1. Wymień trendy rozwojowe współczesnej elektroniki.

Miniaturyzacja

zwiększenie skali integracji us

zmniejszenie kosztów wytwarzania

wzrost częstotliwości

wzrost niezawodności

zmniejszenie szumów (słabe sygnały)

zmniejszenie wydzielanej mocy w us

zmniejszenie iloczynu P

max

* f

zwiększenie pojemności tanich pamięci elektronicznych

wzrost efektywności źródeł zasilania (baterie i ogniwa słoneczne)

wzrost temperatury pracy us

dalsza globalizacja produkcji masowej

wprowadzenie na szeroką skalę technik cyfrowych

elektronizacja istniejących produktów

powstawanie nowych produktów (w kierunku elektroniki osobistej)

2 Sygnał i pojęcia

Sygnał (łac.), umowny znak (np. rysunek, litery, cyfra) lub przebieg dowolnej wielkości fizycznej,
będący nośnikiem informacji (ostrzeżenia) bądź bodźca wywołującego reakcję, umożliwiający
przesyłanie informacji na odległość bądź jej rejestrację.
W elektronice sygnały występują jako:
• elektryczne (np. przebieg natężenia prądu lub napięcia elektrycznego),
• optyczne,
• akustyczne.
Odbiornikiem tych sygnałów są odpowiednio:
układy elektroniczne, optoelektroniczne bądź mechaniczne
Sygnały analogowe stanowią funkcje (zdeterminowane lub zmienne losowo) wyrażające w
sposób ciągły przebieg określonej wielkości w czasie. Zbiór wartości sygnału analogowego jest
nieprzeliczalny
Funkcje zdeterminowane

określają jednoznacznie wartość danej wielkości w każdym momencie

obserwacji.
Typowym przedstawicielem funkcji zmiennych losowo

są w elektronice szumy - sygnały

zakłócające pochodzące ze źródeł zewnętrznych ( wyładowania atmosferyczne) bądź mogą to być
tzw. szumy wewnętrzne wynikające z natury elementów elektronicznych.

3. Scharakteryzuj sygnał analogowy i sygnał cyfrowy. Określ istotne różnice między
tymi sygnałami

Sygnał analogowy - sygnał, który może przyjmować dowolną wartość z ciągłego przedziału
(nieskończonego lub ograniczonego zakresem zmienności). Jego wartości mogą zostać
określone w każdej chwili czasu dzięki funkcji matematycznej opisującej dany sygnał.

W przypadku sygnału cyfrowego zmiana wartości sygnału odbywa się skokowo w
określonych momentach czasowych. Zmiana następuje od wysokiego poziomu napięcia
oznaczonego jako V

H

do poziomu niskiego V

L

i odwrotnie.

4. Stosując jako kryterium klasyfikacji przebieg wielkości w funkcji czasu, dokonaj
podziału sygnałów zdeterminowanych ( przedstaw graficznie przykłady tych sygnałów).

Sygnały zdeterminowane – są to sygnały, które mogą być opisane za pomocą ścisłych zależności
matematycznych, czyli dowolnych rzeczywistych lub zespolonych funkcji czasu.

5. Wyjaśnij, dlaczego sygnały sinusoidalne znajdują powszechne zastosowanie we
współczesnej energoelektryce i elektronice.

- funkcja sinusoidalna jest najprostsza funkcja matematyczną okresowo zmienną
- napiecie sinusoidalne przy przekształceniu na inne napiecie dalej pozostaje sinusoidalne
- łatwośc transformowanie z niskiego na wysokie napięcie i odwrotnie w transformatorach
charakteryzujących się prosta budową i dużą sprawnością.
- sygnał okresowo zmienny można zamienić na szereg przebiegów sinusoidalnych
6. Zdefiniuj pojęcie wartości średniej sygnału zmiennego w czasie (i(t); u(t)). Określ w
jakim przypadku wartość chwilową sygnału zastępuje się równoważną wartością
średnią
prądu ( I

śr

) bądź napięcia ( U

śr

).

