4. FIZYCZNE PODSTAWY DZIAA
ANIA
PRZYRZ
DÓW PÓA
PRZEWODNIKOWYCH
4.1. PÓA
PRZEWODNIKI
4.1.1. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE
Definicja 1 �� wartości graniczne rezystywności dla T=300K
Półprzewodniki są materiałami, których rezystywność jest
większa niż rezystywność przewodników (metali)
oraz
mniejsza niż rezystywność dielektryków (izolatorów).
Półprzewodniki
Przewodniki Dielektryki
Rezystywność
(opór właściwy)
Cu
Ge Si mika
[�W� �m]
5
10
-10 -5 15
1 10
10
10 10 10
Definicja 2 �� szerokość pasma zabronionego Wg (przerwy energetycznej)
Materiały, dla których wartość przerwy energetycznej Wg
0 < Wg Ł� 2 eV
nazywamy półprzewodnikami.
Elektronowolt (eV) - jest to energia, jaką uzyskuje elektron w wyniku zmiany
swojego potencjału o 1V (1eV=1,602��10-19J).
- 1 -
Wyjaśnienie definicji 2:
W odosobnionym atomie
elektrony obsadzają dyskretne W
Pasmo
dozwolone poziomy energetyczne.
W miarę wzajemnego zbliżania
dozwolone
się atomów, każdy atom coraz silniej
oddziałuje z sąsiadami. Pojedynczy zabronione
poziom ulega rozszczepieniu na N
dozwolone
podpoziomów (N  liczba atomów w
zabronione
krysztale) i powstaje dozwolone
dozwolone
pasmo energetyczne.
Dozwolone pasma energii
a x
oddzielone są obszarami energii
a  odległość atomów w krysztale
wzbronionych.
Na każdym podpoziomie w
W
paśmie mogą być najwyżej dwa
Pasmo Pasmo
elektrony.
Najwyższe pasmo dozwolone
przewodnictwa dozwolone
całkowicie zapełnione (w T=0K) jest
nazywane podstawowym
Wg zabronione
(walencyjnym), a powyżej zapełnione
lub puste pasmo dozwolone to pasmo
podstawowe dozwolone
przewodnictwa.
zabronione
Odległość między tymi pasmami
dozwolone
to przerwa energetyczna Wg.
Przerwa energetyczna decyduje o przewodnictwie materiału, w:
przewodniku półprzewodniku dielektryku
przewodnictwa
przewodnictwa
przewodnictwa
Wg > 2eV
Ł�
Wg 2eV
podstawowe podstawowe podstawowe
- 2 -
4.1.2. PÓA
PRZEWODNIKI SAMOISTNE
Półprzewodnik samoistny to półprzewodnik idealnie czysty, nie
mający żadnych domieszek ani defektów sieci krystalicznej.
Nośniki swobodne, w tego typu półprzewodniku, powstają wskutek
zrywania wiązań w sieci krystalicznej, co w energetycznym modelu
pasmowym oznacza przeskok elektronów przez całą szerokość pasma
zabronionego.
Proces pojawiania się elektronów
w paśmie przewodnictwa i wolnych W
miejsc w paśmie podstawowym pasmo przewodnictwa
nazywa się generacją par dziura-
elektron (dziura to dodatni nośnik
ładunku, będący brakiem elektronu).
Wg generacja rekombinacja
Proces o charakterze odwrotnym
nazywany jest rekombinacją.
Obydwa procesy równoważą się.
pasmo podstawowe
W półprzewodniku samoistnym liczba elektronów w paśmie
przewodnictwa jest taka sama jak liczba dziur w paśmie podstawowym.
Zatem
-�Wg
ć� ��
pi =� ni �� exp�� ��
(4.1)
�� ��
2kT
Ł� ł�
gdzie: ni  koncentracje elektronów w paśmie przewodnictwa (ich liczba w 1cm3)
pi  koncentracje dziur paśmie podstawowym,
Wg  szerokość pasma zabronionego (1,1eV dla Si ; 0,7eV dla Ge).
