Egzamin połówkowy z Elektroniki 2010/2011

- aktualny spis pytao & odpowiedzi re-edytowany przez Starostę Drugiego Roku ZMiN’u na

bazie materiałów udostępnionych przez Dr Sosina

1. Jak wyznaczyd znak nośnika prądu?

Korzystając z efektu Halla.

2. Do której grupy układu okresowego należą pierwiastki, które charakteryzują

się półprzewodnictwem?

Do IV grupy układu okresowego (nowej 14).

3. Jak nazywa się struktura, w której krystalizuje krzem i german?

Struktura diamentu.

4. Jaki jest spin elektronów i jakiemu rozkładowi podlega ich energia?

Spin ½, rozkład Fermiego – Diracka.

5. Co rozumiemy pod pojęciem energii Fermiego ?

Jest to energia najwyżej obsadzonego stanu dla temperatury T = 0K.

6. Co to jest potencjał chemiczny i kiedy jest on równy energii Fermiego?

Potencjał chemiczny definiuje sie jako

dla T = 0K.

7. Co rozumiemy pod pojęciem stanu cząstki?

W ujęciu mechaniki klasycznej jest to pęd i położenie cząstki (komórka przestrzeni fazowej).

W ujęciu mechaniki kwantowej jest to zespół liczb kwantowych.

8. Od czego zależy wielkośd przewodnictwa materiałów krystalicznych?

Zależy od koncentracji elektronów w paśmie przewodnictwa i koncentracji dziur (oczywiście

w paśmie walencyjnym).

9. Jaka jest odległośd pomiędzy pasmem walencyjnym i przewodnictwa dla różnych
materiałów krystalicznych?

10. Jak zmienia się odległośd między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnia w
zależności od odległości międzywęzłowych dla kryształów zbudowanych z pierwiastków IV
grupy układu okresowego?

Wraz ze wzrostem odległości miedzy węzłowych maleje odległośd miedzy pasmami (węgiel

[3.56], krzem*5.43+, german*5.65+, cyna(szara)*6.46+, w nawiasach stałe sieci).

11. Jak zmienia się odległośd między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnia w
zależności od temperatury? Jak wpływa to na efekt Zenera?

Im większa temperatura tym mniejsza przerwa miedzy pasmem przewodnictwa, a pasmem

walencyjnym. Ma to wpływ na fakt, ze przewodnośd półprzewodników rośnie wraz ze wzrostem
temperatury (odwrotnie w przewodnikach).

12. Czynniki wpływające na ruch elektronu i dziury.

Elektrony pasma przewodnictwa w ramach kryształu są praktycznie swobodne, poruszają sie

w kierunku wyższego potencjału. Dziura to po prostu brak elektronu w paśmie walencyjnym. Gdy
przyłożymy napięcie, elektrony z pasma walencyjnego przesuwają sie do dziur w kierunku
przeciwnym do wektora pola elektrycznego. Odpowiada to przesuwaniu sie ładunków dodatnich
zgodnie z kierunkiem wektora pola elektrycznego.

13. Na czym polega efekt Halla?

14. Co to jest półprzewodnik domieszkowany i półprzewodnik samoistny?

Półprzewodnik samoistny – półprzewodnik o jednakowej liczbie elektronów

przewodnictwa i dziur.

Półprzewodniki domieszkowane – półprzewodniki o różnej liczbie elektronów

przewodnictwa i dziur.

Półprzewodnik domieszkowany może byd donorowo lub akceptorowo.

15. Jak w temperaturze pokojowej, dla domieszkowanych półprzewodników obliczyd liczbę
dziur w paśmie walencyjnym i liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa?

16. Co rozumiesz pod pojęciem gęstości stanów ?

Jest to liczba stanów na jednostkowy przedział energii.

17. Co to jest ruchliwośd cząstki?

Jest to wielkośd zdefiniowana jako

, gdzie v

i

– prędkośd cząstki pod wpływem pola E.

18. Od czego zależy liczba wzbudzeo elementarnych dla półprzewodnika

samoistnego?

19. Na czym polega prawo działania mas?

- iloczyn ilości elektronów przewodnictwa i dziur zależy tylko od temperatury.

20. Od czego zależy przewodnictwo półprzewodnika samoistnego?

Dla półprzewodników samoistnych prawdziwy jest wzór Boltzmana, określający przewodnictwo σ:

gdzie B – stała. Przewodnictwo zależy tylko od temperatury.

