elektronski fakultet niš katedra za...
TRANSCRIPT
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Osnove mikroelektronike
Z. Prijic T. Pešic
Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku
Predavanja 2006.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
pn spojBez spoljašnjeg napajanja
n -
supst
rat
p -
difuzi
ja
SiO
2
met
al (
Al)
CV
D
met
al
katodaanodapn spoj
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
pn spojPre spajanja
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
pn spojNakon spajanja
n -
supst
rat
p -
difuzi
ja
met
al
met
al
++++++
-
----
-
NA
- ND
+
Elektroni iz n tipa difunduju u p tip, a šupljine obratno.U n tipu ostaju pozitivni donorski joni N+
D .U p tipu ostaju negativni akceptorski joni N−
A .
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Razdvajanje naelektrisanjaTermodinamicka ravnoteža
++++++
-
----
-
V
x
Wd
V0
U oblasti ukupne širineWd sa obe stranemetalurškog spoja nemaslobodnih nosilacanaelektrisanja, pa se onanaziva osiromašenaoblast.Razdvojena naelektrisanjaformiraju potencijalnubarijeru koja odgovaranaponu V0 i koja sprecavadalju difuziju nosilaca.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Potencijalna barijera - ugradeni naponZavisi od koncentracije primesa i temperature
V0 = VT lnNAND
n2i
VT = kT/qni je koncentracija sopstvenih nosilaca i zavisi odtemperature.Na sobnoj temperaturi je V0 = 0, 6÷ 0, 8V.Potencijal na kontaktima neutrališe V0, pa je napon nakrajevima spoja jednak nuli (princip konzervacije energije).
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Pozitivna polarizacijaWd se smanjuje, a i potencijalna barijera
+
VF
IF
IF
V0
p
n
VF
0
Dioda provodi kad spoljašnji napon postane veci odugradenog napona.Nagib karakteristike potice od redne otpornosti (telapoluprovodnika i kontakata).
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Negativna polarizacijaWd se širi, a i potencijalna barijera
+
VR
VZK
IR
IR
p
n
0IS
VR
IS je inverzna struja zasicenja i može se smatrati približnokonstantnom sve dok ne nastupi Zenerov proboj ili probojusled lavinske multiplikacije nosilaca.VZK je probojni napon.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Jednacina diode
I = IS
(e
VnVT − 1
)
V je napon na diodi, a n je koeficijent (kod diskretnih diodaje n ≈ 2, dok je kod dioda u integrisanim kolima n ' 1).Model ne ukljucuje rednu otpornost.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Zavisnost od temperaturePorast temperature degradira elektricne karakteristike
VF
IF
T2
T2>T
1
T1
0
V0 se smanjuje sagradijentom od 2mV/◦C.IS se udvostrucuje nasvakih 5◦C.Probojni napon sesmanjuje.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Planarni proces IDobijanje bipolarnog tranzistora
15µ
P+ substrate
Lightly dopedhigh-resistivityepitaxial layer
Step 1Grow epitaxial layer
on starting P+ substrate
P+ substrate
SiO2
Step 2Grow SiO2 layer over
epitaxial layer and openwindow for base diffusion
P-epitaxiallayer
Basewindow
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Planarni proces IIDobijanje bipolarnog tranzistora
Step 3
n-type impurities
N+
P–
SiO2
1µ
5µ
Diffuse low-resistivity base
Step 4
p-type impurities
P+
N+
SiO2
3µ
5µ
P+ substrate
Diffuse low-resistivity P+ emitter
P+ substrate
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Planarni proces IIIDobijanje bipolarnog tranzistora
Step 5
Emitter
P+
N+
P–
Base
P+ Collector
Reoxidize surface, open windowsfor base and emitter metalization
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
DiodaDobija se kratkim spajanjem dve elektrode bipolarnog tranzistora
Emitter
Metal
P+
N+
P–
Base
P+Collector
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
DiodaMože se dobiti i ostavljanjem jedne elektrode bez kontakta
EmitterMetal
P+
N+
P–
Base
P+Collector
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
Diode u integrisanim kolimaRealizacija zavisi pre svega od željenog probojnog napona
Najcešce se koristi kratko spajanje baze i kolektora.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Diodno koloOtpornik ogranicava struju
VDD V
D
R
ID
ID ' ISeVDnVT
ID =VDD − VD
R
Podrazumeva se da su IS in poznati.Za date VDD i Rizracunavaju se ID i VD.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Graficka analizaPostavljanje radne tacke
V
I
VD
ID
VDD
VDD
R radna tačka Q
radna prava
0
Strmina radne prave je −1/R.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Otpornik u integrisanom koluDifundovani otpornik - elementarna realizacija
Metal
n+
N supstrat
SiO2
L
W
Wsup
n+ oblasti obezbedujudobar omski kontakt.Otpornost cini telosupstrata, izmedukontakata.Otpornost zavisi odkoncentracije primesa usupstratu, dimenzija itemperature.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
IzolacijaKomponente u integrisanom kolu moraju biti medusobno elektricno izolovane
p supstrat
n epi
p supstrat