- 3 -
4.1.3. PÓA
PRZEWODNIKI NIESAMOISTNE
W półprzewodnikach niesamoistnych  obok zjawisk samoistnego
powstawania swobodnych elektronów i dziur  istotną rolę odgrywają
dodatkowe mechanizmy powstawania nośników ładunku, dzięki
wprowadzeniu do ich struktury specjalnych domieszek.
PÓA
PRZEWODNIK DONOROWY - TYPU n
Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie domieszki
pierwiastka V grupy układu okresowego (najczęściej stosuje się P, rzadziej
Sb lub As). Niektóre atomy Si zostają zastąpione atomami domieszki,
zwanymi donorami.
Si Si
W
pasmo przewodnictwa
nadmiar
Si Si
elektronów
WC
Wjonizacji
WD
donor
5.
poziom donorowy
Si Si
Piąty elektron zostaje oderwany od atomu P.
WV
W węz
le sieci powstaje zjonizowany
pasmo podstawowe
jednododatni atom P.
Wjonizacji Ł� 0,1eV
Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest wielokrotnie większa
od liczby dziur w paśmie podstawowym, zatem
n >�>� p
(4.2)
W półprzewodniku typu n elektrony są nośnikami większościowymi,
a dziury  nośnikami mniejszościowymi.
- 4 -
PÓA
PRZEWODNIK AKCEPTOROWY - TYPU p
Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez dodanie domieszki
pierwiastka III grupy układu okresowego (najczęściej B, rzadziej Al, In
lub Ga). Niektóre atomy Si zostają zastąpione atomami domieszki,
zwanymi akceptorami.
Si Si
W
pasmo przewodnictwa
Si Si Si
WC
akceptor
poziom akceptorowy
WA
Wjonizacji
Si Si
WV
Atomu B po uzupełnieniu elektronu w
nadmiar
nieprawidłowym wiązaniu jonizuje się dziur
jednoujemnie.
pasmo podstawowe
Wjonizacji � 0,05eV
Liczba dziur w paśmie podstawowym jest wielokrotnie większa od
liczby elektronów w paśmie przewodnictwa, zatem
p >�>� n
(4.3)
W półprzewodniku typu p dziury w paśmie podstawowym są
nośnikami większościowymi, a elektrony w paśmie przewodnictwa 
nośnikami mniejszościowymi.
- 5 -
4.2. ZA

CZE p-n
Złączem p-n nazywamy bryłę półprzewodnika utworzoną przez dwie
graniczące ze sobą warstwy typu p oraz typu n.
4.2.1. ZA

CZE p-n NIESPOLARYZOWANE
Założenie: obie warstwy tworzące złącze p-n mają jednakową koncentrację
domieszek  akceptorów po stronie P oraz donorów po stronie N.
Przed zetknięciem:
w warstwie P znajdują się w warstwie N znajdują się
ujemne nieruchome jony akceptorów dodatnie nieruchome jony donorów
prawie tyle samo ruchomych dziur prawie tyle samo ruchomych elektronów
(nośników większościowych) (nośników większościowych)
i niewielka liczba elektronów (nośników oraz niewielka liczba dziur (nośników
mniejszościowych) mniejszościowych)
- 6 -
Po zetknięciu:
�� następuje proces dyfuzji dziur z warstwy P do N (Ipd) oraz
elektronów z warstwy N do P (Ind);
�� wskutek dyfuzyjnego przepływu ruchomych nośników ładunku w
obszarach granicznych obydwu warstw pozostają nieskompensowane
nieruchome jony, które tworzą warstwę zaporową przeciwdziałającą
dalszej dyfuzji  wywołującą barierę potencjału VB (tzw. napięcie
dyfuzyjne [0,7V dla Si]);
�� napięcie dyfuzyjne powoduje unoszenie nośników
mniejszościowych (elektronów w P i dziur w N), które znajdą się na
granicy warstwy zaporowej do obszarów przeciwnego typu.