21. Jakie wielkości możemy określid na podstawie wzoru Boltzmana?

Z pomiarów σ i T można wyznaczyd przerwę energetyczną E

g

.

22. Jak zbudowad materiał o określonym typie przewodnictwa?

Przewodnictwo elektronowe - należy domieszkowad donorowo - na przykład atomami z V

grupy układu okresowego (P, As, Sb ). Przewodnictwo dziurowe - należy domieszkowad
akceptorowo – na przykład atomami z III grupy układu okresowego (B, Al, Ga, In).

23. Co to jest domieszka donorowa i akceptorowa?

Domieszka donorowa - jest to domieszka atomami V grupy układu okresowego (P, As, Sb)

(istotne jest to ze maja 5 elektronów walencyjnych). Domieszkowanie akceptorowe - jest to
domieszkowanie atomami III grupy układu okresowego (istotne ze maja 3 elektrony walencyjne).

24. Co to jest pasmo donorowe i akceptorowe? Dlaczego powstaje?

Pasmo donorowe - pasmo powstające na skutek dodania domieszek donorowych do

półprzewodnika. Pasmo to znajduje sie bardzo blisko pasma przewodnictwa. Jest to pasmo słabo
związanych elektronów z atomów domieszek donorowych. Pasmo akceptorowe - pasmo
powstające na skutek dodania domieszek akceptorowych do półprzewodnika. Pasmo to znajduje
sie bardzo blisko pasma walencyjnego. Związane jest z niedomiarowymi elektronami domieszek
akceptorowych.

25. Gdzie jest zlokalizowane i jak obsadzane jest pasmo donorowe i akceptorowe?

Pasmo donorowe - zlokalizowane blisko pasma przewodnictwa. Dla T = 0K pasmo to jest w

pełni obsadzone. Dla wyższych energii spada obsadzenie tego pasma na rzecz pasma
przewodnictwa, tak ze w temperaturze pokojowej jest praktycznie nie obsadzone. Pasmo
akceptorowe – zlokalizowane blisko pasma walencyjnego. Dla T = 0K pasmo to jest nie obsadzone.
Dla wyższych energii wzrasta obsadzenie tego pasma kosztem pasma walencyjnego, tak, ze w
temperaturze pokojowej pasmo to jest praktycznie w całości obsadzone.

26. Jaka jest odległośd pasma donorowego i akceptorowego od pasma walencyjnego i
pasma przewodnictwa?

Pasmo donorowe - jego odległośd od pasma przewodnictwa jest mała - rzędu meV, np. dla

domieszek P= - 44meV, As= - 49meV , Sb= - 39meV . Oczywiście odległośd tego pasma od pasma
walencyjnego jest duża.

27. Jak obliczyd koncentracje nośników w półprzewodnikach domieszkowanych?

28. Jaka jest różnica pomiędzy temperaturowymi zależnościami przewodnictwa dla
półprzewodnika samoistnego i domieszkowanego?

29. Jakie mechanizmy decydują o ruchu nośników prądu w materiałach
półprzewodnikowych?

Unoszenie - ruch zgodne z kierunkiem prądu elektrycznego. dyfuzja - wyrównywanie gęstości

ładunków.

30. Od czego zależy wielkośd prądu unoszenia?

zależy więc od ruchliwości μ ładunku, od gęstości ładunków n, od natężenia pola elektrycznego E.

31. Od czego zależy wielkośd prądu dyfuzji?

zależy więc od współczynnika dyfuzji D i gradientu gęstości nośników ładunku.

32. Co to jest zależnośd Einsteina?

Jest to zależnośd miedzy współczynnikiem dyfuzji, a ruchliwością ładunków.

33. Na czym polegają procesy anihilacji i kreacji par elektrondziura?

Anihilacja - polega na powrocie elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego,

przy co oczywiste znika wtedy równocześnie dziura. Ten efekt powoduje powstanie fotonu.
Kreacja – polega na przejściu pod wpływem fotonu elektronu z pasma walencyjnego do pasma
przewodnictwa, czemu oczywiście towarzyszy kreacja dziury.

34. Co to jest złącze półprzewodnikowe?

Jest to polaczenie półprzewodników typu p i n.

35. Na czym polega stan równowagi złącza półprzewodnikowego?

Stan równowagi złącza polega na równowadze pomiędzy odpowiednimi prądami dla dziur i
elektronów, czyli :

36. Podaj wielkości wielkości charakteryzujące złącze półprzewodnikowe?

37. Skąd wynika równanie dające związek koncentracji nośników i potencjału pola
elektrycznego w zrównoważonym materiale półprzewodnikowym?