n epi
p+ p+ p+
n epi
SiO2
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Izolacija dubokom difuzijomDuboka p+ difuzija formira izolaciona ostrva u n-epi sloju
n+ n+
kolektor
p supstrat
n epi
p+ p+ p+
n epi
SiO2
V-
kontakt bazekontakt emitorakontakt kolektora
p baza p otpornik
kontakti otpornika
V− je najnegativniji potencijal u kolu ! Na taj nacin su dioda iotpornik medusobno elektricno izolovani inverzno polarisanimpn spojem.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Integrisano koloSC59 kucište
VD
VDD GND
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Prvo integrisano koloJack Kilby, Fairchild Semiconductors, 1959.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Parazitne komponenteMogu biti od uticaja na rad kola
Usled prisustva osiromašene oblasti pn spoj se odlikujeparazitnom kapacitivnošcu.Otpornici su sa velikim tolerancijama, pa se kola projektujutako da se pojedini parametri podešavaju odnosom dvejuotpornosti, umesto njihovim apsolutnim vrednostima.Otpornici mogu biti i epitaksijalni, bazni i polisilicijumski.Otpornici velike otpornosti zauzimaju mnogo mesta napovršini cipa, pa se zato izbegavaju u dizajnu kola.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Model za male signale IAmplituda signala vd(t) je mnogo manja od VD
vd(t)
VD
iD(t)
+
vD(t)
-
U odsustvu naizmenicnog signala, dioda vodi i struja kroznju je:
ID = ISeVDnVT
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Model za male signale IIAmplituda signala vd(t) je mnogo manja od VD
U prisustvu naizmenicnog signala važi principsuperpozicije
vD(t) = VD + vd(t)
To znaci da ce biti:
iD(t) = ISevD
nVT = ISe(VD+vd )
nVT = ISeVDnVT e
vdnVT = IDe
vdnVT
Neka je:vd
nVT� 1
Razvojem eksponencijalnog clana u red1 i zadržavanjem samoprva dva clana dobija se:
iD(t) ' ID
(1 +
vd
nVT
)Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Model za male signale IIIAmplituda signala vd(t) je mnogo manja od VD
Aproksimacija važi za amplitude manje od 10mV kada jen = 2 i 5mV kada je n = 1.
Primenom principa superpozicije dobija se:
iD(t) ' ID + IDvd
nVT= ID + id ,
Otpornost za male signale
rd =nVT
ID
1ex ' 1 + x + x2/2! + x3/3! + · · ·Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Graficka analizaRadna tacka se postavlja na deo strujno-naponske karakteristike koji se može smatratipribližno linearnim
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
Prekidacke i ispravljacke diodeDiode na bazi pn spoja
Koriste se i u direktnom i u inverznom režimu rada.Proizvode se kao diskretne komponente ili u okviruintegrisanih kola.Kao diskretne komponente se mogu naci u aksijalnom ili uSMD (engl. Surface Mounting Device) pakovanju.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Zener diode IDiode na bazi pn spoja sa precizno odredenim probojnim naponom VZ
Rade u inverznom režimu i koriste se kao regulatori iogranicavaci napona.
Zenerov proboj nastaje kada elektricno polje uosiromašenoj oblasti poraste dovoljno da se raskinukovalentne veze izmedu atoma i na taj nacin generišuslobodni nosioci.
Zenerov napon može biti od nekoliko volti, pa do nekolikostotina volti.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Zener diode IIDiode na bazi pn spoja sa precizno odredenim probojnim naponom VZ
VR
VZ
IR
0
Opseg regulacije
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Zener dioda kao regulator naponaSve dok je VDD > VZ , napon na otporniku RL bice jednak naponu VZ .
VDD V
Z
R
RL
Struja se ogranicava otpornikom R.Proizvodaci specificiraju VZ , pri testnoj struji IZT .Temperaturna zavisnost
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Šotkijeve diodeDiode na bazi spoja metal-poluprovodnik
Imaju usmeracka svojstvaKao metal se koristi Al, Ti i drugi, a visina potencijalnebarijere zavisi od vrste metala.Tipicne vrednosti su V0 = 0, 4÷ 0, 6V.Koriste se kao brze prekidacke diode.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Šotkijeve diodeNa mestu kontakta površinska koncentracija mora biti manja od 1018cm−3
n+ n+
p supstrat
n epi
p+ p+
SiO2
V-
kontakt metal-poluprovodnikŠotkijeva dioda
omski kontakt
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Sadržaj
1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima
2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale
3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
DiodeDiodna integrisana kola
Ostali tipovi dioda
Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode
LED diodeDiode na bazi pn spoja koje emituju svetlost kada su direktno polarisane
Efekat se naziva elektroluminscencija i zasniva se narekombinaciji nosilaca (prelasku iz provodne u valentnuzonu) i oslobadanju energije u obliku fotona.Talasna dužina emitovane svetlosti zavisi od širinezabranjene zone poluprovodnika. Koriste se GaAs, GaP idrugi materijali.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike