1.predavanje poluvodici e-learning

OSNOVEOSNOVE

Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku Elektrotehnički fakultet

Osijek

1

OSNOVEOSNOVEELEKTRONIKEELEKTRONIKE

Dr.sc. Slavko Rup čićDr.sc. Slavko Rup čić

1. 1. POLUVODI ČIPOLUVODI ČIEE--learninglearning

Predavanja (45 sati)– (2 kontrolne zadaće -oslobañanje usmenog dijela ispita!)

Auditorne vježbe (15 sati) - (2 kontrolne zadaće -

Organizacija i sadržaj kolegija

2

Auditorne vježbe (15 sati) - (2 kontrolne zadaće -oslobañanje pismenog dijela ispita!)

Laboratorijske vježbe (30 sati) - (kolokvij -uvjet za potpis i mogućnost pristupanja ispitu)

Ispit - (pismeni + usmeni)

Osnovna:

1. T.Švedek, Poluvodičke komponente i osnovni sklopovi, Svezak I. Poluvodičke komponente,

Literatura

3

1. T.Švedek, Poluvodičke komponente i osnovni sklopovi, Svezak I. Poluvodičke komponente, Graphis Zagreb, 2001.

2. P.Biljanović, Elektronički sklopovi, ŠK, Zagreb,1994.

3. A.Szabo, Impulsna i digitalna elektronika, Skripta FER, Zagreb, 2000.

Dopunska:

1. B.Juzbašić, Elektronički elementi, ŠK, Zagreb 1988.

Literatura

4

1. B.Juzbašić, Elektronički elementi, ŠK, Zagreb 1988.

2. Ž.Butković, Elektronika I,predavanja, FER Zagreb 2007.

3. P.Biljanović, Poluvodički elektronički elementi,Školska knjiga, Zagreb, 1996.

1. Poluvodiči. Električka svojstva poluvodiča

2. Poluvodičke diode

3. Sklopovi sa PN diodama

Sadržaj kolegija

5

4. Bipolarni spojni tranzistor (BJT) i osnovna pojačala sa bipolarnim spojnim tranzistorima

5. Unipolarni tranzistor (FET) i osnovna pojačala sa unipolarnim tranzistorima

6. Negativna povratna veza. Pojačala snage (A, AB i B)

7. Operacijska pojačala i sklopovi sa operacijskim pojačalima

8. Osnovnove impulsne tehnike. Multivibratori

9. Osnovni logički sklopovi

10. Pasivne komponente (R, L ,C)

1. Poluvodiči

Čvrsta tijela se prema unutarnjem rasporedu atoma dijele na:

• kristalini čna - pravilan raspored atoma (poli i mono)

6

• amorfna - nepravilan raspored atoma

1. Poluvodiči

Valentni elektroni atoma u kristaluuglavnom odreñuju:

• fizikalna svojstva (električna, temperaturna, magnetska,

7

optička) i

• karakter silâ koje drže atome kristala na okupu.

Najvažnije električko svojstvo

čvrstog tijela je otpornostρρρρ.

Podjela čvrstih tijela prema iznosu otpornosti:

• vodiči - ρρρρ < 10−3 Ωcm metalni kristali

1. Poluvodiči

8

• vodiči - ρρρρ < 10−3 Ωcm

• poluvodiči - 10−3 Ωcm < ρρρρ < 106 Ωcm

• izolatori - 106 Ωcm < ρρρρ

metalni kristali

ionski ilikovalentni kristali

Otpornost poluvodiča ovisi o vanjskim utjecajima:

• temperaturi, optičkoj pobudi, radijaciji , tlaku, ali i o

• količini i tipu primjesanamjernododanih monokristalu.

1. Poluvodiči

9

Poluvodiči su u pravilu monokristali (pravilna kristalnastruktura, Si i Ge kristaliziraju u oblikudijamantne kubnerešetke)

1. Poluvodiči

10

rešetke)

Vrste kubnih rešetki: (a) Jednostavna kubna, (b) kubna sa pr ostorno centralnimatomom te (c) kubna sa plošno centriranim atomom.