38. Co to jest i czym charakteryzuje się 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 podwójna
warstwa ładunku ( są to ładunki jonów ulokowanych w węzłach siatki krystalicznej), wytwarzające
pole elektryczne przeciwdziałające dyfuzji nośników większościowych. Te warstwę dipolowa
nazywa sie warstwa zaporowa lub warstwa ładunku przestrzennego. Nie ma tam praktycznie
nośników większościowych.

Warstwę zaporowa charakteryzuje jej szerokośd:

39. Jak szerokośd warstwy zaporowej oraz potencjał dyfuzyjny zależy od sposobu
domieszkowania półprzewodnika?

40. Na czym polega polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia a na czym w

kierunku zaporowym?

41. Jak polaryzacja złącza wpływa na parametry złącza?

42. Jak szerokośd warstwy zaporowej zależy od napięcia?

Im większe napięcie tym większa szerokośd warstwy zaporowej.

43. Jakie są mechanizmy przepływu prądu w różnych obszarach złącza spolaryzowanego?

W warstwie zaporowej płyną przeciwnie skierowane prądy dyfuzji i unoszenia elektronów

(dziur): elektrony dyfundują z kryształu typu n do kryształu typu p (prąd dyfuzji), w wyniku czego
powstaje pole elektryczne hamujące dyfuzje (prąd unoszenia). Są to prądy o dużych gęstościach,
dające w sumie wypadkowy prąd płynący przez złącze o rozsądnej wielkości. W obszarze bazy ruch
wstrzykniętych nośników mniejszościowych jest wywołany gradientem koncentracji i jest
sterowany przez proces dyfuzji. W obszarze poza baza przepływ prądu jest warunkowany przez
zewnętrzne napięcie przyłożone do złącza.

44. Przy jakich założeniach wyprowadzamy równanie diody?

1. Proces przepływu prądu jest limitowany przez dyfuzje nadmiarowych nośników

mniejszościowych w obszarze bazy.

2. Mały poziom wstrzykiwania: układ znajduje sie w pobliżu w stanu równowagi.

3. Pomijamy generacje nośników w warstwie zaporowej.

4. Pomijamy powierzchniowe prądy upływu.

45. W których obszarach złącz występują “wąskie gardła” dla przepływu prądu?

W obszarze bazy: tam wartośd prądu jest ograniczona przez gradienty koncentracji wstrzykniętych
nośników.

46. Jaka jest postad równania diody. Jaką ważną wielkośd fizyczną możemy w oparciu o nie
wyznaczyd?

47. Od czego zależy stała I

0

w równaniu diody?

48. Jak, przy ustalonym prądzie, zmienia się napięcie na złączu wraz ze zmianą
temperatury?

Napięcie zmniejsza sie wraz ze wzrostem temperatury, np. dla krzemu w pobliżu temperatury

pokojowej zmiana napięcia na złączu wynosi −2mV/K.

49. Na czym polegają prostownicze własności złącza półprzewodnikowego?

Złącze półprzewodnikowe przewodzi tylko w jednym kierunku, zmienia wiec prąd ujemny na

zerowy, a dodatni pozostawia bez zmian.

50. Jak działa prostownik jedno i dwupołówkowy?

51. Jaka jest zasada działania diodowego układu zabezpieczającego?

Jedna dioda przepuszcza od pewnego napięcia w dół, druga równolegle do niej w góre, przez

co po przekroczeniu napięcia progowego, prąd docierający do układu jest stały.

52. Zasada działania diody: pojemnościowej, fotodiody, diody świecącej, diody laserowej,
diody Zenera, diody lawinowej oraz diody tunelowej. Omów występujące mechanizmy
oraz podstawowe zastosowania.



Dioda pojemnościowa – [Wykład 5 23-5 26] Polaryzacja zaporowa. Szerokośd warstwy
zaporowej zależy od napięcia, opróżniona ze swobodnych nośników zachowuje sie jak

izolator.

, d - szerokośd warstwy zaporowej,

. Sterowana pojemnośd.



Fotodioda – *Wykład 5 27+ Polaryzacja zaporowa. Fotony powodują kreacje nośników przez
co wywołuje dodatkowy prąd. Detektor światła.



Dioda święcąca – *Wykład 5 28-5 29] Polaryzacja przewodzenia. Rekombinacja powoduje
emisje fotonów. Sygnalizacja, oświetlenie.



Dioda laserowa – *Wykład 5 30-5 36+ Polaryzacja przewodzenia. Emisja spontaniczna (mała)
oraz wymuszona (duża) pod wpływem innych fotonów powoduje przechodzenie ze stanu o
wyższej energii na niższej. Czytnik CD i inne lasery.



Dioda Zenera – *Wykład 6 5-6 8] Polaryzacja zaporowa. Dla pewnego napięcia zaporowego
następuje przebicie i zerowy opór. Odległośd miedzy pasmem przewodnictwa a walencyjnym
dla napięcia granicznego jest zerowa. Wzorzec napięcia.



Dioda lawinowa – *Wykład 6 11-6 13] Polaryzacja zaporowa. Gdy napięcie zaporowe jest
duże to na średniej drodze swobodnej elektron osiąga energie wystarczającą by w zderzeniu
z atomem doprowadzid do wybicia następnego elektronu.



Dioda tunelowa – *Wykład 6 16-6 19+ Polaryzacja przewodzenia. Gdy napięcie jest zerowe
tunelowaniu przeszkadza zakaz Pauliego. Gdy napięcie jest duże tunelowanie jest
niemożliwe. Dla U ≈ 0.05V tunelowanie zachodzi. Zachodzi zjawisko ujemnej oporności
dynamicznej co daje możliwośd odtłumiania układów.

53. Jak zbudowany jest tranzystor unipolarny i bipolarny.

54. Na czym polega sterowanie przepływem prądu w tranzystorze bipolarnym a jak
sterowany jest prąd w tranzystorze unipolarnym.



[Wykład 6 23] Bipolarny - sterowanie napięciem na bazie. Napięcie bazy powoduje obniżenie

energii przez co pozwala na przepływ nośników.



*Wykład 7 9-7 11] Unipolarny - sterowanie napięciem na bramce. Pole wypycha/wciąga
elektrony z kanału/źródła do źródła/kanału.

55. Jak polaryzujemy tranzystor by w przybliżeniu mógł działad jako element liniowy?

Złącze emiterowe (czyli złącze emiter-baza) polaryzujemy w kierunku przewodzenia, a złącze

kolektorowe (złącze baza-kolektor) w kierunku zaporowym. (W6,str.22)

56. Kiedy i dlaczego tranzystor możemy uważad za sterowane źródło prądu?

(Kiedy?) Tranzystor możemy uważad, za sterowane źródła prądowe powyżej pewnego

konkretnego napięcia U

CE

(patrz wykres) - wówczas występuje mała zmiennośd prądu kolektora.

(Dlaczego?) Zmiana napięcia U

CE

powoduje bardzo mała zmianę prądu - prąd prawie nie zależy od

zmian napięcia. Tranzystor uważamy za sterowane źródło prądu, gdyż za pomocą napięcia U

BE

możemy zadawad konkretne wartości prądu IC, które ustalają sie (w przybliżeniu) powyżej
pewnego napięcia U

CE

. Co więcej do wywołania dużej zmiany prądu kolektora IC wystarczy mała

zmiana napięcia baza-emiter U

BE

. (W6,str.26,27)

57. Jaką postad ma równanie Ebersa-Mola?

58. Co to jet model tranzystora; “hybryd pi”?

Jest to model tranzystora bipolarnego dla małych sygnałów (częstotliwośd), który umożliwia

analityczne (modelowe) badanie właściwości tranzystora, ponieważ potrafimy napisad równanie
tego obwodu, który jest złożony z podstawowych elementów.

59. Co to jest konduktancja wzajemna i współczynnik wzmocnienia prądowego?

60. Co powoduje ruch nośników, w obszarze bazy, wstrzykniętych z emitera?

Nośniki wstrzyknięte z emitera poruszają sie w bazie w kierunku kolektora wskutek

mechanizmu dyfuzji (w obszarze bazy występują gradienty koncentracji wstrzykiwanych
nośników).

61. Dlaczego baza tranzystora bipolarnego powinna byd cienka i słabo domieszkowana?

Obszar bazy stosunkowo słabo domieszkowany i o niewielkim rozmiarze takim, aby

występowały w nim gradienty koncentracji wstrzykiwanych nośników.

62. Czym różni się tranzystor JFET od tranzystora MOSFET?

W tranzystorach typu JFET (Junction Field Effect Transistor) bramka jest połączona z

obszarem kanału. Natomiast w przypadku MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET) bramka jest
odizolowana od kanału.

63. Jak sterujemy przepływem prądu w tranzystorze JFET a jak w tranzystorze MOSFET?

Dla tranzystora JFET:
Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa
na rozkład nośników prądu w kanale. Gdy napięcie bramka-zródło (UGS) jest równe zero, wówczas
nośniki większościowe płyną bez przeszkód. Gdy natomiast napięcie bramka-zródło zacznie
rosnąd, wówczas w złączu p-n, które jest spolaryzowane zaporowo pojawi sie obszar ładunku
przestrzennego. Obszar ten wnika w kanał, a ze praktycznie nie ma w nim swobodnych nośników
(charakteryzuje sie bardzo dużą rezystancją), toteż czynny przekrój kanału zmaleje.

Dla tranzystora MOSFET:
Pole zmienia typ przewodnika poprzez wypychanie lub wciąganie elektronów do zródła i drenu.
Przez to zmienia sie przewodnictwo w kanale

64. Na czym polega inwersja typu półprzewodnika w tranzystorach MOSFET.

Tranzystor z kanałem normalnie załączonym (zubażanym): Pole elektryczne wypycha

elektrony z kanału do źródła (i drenu), powodując zubożenie kanału i spadek jego przewodnictwa,
przy odpowiednio dużym napięciu następuje zmiana typu przewodnika (inwersja typu) co w tym
przypadku skutkuje ”likwidacja” kanału i zablokowaniem przepływu prądu.

Tranzystor z kanałem normalnie wyłączonym (wzbogacanym): Pole elektryczne wciaga
elektrony ze źródła (i drenu) do kanału powodując (inwersja typu) powstanie i
wzbogacanie kanału oraz wzrost jego przewodnictwa.

65. Jakie są w przybliżeniu rozmiary współcześnie budowanych tranzystorów MOSFET?
(określ rozmiar w oparciu o rozmiar odpowiednich atomów)

W 2009 roku Intel rozpoczął produkcje procesorów o wielkości 32nm. Stała sieci krzemu

wynosi 5.43A i takiego rzędu wielkości produkowane są tranzystory MOSFET. Najmniejszy
zbudowany tranzystor składa sie z 10 atomów grafenu.

66. Jakie znasz zastosowania tranzystora jako sterowanego wyłącznika?

Bramka liniowa, multiplekser, demultiplekser

67. Co to jest multiplekser i demultiplekser?

Multiplekser - (w skrócie MUX) - układ kombinacyjny, najczęściej cyfrowy. Multiplekser jest
układem komutacyjnym (przełączającym), posiadającym k wejśd informacyjnych (zwanych też
wejściami danych), n wejśd adresowych (sterujących) (zazwyczaj k=2

n

) i jedno wyjście y. Posiada

też wejście sterujące działaniem układu oznaczane S (wejście strobujące, ang. strobe) lub e (ang.
enable).

Demulitplekser - należy do klasy układów kombinacyjnych. Demultiplekser jest układem
posiadającym jedno wejście x, n wejśd adresowych oraz k wyjśd (zazwyczaj k=2

n

).

68. Co to są układy NMOS, PMOS, CMOS?

MOS oznacza semicondutor tlenków metali.

PMOS stanowi MOS typu P tranzystora.

NMOS stanowi MOS typu N tranzystora.

CMOS oznacza Complementary Metal-Oxide-Semiconductor tranzystora.CMOS Układ zawiera
tranzystor PMOS i tranzystorów NMOS.

69. Która spośród technologii NMOS, PMOS i CMOS charakteryzuje się najmniejszym
poborem mocy?

CMOS.

70. Dlaczego moc pobierana przez komputer PC rośnie z częstotliwością?

Z uwagi na budowę układów składowych komputera.

71. Na czym polega efekt gigantycznej magnetorezystancji?

Gigantyczna Magnetorezystancja (GMR - Giant Magnetoresistance) polega na zmianie

rezystancji układu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego wywołanej zmianą
względnej orientacji momentów magnetycznych ferromagnetycznych elementów FM,

odseparowanych przewodzącymi, nieferromagnetycznymi elementami NM. Elementami tymi
mogą być cienkie warstwy materiałów ferromagnetycznych, lecz również wytrącenia
ferromagnetyczne. Efekt okazał się być znacznie większy niż znane wcześniej zjawiska zwykłej
magnetorezystancji czy anizotropowej magnetorezystancji, stąd nazwa GMR.

72. Jakie są zalety bramki magneto-logicznej?

Uniwersalnośd.