Wartości chwilowe można zastąpić równoważnymi wartościami prądu stałego jeśli obliczenia
dotyczą:
- Ładunku elektrycznego związanego z przepływem prądu sinusoidalnego to posługujemy się
wartością średnią definiowaną dla połowy okresu
- Rozważań energetycznych to prąd sinusoidalny zastępuję się równoważonym pradem
stałym i nazywanym wartościa skuteczną I danego prądu sinusoidalnego

Wartość średnia sygnału x oznaczana jest symbolem i dla odpowiedniej klasy sygnału wyraża się

następującymi zależnościami:

Wartość średnia sygnału x jest granicą dla sygnałów o nieskończonym czasie trwania (2s)

Wartość średnia dla sygnałów okresowych wyraża się zależnością 3s

s

dt

t

x

x

2

)

(

2

1

lim

T

t

t

s

dt

t

x

T

x

0

0

3

)

(

1

t

0

dowolny punkt na osi czasu. Wartość średnia dla sygnałów impulsowych wyraża się zależnością 4s

7. Zdefiniuj pojęcie wartości skutecznej sygnału zmiennego w czasie (i(t); u(t)). Określ w
jakim przypadku wartość chwilową sygnału zastępuje się równoważną wartością
skuteczną prądu ( I ) bądź napięcia ( U ).

Wartość skuteczna sygnału przemiennego jest równa wartości sygnału stałego, który
powoduje takie same skutki energetyczne jak sygnał przemienny

8. Scharakteryzuj sygnał w postaci impulsu prostokątnego. Opisz jego podstawowe
parametry.
Sygnał prostokątny jest sygnałem cyfrowym.
Parametry opisujące:
t

r

– czas narastania

t

f

– czas opadania

t

p

– czas propagacji

T – okres powtarzania

2

1

4

)

(

1

1

2

t

t

s

dt

t

x

t

t

x

k

w

– współczynnik wypełnienia

9. Kiedy stosuje się względną miarę logarytmiczną (tzw. skalę decybelową [ dB ]). Jeżeli
liniowy stosunek napięć U

2

/U

1

= 1/√ 2 to odpowiada to w skali decybelowej …. [dB].

Miarę logarytmiczna można stosować przy porównaniu amplitudy dwóch sygnałów
analogowych.

Jeżeli liniowy stosunek napięć U

2

/U

1

= 1/√ 2 to odpowiada to w skali decybelowej -3 [dB].

10. W jakich sytuacjach wykorzystuje się widmo sygnału?

Widmo sygnału jest to reprezentacja sygnału w dziedzinie częstotliwości. Stosuje się
wówczas gdy podczas transmisji sygnału może ulegać on deformacjom powodującym
nadmierne zniekształcenie informacji.

Widmo sygnału analogowego wykorzystywane jest w procesie próbkowania, co pozwala na
zachowanie oryginalnej informacji zawartej w pierwotnym sygnale

11. Na czym polega modulacja AM (przedstaw graficznie zasadę modulacji tego
rodzaju).

Modulacja AM polega na przekształceniu sygnału modulowanego o stałej częstotliwości,
niosącego informacje, w taki sposób by amplituda otrzymanego sygnału zmodulowanego była
proporcjonalna do wartości sygnału modulującego.

A – sygnał (zakodowana informacja)
B – Fala nośna
C – nałożenie sygnału na fale nośną

12. Przedstaw (graficznie) widmo sygnału zmodulowanego amplitudowo powstałego z
dwóch przebiegów harmonicznych.

Rysunek powyzej pokazuje widmo sygnału zmodulowanego amplitudowo (kolor czerwony) i
sygnału modulującego (kolor zielony) - sygnał zmodulowany składa się z trzech elementów:
fali nośnej (f

n

) i leżących po obu jej stronach, symetrycznie odbitych, dwóch wstęg

bocznych, które są powtórzeniem kształtu widma sygnału modulującego.