Prikaz atoma silicija (jezgra i vanjska nepopunjena ljuska)

+4 elektron jezgra atoma silicija+4

11

Naboj označava pozitivni naboj iona (ujedinjuje pozitivan naboj jezgre - redni broj - umanjen za onoliko elektrona koliko ih ima u zatvorenim ljuskama).

- naboj Ge jezgre je +32, a naboj popunjenih ljusaka je –28,

- naboj Si jezgre je +14, a naboj popunjenih ljusaka je –10.

+4

A1) Čisti (intrinsi čni) poluvodič; Si na temperaturiT = 0 K

Poluvodič bez primjesa +4

1.1. Generiranje nosilaca naboja u poluvodiču –čisti poluvodiči

12

Poluvodič bez primjesa ostalih elemenata - "čisti" ili intrinsi čni poluvodič(lat. intrinsectus-svojstven, svojstveno mu je stanje poluvodljivosti).

+4 +4 +4

+4

+4

+4+4

+4 +4

Nema slobodnih nosilaca naboja!

A2) Čisti (intrinsi čni) poluvodič; Si na temperaturiT > 0 K generiranje para slobodnih nosilaca

+4 +4 +4

slobodna šupljina

slobodni elektron

13

- elektron(n) - negativan naboj- šupljina (p) - pozitivan naboj

Elektron Šupljina

+4 +4 +4

+4

+4

+4+4

+4 +4

Razbijanje valentnih veza u intrinsičnom poluvodiču uvijek stvara (generira) par nosilaca nabojaelektron-šupljina, stoga vrijedi:

A2) Čisti (intrinsi čni) poluvodič; Si na temperaturiT > 0 K generiranje para slobodnih nosilaca

14

vrijedi:

Tablica 1.3. Koncentracija slobodnih nosilaca naboja u čistih poluvodiča: Si, Ge i GaAs (T = 300K)

ni = pi ,

ni i pi - koncentracije elektrona i šupljina u čistom poluvodiču - ovise o materijalu i temperaturi.

Za primjenu u elektronici važne su primjesekoje se namjernounose difuzijom i/ili ionskom implantacijom u kontroliranim

1.2. Generiranje nosilaca naboja u poluvodiču –primjesni poluvodiči

15

unose difuzijom i/ili ionskom implantacijom u kontroliranim količinama (od 1014 do 1020 atoma/cm3).

Unošenje primjesa u čisti poluvodič = dopiranje ⇒

dopirani ili primjesni (ekstrinsični) poluvodič.

Primjesni (ekstrinsični) poluvodič

Tablica 1.4.Popis peterovalentnih (donorskih) i trovalentnih (akceptorskih) primjesa, tip vodljivosti, te njihova energija ionizacije u Ge i Si

B1a) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; Si natemperaturiT = 0 K

16

primjesa, tip vodljivosti, te njihova energija ionizacije u Ge i Si

Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip, Si naT = 0 K !

Četiri elektrona formiraju

atom petorovalentne primjese

B1a) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip Si natemperaturiT = 0 K

17

+4 +4 +4

+4

+4

+5+4

+4 +4

Četiri elektrona formiraju valentnu vezu

Nema slobodnih nosilaca naboja!

Peti elektron - vezan slabom Colombovom silom

B2a) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; N-tip, Si na T > 0 K ! Generiranje slobodnih nosilaca naboja

+4 +4 +4pri E ≥ Ei peti elektron

postaje slobodan

18

+4 +4 +4

+4

+4

+5+4

+4 +4

postaje slobodan

atom primjese postaje stacionarni ion (jedinični

pozitivni naboj)

pri E >> Ei termičko razbijanje valentnih veza =

par elektron-šupljina

1.3. Energetski dijagrami poluvodi ča

19


20


21

1.3.1. Energetski dijagram primjesnog poluvodi ča N-tipa

22U dijagramu energetskih pojasa prisustvo donorskih nečistoća ima za posljedicu nastajanje dodatnog energetskog nivoa unutar zabranjenog pojasa, i to pri njegvom vrhu. Taj nivo se nazivadonorski nivo E D.

atom trovalentne primjese

Tri elektrona formiraju

B1b) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; P-tip, Si na T = 0 K !

23Nema slobodnih nosilaca naboja!

+4 +4 +4

+4

+4

+3+4

+4 +4

Tri elektrona formiraju valentnu vezu

Nepopunjeno mjesto = šupljina

B2b) Primjesni (ekstrinsični) poluvodič; P-tip, Si na T > 0 K ! Generiranje slobodnih nosilaca naboja

+4 +4 +4pri E ≥ Ei elektron popuni

prazno mjesto

24

+4 +4 +4

+4

+4

+3+4

+4 +4

prazno mjesto

atom primjese postaje stacionarni ion (jedinični

negativni naboj)

pri E >> Ei termičko razbijanje valentnih veza =

par elektron-šupljina

1.3.2. Energetski dijagram primjesnog poluvodi ča P-tipa

25 Akceptorske nečistoće uvode u dijagram energetskih pojasa dodatni akceptorski nivoEA , koji leži unutar zabranjenog pojasa.

1.4. Fermijev nivo i koncentracije nosilaca naboja

26

1.4. Fermijev nivo i koncentracije nosilaca naboja

27

2GE

2GE

Koncentracije nosilaca naboja

28


29


30

1.5. PN SPOJ – skokoviti spoj

31

Koncentracija nosilaca jednaka koncentraciji

primjesa - dobro vodljiva područja

1.5. Skokoviti PN spoj

32

N-tipP-tip– –– –– –

+ ++ ++ +

osiromašeno područje db

Nekompenzirani naboj ioniziranih atoma donora i akceptora

- slabo vodljivo područje = PN BARIJERA

kvazineutralno područje kvazineutralno područje

• u prvoj aproskimaciji u njemu nema slobodnih nosilaca naboja(osiromašeno područje!) samo nekompenzirani naboj ioniziranih atoma donora i akceptora

Svojstva osiromašenog područja:

1.5.1. PN barijera -svojstva

33

• zbog prostornog naboja u njemu se javlja ugrañeno električno polje

• zbog ugrañenog električnog polja unutar njega se mijenja električki potencijal od Φn do Φp (potencijali kvazineutralne N- i P-strane)

• širina osiromašenog područja ovisi o koncentraciji primjesa N- i P-strane

Svojstva osiromašenog podru čja skokovitog PN-spoja

Asimetričan skokoviti PN-spoj (jednodimenzionalan slučaj):

nn0 = ND

NP

x0

(ND– NA) Koncentracija primjesa (i slobodnih nosilaca naboja “prije “doticanja P- i N-strane!)

34

pp0 = NA

xn x0

ρQ(x), Ascm–3

+–

–xp

Prema van PN-spoj mora biti električki neutralan ⇒ gustoća negativnog prostornog naboja P-strane mora biti jednaka gustoći pozitivnog prostornog

naboja N-strane.

0=− QPQN ρρ

ISN IDNP N

dBnOPnON

EFN

E(eV)

-q(UK+U)

1.5.2. PN spoj pod djelovanjem

napona propusne polarizacije

35

-qU

POP

PON X (m)

X (m)

ISPIDP

UK

U

P N

EFP

U (V)

UTOT=UK+U

SDSPSNDPDN IIIIIII −=−−+=

1.5.3. PN spoj pod djelovanjem

napona zaporne polarizacijeISN P N

dBnOP

-qU

E(eV)

EFP

EFN

-q(UK+U)nON

36

POP

U (V)

U

K

U

UTOT=UK+U

P N

X (m)

X (m)PON

ISP

1.5.3.1. Struje u poluvodi čima- driftna struja

37

1.5.3.1. Struje u poluvodi čima- driftna struja

38

1.5.3.1. Struje u poluvodi čima- difuzijska struja

39

1.5.3.1. Struje u poluvodi čima- difuzijska struja

40

1.5.3.1. Struje u poluvodi čima- ukupna struja

41

Svaka realna poluvodička komponenta: dioda, bipolarni tranzistor, spojni ili MOS tranzistor s efektom polja, sastoji se od nekoliko tipova spojeva: PN, N+N, P+P, metal-P+ i metal-N+.

MS-spoj u tim komponentama predstavlja omski(neispravljački) spoj, pomoću kojeg se poluvodička struktura komponente preko metalnih priključaka (kontakata) povezuje s vanjskim svijetom.

1.5.4. Spoj metal – poluvodi č(eng. metal – semiconductor

MS)

42

priključaka (kontakata) povezuje s vanjskim svijetom.

Odgovarajućim MS-spojem može se dobiti i svojstvo PN-spoja -ispravljački efekt. Ispravljački MS-spoj je lakše proizvesti, a i brzina rada mu je veća nego kod PN-spoja (važno u sklopnom režimu rada!).

Prve poluvodičke diode bile su točkaste diode- oštar metalni šiljak zaboden u neki prirodni kristal poluvodiča (radio-detektori za demodulaciju AM signala). I prvi tranzistor bio je izveden kao točkasta komponenta (Ge pločica -bazau koju su bila zabodena dva metalna šiljka - emiter i kolektor ).

1.5.4.1. OMSKI SPOJ - MS

Na površini ispravljačkog spojaMS nastaje osiromašeno područje -koncentracija osnovnih nosilaca na površini spoja manja je nego u volumenu poluvodiča - a prijelaz elektrona iz metala u poluvodič sprečava potencijalna barijera. Takav MS spoj ima pri nepropusnoj polarizaciji veliki otpor koji ograničava struju.

43

Omski ili neispravljački kontakt mora imati linearnu strujno-naponsku karakteristiku i malen otpor za obje vrste polarizacije - utjecaj barijere na protok nosilaca naboja mora biti zanemarivo mali. Postoje dva tipa omskih spojeva:

• tunelski omski spoji • Schottkyev omski spoj

A) Tunelski omski spoj

U spoju MS osiromašeno područje se širi isključivo na stranu poluvodiča.

Na mjestima gdje je potreban omski kontakt poluvodiči se često dopiraju do stanja kada im Fermijeva razina prelazi u vodljivi ili valentni pojas (degenerirani poluvodiči ili pseudometali ), pa im se d suzujena

D

kbn qN

Udx

ε2== db se smanjuje višim dopiranjem

poluvodiča!

44

(degenerirani poluvodiči ili pseudometali ), pa im se db suzujena nekoliko nanometara, pri čemu je moguća pojave tuneliranja.

Kada je metal –, a poluvodič + elektroni ne moraju imati energiju veću od potencijalne barijere qΦB. Prema efektu tuneliranjadovoljno je da na suprotnoj strani (u ovom slučaju u vodljivom pojasu) postoje nezauzeta energetska stanja. Isto vrijedi i za slučaj metal +,a poluvodič –. U oba slučaja se radi o velikom broju slobodnih nosilaca naboja pa već pri malom vanjskom naponu teče velika struja, odnosno otpor spoja metal-poluvodič je nizak.

A) Tunelski omski spoj

metal –, a poluvodič +

N+metal

UI

N+metal

UI

metal +, poluvodič –

45

EG

0metal

qΦB

N+

EF

tuneliranje elektrona

tuneliranje elektrona

EG

0metal

qΦB

N+

EF

B) Schottkyjev omski spoj

Omski spoj (kontakt) može se postići i kod širokih osiromašenih područja odabirom materijala kod kojih je u ravnotežnom stanju površina spoja obogaćenaslobodnim nosiocima. Prema Schottkyjevoj teoriji za omski spoj metal-poluvodič N-tipa rad izlaza poluvodiča treba biti viši od rada izlaza metala (qΦsn> qΦm). Za spoj metal-poluvodič P-tipa vrijedi obrnuti zahtjev.

46

Kod omskog spoja metal-poluvodič N-tipa barijera prolazu elektrona iz metala u poluvodič qΦB niska je i elektroni je prelaze već pri malom vanjskom naponu. Na površini poluvodiča elektroni stvaraju višak slobodnih nosilaca naboja, dok uz metal ostaje sloj pozitivnog naboja.


Schottkyjev omski spoj - energetski pojasi prije i poslije "kontakta"

qΦm < qΦsn

metal N-tip metal N-tip– –– –– –

+++++

47

E0EGEF

N

0

qχqΦsn

metal

EFm

qΦm

N-tip

E0

EG

0

q(Φsn– Φm)

metal N-tip

EF

db

q(χ– Φm)


Bitna razlika - prostorni naboj uz površinu spoja stvaraju slobodni nosioci naboja- elektroni, a ne kao u ispravljačkom spoju pozitivni naboj stacionarnih iona donora. Stoga je taj sloj obogaćenelektronima.

ρQ(x)

x

F(x)

0-qn’S

delta-funkcijaprostorni naboj -elektroni

xn= db

48

x

x

ϕ(x)

0

0

db

db

Uk

Obogaćeni sloj na mjestu spoja znači da je u cijelom sustavu spoj metal-poluvodič mjesto najmanjegotpora- ukupan otpor ovisi samo o kvazineutralnom području.

Za malu razliku radova izlaza, tj. Uk < 0,1V, zakrivljenost energetskih pojasa mala -poluvodič nedegeneriran. Uz veći napon Uk

poluvodič na mjestu spoja postaje degeneriran.

Model energetskih pojasa metala

1.5.4.2. ISPRAVLJA ČKI SPOJ METAL-POLUVODIČ

metal

E0

EFm

qΦm površina metala

49

qΦm = E0 – EFm- rad izlaza iz metala[Φm(Au) = 4,8 V,Φm(Al) = 4,3V]EFm - Fermijeva razine metalaE0 - energija slobodnog elektrona u vakuumu

Sniženje potencijalne barijere metala pod djelovanjem vanjskog električnog polja naziva se Schottkyjev efekt- diode temeljene na spoju metal-poluvodič nazivaju se diodama sa Schottkyjevom barijerom.

metalEFm

Ovisno o dopiranju poluvodič može biti P-tipa ili N-tipa, pa njegov rad izlaza qΦsp i qΦsn za isti tip poluvodiča nije konstantan - ovisi o koncentraciji primjesa NA i ND, te temperaturi T.

1.5.4.2. ISPRAVLJA ČKI SPOJ METAL-POLUVODIČ

Konstantna veličina kod poluvodiča je sklonost(afinitet) elektrona ka izlazu na površinuqχ (χ (Si)=4,05V).

E0

EG

qχ

qΦsp

50

na površinuqχ (χ (Si)=4,05V).

U MS-spoju poluvodič N-ili P-tipa može imati veći ili manji rad izlaza od rada izlaza metala, stoga postoje četiri moguće kombinacije od kojih samo dvije daju ispravljački spoj:

metal - N-tip poluvodiča: qΦm > qΦsn

metal - P-tip poluvodiča: qΦm < qΦsp

P-tip

EFi

EFP

0

qΦsp

Stvaranje Schottkyeve barijere - energetski pojasi prije i poslije "kontakta"

A) Spoj metal-poluvodič u stanju ravnoteže

metal N-tip metal N-tip+ ++ ++ +

------

Fu

ioni donoraqΦm > qΦsn

51

E0EG

EFN

0

qχqΦsn

metal

EFm

qΦm

N-tip

E0

EG

0

qχqΦsn

metal

qΦB

N-tip

qUk

EF

db

Fu

qUk = q(Φm – Φsn)

qΦB=q(Φm – χ)

Unutarnje elektri čno polje Fu

sprječava daljnju difuziju elektrona iz poluvodiča - spoj metal-poluvodič N-tipa je u stanju termodinamičke ravnoteže.

A) Spoj metal-poluvodič u stanju ravnoteže

E0

EG

qχqΦsnqΦB

metal N-tip+ ++ ++ +

------

qUk

E

Fu

Potencijalna barijera za elektrone

52

0metal

qΦB

N-tip

EF

db

koji se gibaju iz poluvodiča u metal -je razlika radova izlaza iz metala i poluvodiča: qUk = q(ΦΦΦΦm – ΦΦΦΦsn) gdje je Uk kontaktni potencijal. Vanjski napon može mijenjati tu barijeru.

Difuzija iz metala u poluvodič moguća je samo za elektrone čija je energija viša od potencijalne barijere qΦΦΦΦB=q(ΦΦΦΦm - χχχχ). Ta barijera je za dani metal i poluvodič konstantna i neovisna o vanjskom naponu.

B) Spoj metal-poluvodič u stanju neravnoteže. Propusna polarizacija.

Propusna polarizacija U > 0

N-tipmetal––

++

UI

+qΦm > qΦsn

53

FuFvFuk

Smanjila se potencijalna barijera za elektrone iz poluvodiča u metal na iznos q(Uk –U), gdje je U > 0. Osiromašeno područje se sužuje, gustoća struje |–JSM| raste, a struja |–JMS| ostaje konstantna. Vrijedi: |–JSM| > |–JMS|=konst., ukupna struja kroz spoj metal-poluvodič je veća od nule i po smjeru jednaka struji –JSM.

N-tipmetal ––

++

B) Spoj metal-poluvodič u stanju neravnoteže. Propusna polarizacija.

Propusna polarizacija U > 0

metal N-tip+++

---

Fuk– JMS = konst. – JSM (U)

54

E0

EG

0metal

qΦB

N-tip

EF

db

Fuk

q(Uk– U)

qU

C) Spoj metal-poluvodič u stanju neravnoteže. Nepropusna polarizacija.

Nepropusna polarizacija U < 0

N-tipmetal

----

+ + ++ + +

UI

+qΦm > qΦsn

55

FuFvFuk

Povećala se potencijalna barijera za elektrone iz poluvodiča u metal na iznos q(Uk –U), gdje je U < 0. Osiromašeno područje se širi, gustoća struje |–JSM| postaje jednaka0, a struja |–JMS| ostaje konstantna. Vrijedi: |–JSM| < |–JMS| =konst., ukupna struja kroz spoj metal-poluvodič je samo mala struja nepropusne polarizacije po smjeru jednaka struji –JSM.

N-tipmetal ---

+ + ++ + +

metal N-tip+ + + + + ++ + +

---

Fuk– JMS = konst.

q(U – U)

Nepropusna polarizacija U < 0

C) Spoj metal-poluvodič u stanju neravnoteže. Nepropusna polarizacija.

56

E0EG

0metal

qΦB

N-tip

EF

db

Fukq(Uk– U)

qU

1.5.4.3. Strujno-naponske karakteristike spoja MS –propusna polarizacija

−==−

T

kDSMS U

UkNknI exp

Struje su definirane:( )

−−=∆+=−

T

kDSSM U

UUkNnnkI exp

57

T

Ukupna struja kroz spoj MS jednaka je

−

−=+−= 1

TT

kDMSSM U

U

U

UkNIII expexp

odnosno

−

= 1

TS U

UII exp

Schottkyjeva jednadžba idealne diode

1.5.4.3. Strujno-naponske karakteristike spoja MS –nepropusna polarizacija

−==−

T

kDSMS U

UkNknI exp

Struje su sada definirane:

0=− SMI

58

T

Ukupna struja kroz spoj MS jednaka je maloj struji reverzne polarizacije

ST

kDMS I

U

UkNII −=

−−=+= exp0

1.5.4.3. Strujno-naponske karakteristike spoja MS

−

= 1

TS U

UII exp

Schottkyjeva dioda

ID, mA PN-dioda

59

U,V0 0,2 0,4 0,6

–0,2–0,4

– ID, pA

Zato jer je kod Schottkyjeve diode reverzna struja zasićenja IS veća od one kod PN-diode, Schottkyjeva dioda u propusnom smjeru vodi pri nižim naponima!!!

1.predavanje poluvodici e-learning

Documents