulator
napięcia
Napięcie wejściowe:
polaryzacja zaporowa.
Opornik ogranicza prąd.
Zastosowanie:
eliminacja
przepięć
Napięcie wyjściowe:
stabilne, bliskie napięcia
przebicia.
Dioda tunelowa Esakiego
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Złącze p-n o dużej koncentracji domieszek.
Mała szerokość złącza (10 nm)
Energia odpowiadająca elektronom z
pasma przewodzenia (po stronie n) ma
zbliżoną wartość jak dla dziur z pasma
walencyjnego po stronie p.
Dioda o szybkim czasie działania – stosowane w układach o wysokiej
częstotliwości sygnału (GHz).
Przewodzi w kierunku zaporowym. W kierunku przewodzenia, w pewnym
zakresie napięć natężenie spada wraz ze wzrostem napięcia – „ujemny”
opór.
Dioda tunelowa Esakiego
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dioda Schottky’ego
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dioda oparta na złączu metalpółprzewodnik.
Zastosowania:
Układy wysokiej częstotliwości (do GHz) krótki czas przełączania.
Zasilacze impulsowe (do MHz).
Dioda MIS. MOSFET.
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Metal – insulator-semiconductor (MIS)
Field effect transistor (FET)
Tranzystor MOSFET
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Reżim liniowy
Nasycenie
Inne tranzystory polowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
JFET
Kanał typu n
Kanał typu p
Tranzystor bipolarny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
k. przewodzenia
k. zaporowy
Emiter: silnie domieszkowany (n++)
Baza: słabo domieszkowany p
Kolektor: domieszkowany n+
Niewielki prąd baza-emiter wytwarza
duży prąd emiter-kolektor.
Tranzystor bipolarny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Źródło rysunków:
Ryszard J. Barczyński,
Politechnika Gdańska,
Wydział FTiMS
Tranzystor bipolarny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Wzmacniacz: małe zmiany w
obwodzie bazy powodują duże
zmiany w obwodzie kolektora.
Przełącznik: przejście ze stanu
nasycenia do stanu zatkania.
Hallotron - efekt Halla
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
UH
qE = q
= qvB
a
r
r
J = neVD
1
RH =
nq
qU H
IB
=
nad
a
1
σRH = nqµ
=µ
nq
Zastosowania: czujniki pola
magnetycznego, mierniki cęgowe
Wyznaczane parametry:
-koncentracja
-ruchliwość
-znak nośników
Dioda świecąca – zasada działania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
W diodzie świecącej zachodzi
rekombinacja promienista.
Dioda świecąca
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
hc
λ=
Eg
W diodzie świecącej zachodzi
rekombinacja promienista.
Wymagane przejście proste.
Dioda świecąca: budowa
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Większość materiałów do produkcji LED
ma duży współczynnik załamania.
Całkowite wewnętrzne odbicie ogranicza
natężenie światła i kąt emisji.
Dioda świecąca - charakterystyka
FIZYKA 3
www.fotonika.pl
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dioda świecąca: zastosowania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Fotodioda – zj. fotoelektryczne wewnętrzne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Przy polaryzacji zaporowej dioda jest
czułym detektorem światła.
Przy braku polaryzacji na złączu powstaje
siła elektromotoryczna – pracuje jako
ogniwo słoneczne
Złącze PIN używane w fotodiodach do szybkich systemów optycznych
Fotodioda z napędu CD
Optoizolacja (przetworniki)
Lasery półprzewodnikowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