13. Co to jest: bit, bajt, słowo? Przedstaw strukturę słowa 16 bitowego.

Bit (z ang. binary digit) – najmniejsza ilość informacji potrzebna do określenia, który z
dwóch równie prawdopodobnych stanów przyjął układ. Bit przyjmuje jedną z dwóch
wartości, które zwykle określa się jako 0 (zero) i 1 (jeden), choć można przyjąć dowolną inną
parę wartości, np. prawda i fałsz, tak lub nie czy -1 i +1.
Bajt (ang. byte) - najmniejsza adresowalna jednostka informacji pamięci komputerowej,
składająca się z bitów (ang. również bit od binary digit).W praktyce przyjmuje się, że jeden
bajt to 8 bitów, choć to nie wynika z powyższej definicji. Aby uniknąć niejednoznaczności,
jednostka składająca się z ośmiu bitów zwana jest również oktetem. Bywa też że "bajt"
definiuje się jako 8 bitów, najmniejszą adresowalną jednostkę pamięci nazywając znakiem.

Słowo maszynowe lub po prostu słowo to podstawowa porcja informacji, na której operuje
system komputerowy. Jest to przeważnie wielokrotność bitu, jako że obecne komputery
posługują się arytmetyką dwójkową. Wielkość słowa określa rozmiar szyny danych oraz
rejestrów procesora.

W komputerach PC dla procesora słowem jest 2-bajtowy (16-bitowy) element danych.
Procesor obsługuje także słowo podwójne (dwusłowo): 4-bajtowy (32-bitowy) element
danych, jak również słowo poczwórne czyli 8-bajtowy (64-bitowy) element danych.
Przykładowe 2-bajtowe słowo w zapisie dwójkowym wygląda następująco:
0011010111110010 i w takiej postaci jest przechowywane w pamięci

14. Przedstaw sposób przeliczania z systemu dziesiętnego na system binarny np. 125

(10)

;

15. Przedstaw sposób przeliczania z systemu binarnego na system dziesiętny np.

16. Scharakteryzuj elektroniczne elementy bierne i czynne. Podaj przykłady elementów
zaliczanych do poszczególnych grup.

Elementy elektroniczne służą do budowy układów i urządzeń elektronicznych. Wyróżniamy
elementy:

bierne (pasywne), czyli takie, które mają zdolność przenoszenia lub kształtowania

przebiegu elektronicznego bez podnoszenia poziomu mocy sygnałów. Schemat zastępczy
elementu biernego nie zawiera źródła energii elektrycznej. Do takich elementów zaliczamy
kondensatory, rezystory i elementy indukcyjne.

Czynne (aktywne), są źródłem energii elektrycznej lub podwyższają poziom mocy

doprowadzanego sygnału elektrycznego. Do tego typu elementów zalicza się półprzewodniki,
wzmacniacze źródła.
Właściwości elementów elektronicznych można scharakteryzować za pomocą:

Umownych symboli graficznych

Opisu wzorem/ równaniami zależności I=f(U) (charakterystyki prądowo –
napięciowe)

Parametrów (elektrycznych, granicznych, eksploatacyjnych, mechanicznych,
klimatycznych)

Modeli elektrycznych zwanych schematami zastępczymi (elementy idealne

połączone w idealną strukturę modelującą zachodzące w elemencie zjawiska
fizyczne)

Analizy związków między prądami i napięciami w elemencie z
wykorzystaniem czterozaciskowego układu o dwóch parach zacisku:
wejściowych i wyjściowych.

17. Na przykładzie rezystora przedstaw, w jaki sposób można scharakteryzować
elementy elektroniczne.

Rezystor jest to element elektroniczny, którego właściwością użytkową jest rezystancja, stała
dla danego obwodu elektrycznego. Całkowita moc pobierana przez rezystor zamieniana jest w
inną postać energii (ciepło, promieniowanie elektromagnetyczne). Spadek napięcia u(t) na
rezystorze zachowuje zgodność faz z przepływającym prądem i(t).
Parametry opisujące (charakteryzujące) rezystor:

Rezystancja znamionowa: R

n

[Ω] znormalizowane szeregi E6, E12, E24… w

których stosunek kolejno następujących po sobie wartości rezystancji
wzrastających z postępem geometrycznym wynosi ⁿ√10, gdzie n liczba
wartości mieszczących się w dekadzie

Moc znamionowa P

n

[W]

Napięcie graniczne U

gr

[V]

Temperaturowy współczynnik rezystancji TWR=∆R/R*∆T [10

-6

/

0

]

Połączenie szeregowe

Rezystancja równoległa

Rezystancyjny dzielnik napięcia

Dzielnik napięcia: dzieli lub zmniejsza napięcie wejściowe zgodnie z zadanym
stosunkiem rezystancji. Wykorzystywany często jako moduł dopasowywujący

Rezystor idealny: ma jedynie zdolność przemiany energii elektrycznej w
ciepło; w obwodzie prądu sinusoidalnego

Schemat zastępczy rzeczywistego rezystora:

1. w obwodzie prądu stałego, warstwowy:

2. w obwodzie prądu zmiennego małej częstotliwości:

18. Narysuj charakterystykę I = f(U) dla dwóch wartości rezystancji R

1

i R

2

gdy R

2

> R

1

,

wymień podstawowe parametry rezystorów.

Parametry – jak w zadaniu

poprzednim

19. R

1

= 20 Ω, R

2

= 30 Ω. Ile wynosić będzie wartość rezystancji rezystora zastępczego R

gdy rezystory te połączymy szeregowo a ile gdy równolegle.

Połączenie szeregowe – R = R1+R2 = 50 (Ohm)
Połączenie równoległe – R = 1/R1 + 1/R2 = 1/6

Połączenie szeregowe:

]

[

50

30

20

2

1

R

R

R

z

;

Połączenie równoległe:

]

[

12

50

600

2

1

2

1

R

R

R

R

R

z

20

Uwe = 100V, R1 =20 Ω, R2 = 30 Ω.

22. Wymień podstawowe rodzaje polaryzacji dielektryka. Jaka stała charakteryzuje
zdolność dielektryka do jego polaryzowania?

Polaryzacja dielektryka: a. elektronowa,

b. jonowa, c. dipolowa.

U

we

=100[V], R

1

=20[Ω], R

2

=30[Ω]

]

[

60

50

30

100

2

1

2

R

R

R

U

U

we

wy

23. Jaką podstawową właściwością charakteryzuje się kondensator? Opisz wzorem
pojemność kondensatora płaskiego.

Doprowadzenie napięcia do okładzin kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich
ładunku elektrycznego. Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność
kondensatora do gromadzenia ładunku:
Kondensator służy do gromadzenia ładunku elektrycznego

gdzie:

C - pojemność, w faradach

Q - ładunek zgromadzony na jednej okładce, w kulombach

U - napięcie elektryczne między okładkami, w woltach.

Pojemnością elektryczną kondensatora płaskiego będziemy nazywali stosunek ładunku zgromadzonego
na jednej z okładek kondensatora do napięcia pomiędzy tymi okładkami

24. C

1

= 20 pF, C

2

= 30 pF. Ile wynosić będzie pojemność zastępcza C, gdy kondensatory

te połączymy szeregowo a ile, gdy połączymy je równolegle. Wymień podstawowe
parametry kondensatorów.

Szeregowe łączenie kondensatorów

Przy połączeniu szeregowym kondensatorów, odwrotność pojemności wypadkowej jest równa sumie
odwrotności wszystkich pojemności składowych:

...

1

1

1

1

3

2

1

C

C

C

C

z

gdzie:
C

z

- pojemność zastępcza (wypadkowa)

C

1

, C

2

, C

3

- pojemności składowe

C

1

=20pF, C

2

=30pF

]

[

12

12

600

2

1

2

1

pF

C

C

C

C

C

z

Równoległe łączenie kondensatorów

Przy połączeniu równoległym kondensatorów, pojemność wypadkowa jest równa sumie pojemności
składowych:

C

z

= C

1

+ C

2

+ C

3

...

gdzie:
C

z

- pojemność zastępcza (wypadkowa)

C

1

, C

2

, C

3

- pojemności składowe

C

z

=20+30=50[pF]

Parametry kondensatorów:
Pojemność znamionowa
Napięcie znamionowa
Stratność kondensatora
zastępcza rezystancja szeregowa

25.)

Zdefiniuj pojęcia: półprzewodnik (wymień znane ci materiały, rodzaje), defekty

strukturalne ( opisz ich naturę).

a) PÓŁPRZEWODNIKI
- > są to materiały nieorganiczne lub organiczne najczęściej krystaliczne
o rezystywności (10

-6

÷ 10

6

Ωm), co plasuje je między przewodnikami a izolatorami.

Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają
pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV,
(np. Ge (german) 0,7 eV, Si (krzem) 1,1 eV , GaAs (arsenek galu) 1,4 eV, GaN 3,4 eV)
- > są to materiały, których własności elektryczne (rezystywność) silnie zależą od:

1. temperatury,
2. oświetlenia,
3. koncentracji domieszek (czystości),

Ze względu na skład chemiczny dzieli się je na:

1. pierwiastkowe (zbudowane z atomów jednego pierwiastka)

IV gr.- St

IV

, Ge

VI

C

IV

, (B

III

, Se

VI

, Te

VI

)

2. związki chemiczne (o składzie ilościowym zgodnym z wymaganiami wartościowości –
skład stechiometryczny

A

IV

B

IV

,- SiC, A

III

Bv - GaAs, A

II

B

VI

- ZnS, CdTe,HgTe, A

IV

B

VI

-

3. kryształy mieszane (dwa lub więcej pierwiastków lub związków, skład ilościowy może się

zmieniać w szerokich granicach, nie są idealnie jednorodne)

Ge

x

Si

1-X

(0< x <1), GaAs

1-x

P

X

- mieszanina GaAs i Gap -> LED

W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są
pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np. arsenek galu,
azotek galu, antymonek indu) lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są
wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku.

b) Defekty strukturalne - > są to zakłócenia spowodowane nieprawidłowym rozmieszczeniem
niektórych atomów w sieci krystalicznej.

- luki węzłowe -> wakanse, węzły sieci krystalicznej przypadkowo nie obsadzone przez właściwe
atomy.

- atomy międzywęzłowe -> dodatkowe atomy własne znajdują się w położeniach, które w idealnej
sieci nie powinny być obsadzone.

- atomy obce -> w węzłach lub położeniach międzywęzłowych sieci.

- dyslokacje - zaburzenia ciągłości przesunięcie części sieci w stosunku do pozostałe)

- powierzchnia -> powierzchnia kryształu na której urywa się periodyczna struktura sieci
krystaliczną.

Domieszki ( zanieczyszczenia sieci) powodują pojawienie się dozwolonych poziomów
energetycznych w paśmie zabronionym, energia jonizacji domieszek jest bardzo mała w
porównaniu z szerokością pasma zabronionego, zatem nośniki z poziomów domieszkowych
mogą być łatwo dostarczane do odpowiednich pasm.

Defektami nazywa się półprzewodniki niesamoistne lub półprzewodniki domieszkowe.

26.)

Dokonaj klasyfikacji materiałów z użyciem modelu pasmowego.

Klasyfikacja materiałów z użyciem modelu pasmowego ->

W powszechnie stosowanej klasyfikacji materiałów elektronicznych wyróżnia się :

 przewodniki

 półprzewodniki

 dielektryki (izolatory)

W klasyfikacji tej jako kryterium podziału zwykle przyjmuje się umownie wartości graniczne
rezystywności p w temperaturze T = 300,

(Innym), często stosowanym kryterium, głębiej ujmującym istotę fizyczną tej klasyfikacji, jest
wartość szerokości pasma zabronionego W

g.

Gdy szerokość pasma zabronionego jest większa niż

pewna umownie przyjęta wartość, najczęściej 2 eV, wówczas materiał jest dielektrykiem. Dla
przewodników W

g

w przybliżeniu = 0, natomiast dla półprzewodników 0 < W

g

< 2 eV

Podana wyżej klasyfikacja materiałów została dokonana ze względu na właściwości elektryczne,
najważniejsze ze względu na zastosowanie materiałów w elektronice. Przyjmując inne kryteria
podziału można oczywiście wydzielić jeszcze inne grupy materiałów o wspólnych specyficznych
cechach.

27.)

Określ pojęcie: poziom Fermiego ( energia Fermiego WF ).

Poziom Fermiego (energia Fermiego WF) ->

 maksymalna energia elektronu w T = 0,


energia (w T różnym od 0), której prawdopodobieństwo posiadania przez

elektron wynosi 1/2,


średnia energia swobodnego elektronu (liczona na jeden elektron).

(czyli jest to poziom energetyczny, którego prawdopodobieństwo zajęcia przez
elektron jest równe 0,5)

Energia ta odpowiada maksymalnemu poziomowi energetycznemu, zajętemu przez fermion
(elektron) w układzie znajdującym się w temperaturze zera bezwzględnego, w której
wszystkie poziomy aż do energii Fermiego są zajęte, a powyżej wolne. Istnienie tego poziomu

jest konsekwencją zakazu Pauliego a ten konsekwencją tego, iż elektrony są fermionami
(podlegają statystyce Fermiego – Diraca).

Przedstaw statystykę Fermiego – Diraca:
- funkcja rozkładu Fermiego – Diraca - f(W),

- wykres W =f(x) dla T=0; T>0

;

29

.) Na modelu pasmowym przedstaw procesy:

- generacji prostej, generacji pośredniej,
- rekombinacji prostej, rekombinacji pośredniej

Gdzie :
Wc - > pasmo przewodnictwa
Wv -> pasmo walencyjne
W

T

-> przerwa zabroniona

30.)

Przedstaw półprzewodnik samoistny wykorzystując model pasmowy.

Półprzewodnik samoistny.

31.)

Przedstaw półprzewodnik domieszkowy typu „n” wykorzystując model pasmowy.

Większa koncentracja elektronów niż dziur

32).

Przedstaw półprzewodnik domieszkowy typu „p” wykorzystując model pasmowy

Koncentracja dziur przeważa nad koncentracją elektronów

33.

) Jak zmienia się położenie poziomu Fermiego półprzewodnika domieszkowanego gdy

rośnie T oraz gdy rośnie koncentracja domieszek ( odpowiednio dla półprzewodnika typu
n i półprzewodnika typu p

Położenie poziomu Fermiego w półprzewodniku typu p oraz odpowiednio koncentrację dziur.

Odpowiednie zależności będą dane przez wzory.

T

k

E

B

h

h

h

B

a

e

T

k

m

N

n

2

4

/

3

2

2

/

1

2 

oraz

2

/

3

2

2

4

ln

2

2

1



T

k

m

N

T

k

E

B

a

a

B

a

Półprzewodnik silnie domieszkowany, tzn. o dużej koncentracji domieszek, w którym poziom
Fermiego znajduje się blisko krawędzi pasma zabronionego lub poza tym pasmem, a więc w paśmie
przewodnictwa lub w paśmie walencyjnym, nazywa się półprzewodnikiem zdegenerowanym.

Wpływ temperatury na właściwości półprzewodnika najwyraźniej jest widoczny w przebiegu
temperaturowej zależności konduktywności (rysunek) Interpretacja tej krzywej jest w zasadzie taka,
jak temperaturowej zależności koncentracji nośników w półprzewodniku, bowiem wpływ
temperaturowych zmian ruchliwości jest znacznie słabszy. W zakresie temperatur niskich (odcinek 1)
przyrost konduktywności spowodowany zwiększaniem temperatury wynika ze wzrostu koncentracji
nośników pochodzących z jonizacji domieszek -jest to zakres przewodnictwa niesamoistnego. Gdy
wszystkie domieszki są już zjonizowane, dalszy wzrost temperatury wywołuje stosunkowo małe
zmiany konduktywności (odcinek 2), spowodowane głównie wpływem temperatury na ruchliwość,
bowiem koncentracja nośników jest, praktycznie rzecz biorąc, stała - zakres ten nazywa się zakresem
nasycenia. Jest on najważniejszy w charakterystyce półprzewodników, bowiem stałość koncentracji
nośników w funkcji temperatury jest warunkiem poprawnej pracy tranzystorów, diod, układów
scalonych. W wysokiej temperaturze (odcinek 3) znaczny przyrost konduktywności jest spowodowany
szybkim wzrostem koncentracji samoistnej nośników wskutek generacji bezpośredniej par elektron-
dziura - jest to zakres przewodnictwa samoistnego

34. Sklasyfikuj i omów ruch nośników prądu w półprzewodnikach.

Nośniki prądu w półprzewodniku wykonują:
-bezwładne ruchy cieplne ( około 10

5

m/s)

-ruchy skierowane:

-Unoszenie (dryft) w polu elektrycznym E,

-Dyfuzja pod wpływem gradientu koncentracji.

Działanie pola elektrycznego E na nośniki powoduje, że na chaotyczny ruch cieplny nakładają
się ruchy skierowane. Nośniki ładunku poruszają się w sieci krystalicznej półprzewodnika z
prędkością średnią V = μE μ-ruchliwość; stały współczynnik proporcjonalności (przy
małych wartościach E do około 10

5

V/m)

Ruchliwość μ zależy od:
-koncentracji domieszek (μ

n

, μ

p

)

-temperatura T
Natężenia pola elektrycznego E.

35. Jak zależy ruchliwość nośników w pp gdy zmienia się

-koncentracja (Nd)

-Temperatura (T)

-Natężenie pola elektrycznego (E)

36. Zdefiniuj pojęcie konduktywności półprzewodnika, omów zmiany konduktywności
półprzewodnika od temperatury.

Konduktywność – podatność materiału na przepływ prądu elektrycznego

gdzie: G -

konduktancja

, S - pole przekroju poprzecznego elementu, l - długość elementu.

konduktywność

półprzewodników

wzrasta wraz z temperaturą.

37. Narysuj wykres zmian koncentracji nośników nadmiernych w czasie n, (p)=f(t).
Zdefiniuj pojęcie czasu życia nośników nadmiernych.

39. Wymień rodzaje złącz p-n.

-Złącze p-n (homozłącze) – dwa obszary tego samego pp. Różniące się typem przewodnictwa.
-Heterozłącze – dwa obszary różnych pp. (np..Si i Ge)
-złącze metal – półprzewodnik, m-s
-złącze metal – izolator – półprzewodnik MIS

40. Przedstaw model pasmowy złącza p-n bez polaryzacji zewnętrznej.

41. Przedstaw model pasmowy złącza p-n dla polaryzacji przewodzenia.

42. Przedstaw model pasmowy złącza p-n dla polaryzacji zaporowej.

43. Przedstaw mechanizm powstawania złącza p-n. Wyjaśnij pojęcia: bariera potencjału,
warstwa zaporowa, napięcie dyfuzyjne.

Przed połączeniem oba obszary „p” i „n” są elektrycznie neutralne. Po połączeniu (w skali
atomowej) nośniki większościowe z każdego obszaru dyfundują do drugiego i tam
rekombinują. W strefie granicznej pozostaje nieskompensowany ładunek
donorów/akceptorów, tworzy się warstwa dipolowa i odpowiadająca jej bariera potencjału
hamująca dalszą dyfuzję nośników większościowych. Pole bariery sprzyja przepływowi
nośników mniejszościowych o ile trafiają one w obszar warstwy ładunku przestrzennego
złącza (warstwy zubożonej)
Bariera potencjału - ograniczony obszar (zazwyczaj niewielki), w którym energia potencjalna
cząstki (punktu materialnego) przyjmuje wartości większe niż w otoczeniu tego punktu.
W mechanice klasycznej cząstka, której energia jest mniejsza od energii maksymalnej w
barierze potencjału nie przejdzie przez barierę potencjału.

Warstwa zaporowa - wskutek dyfuzyjnego przepływu elektronów/dziur w obszarze
granicznym warstwy N/P pozostają nieskompensowane ładunki dodatnie nieruchomych
centrów donorowych/akceptorowych. W obszarze granicznym warstw P, N powstaje zatem
warstwa dipolowa ładunku, wytwarzająca pole elektryczne przeciwdziałające dyfuzji

nośników większościowych. Tę warstwę dipolową nazywa sie warstwą zaporową lub warstwą
ładunku przestrzennego.

Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W
złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od
koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to
w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0.8 V, natomiast dla złącz germanowych
wynosi ok. 0,2-0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok.
2,3 mV na kelwin.

44. Co to jest napięcie dyfuzyjne złącza p – n . Od czego zależy jego wartość (wzór).

Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W
złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od
koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to
w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0.8 V, natomiast dla złącz germanowych
wynosi ok. 0,2-0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok.
2,3 mV na kelwin.

45

. Wymień założenia przyjmowane dla opisu idealnego złącza p – n

.

46. Przedstaw charakterystykę I = f (U) idealnego złącza p – n , opisz ją wzorem ( wzór
Shockley`a), określ przedział zmian wartości współczynnika doskonałości złącza p – n – co
opisuje ten współczynnik?

wzór

Shockley`a

Natężenie prądu płynącego przez idealne złącze p-n w funkcji napięcia polaryzacji złącza
definiuje wzór Shockley’a opisujący dyfuzyjny mechanizm przepływu nośników prądu:

1

kT

qU

exp

I

I

S

czyli

S

S

I

kT

qU

exp

I

I

(1)

gdzie:

p

n

p

n

p

n

S

L

p

D

L

n

D

qS

I

–

tzw. prąd nasycenia złącza

(2)

U – napięcie polaryzacji,

T – temperatura [K],

S – powierzchnia złącza,

D

p,

D

n

– stałe dyfuzji dziur i elektronów,

L

n

, L

p

– drogi dyfuzji elektronów i dziur,

n

p

, p

n

– koncentracje nośników mniejszościowych,

k=8,62·10

-5

eV/K–stała Boltzmanna,

q=1,6·10

-19

C – ładunek elementarny.

Wartość współczynnika doskonałości złącza n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej

i rekombinacyjnej w prądzie płynącym przez złącze. Teoretycznie n powinno się zawierać
między 1 (tylko prąd dyfuzji) i 2 (tylko prąd rekombinacji).

47. Omów przepływ nośników w złączu p – n dla kierunku przewodzenia.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia
W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się
również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas
obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z
obszaru N do P i z P do N. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami
mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ale ze źródła
zasilania dopływają wciąż nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w
przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas.

48. Omów przepływ nośników w złączu p – n dla kierunku zaporowego.

Polaryzacja w kierunku zaporowym
W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się
napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej
polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość
prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast
od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość
nośników mniejszościowych.

49. Przedstaw charakterystykę I = f(U) rzeczywistego złącza p – n ( zaznacz wpływ
rezystancji szeregowej i równoległej złącza).

Wpływ rezystancji szeregowej

50. Z czego wynika występowanie w złączu p – n rezystancji szeregowej i równoległej.
Przedstaw sposób jej wyznaczania z charakterystyki I = f(U) złącza rzeczywistego.

Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody poza obszarem ładunku
przestrzennego zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji szeregowej.
Trzecia składowa prądu w kierunku zaporowym związana jest ze zjawiskiem upływu
po powierzchni złącza i po defektach wewnętrznych. Ta składowa zwykle jest proporcjonalna
do przyłożonego napięcia i modeluje się ją rezystancją równoległą (rezystancją upływu).

51. Określ warunki, w jakich występuje zjawisko przebicia Zenera. Zilustruj mechanizm tego
zjawiska na modelu pasmowym. Podaj praktyczny sposób wykorzystania tego zjawiska

.

52. Określ warunki, w jakich występuje zjawisko przebicia lawinowego. Zilustruj
mechanizm tego zjawiska. Podaj wzór empiryczny określający współczynnik powielania.

53. Czym jest przebicie złącza p – n ? Wymień i opisz rodzaje przebić występujących w
przyrządach półprzewodnikowych.

Przy polaryzacji zaporowej złącza p-n prąd przez niepłynący daje opisać się wzorem
(9) tylko dla ograniczonych wartości napięcia polaryzacji złącza. Po przekroczeniu pewnego
napięcia krytycznego następuje przebicie, czyli gwałtowny wzrost natężenia płynącego prądu.
Dwa podstawowe mechanizmy przebicia to efekt Zenera i zjawisko powielania lawinowego.

Efekt Zenera polega na tunelowym przejściu elektronu (tzn. bez straty energii)
z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje on przede
wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych (cienkie złącze, a co za tym idzie
duże natężenie pola elektrycznego w jego obszarze (≈10

8

V/m)).

Zjawisko powielania lawinowego polega na powielaniu nośników prądu w warstwie
zaporowej złącza w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Efekt ten
występuje w złączu słabo domieszkowanym (złącze grube, o grubości znacznie
przekraczającej średnią drogę swobodną elektronu, więc o dużym prawdopodobieństwie
powielania lawinowego;

Brak opracowanych pytań:

21, 28, 38 i od 54 do 60