VB
P N
Ipd
Ipu
Inu
Ind
warstwa zaporowa
Prąd wypadkowy płynący przez złącze jest równy zeru, gdyż prąd
dyfuzji jest równy prądowi unoszenia, oddzielnie dla dziur i elektronów:
I =� I ; Ind =� Inu (4.4)
pd pu
- 7 -
4.2.2. ZA

CZE p-n SPOLARYZOWANE
W KIERUNKU: ZAPOROWYM
VB+U
P N
IR
U
W KIERUNKU: PRZEWODZENIA
VB - U
P N
IF
U
Charakterystyka prądowo-
I
napięciowa złącza:
ć� U ��
�� ��
I =� IR��exp -�1��
(4.5)
VT ł�
Ł�
VT - potencjał elektrokinetyczny
(�26mV dla T=300K).
U
WSTECZNY
(zaporowy)
- 8 -
PRZEWODZENIA
4.3. DIODY PÓA
PRZEWODNIKOWE
Dioda półprzewodnikowa jest elementem dwukońcówkowym
(dwójnikiem) o nieliniowej i niesymetrycznej charakterystyce prądowo-
napięciowej i zawierającym zwykle jedno złącze P-N.
Końcówkę diody
P N
spolaryzowaną dodatnio dla pracy
w kierunku przewodzenia
nazywamy anodą (A), zaś drugą 
spolaryzowaną ujemnie  katodą
A K
(K).
Ze względu na zastosowanie, wyróżnia się diody:
�� prostownicze  stosowane w układach prostowniczych,
przekształcające prąd zmienny w jednokierunkowy
prąd pulsujący;
�� uniwersalne  stosowane w układach detekcyjnych,
prostowniczych małej mocy i ogranicznikach;
�� impulsowe  stosowane do przełączania napięć i prądów oraz do
formowania impulsów elektrycznych;
�� stabilizacyjne  zwane diodami Zenera - stosowane w układach
stabilizacji napięć.
�� specjalne
- 9 -
4.3.1. CHARAKTERYSTYKA I PARAMETRY STATYCZNE
Parametry graniczne:
�� I0  maksymalny średni prąd
IF [mA]
przewodzenia (uznawany za prąd
I0
znamionowy IFN diody
spolaryzowanej w kierunku
przewodzenia),
�� URWM  szczytowe wsteczne
UF
URWM
napięcie pracy.
Parametry charakterystyczne:
UF(I )
UR
0
�� UF  napięcie przewodzenia przy
IR(URWN)
określonym prądzie przewodzenia
(na ogół przy I0)
�� IR  prąd wsteczny przy określonym
IR [m�A]
napięciu wstecznym (zazwyczaj przy
URWM).
4.3.2. REZYSTANCJA STATYCZNA I DYNAMICZNA
Rezystancja statyczna:
IF
UP
Rst =� =� tga�P (4.6)
IP IP
Rst ��[0,Ą�)
a�p
Rezystancja dynamiczna:
UF
UP
D�U dU
Rd =� lim =� =� tgb�P (4.7)
b�p
D�I ��0
D�I dI
Rd ��(-Ą�,+Ą�)
- 10 -
4.4. TRANZYSTORY BIPOLARNE
(Bipolar Junction Transistor- BJT)
Tranzystor (TRANSFER RESISTOR) to element półprzewodnikowy,
zwykle trójelektrodowy (trójkońcówkowy), umożliwiający wzmacnianie
sygnałów elektrycznych.
Powstają przez umieszczenie dwóch złącz p-n w jednej płytce
półprzewodnika obok siebie, aby występowało oddziaływanie jednego
złącza na drugie. Wyróżnia się dwa rodzaje tranzystorów:
PNP NPN
P N P N P N
E C E C
B B
E C E C
B B
E C E C
B B
Poszczególne obszary tranzystora stykające się z elektrodami są
oznaczone jako:
E  emiter,
B  baza,
C  kolektor.
- 11 -
4.4.1. ZASADA DZIAA
ANIA TRANZYSTORA
NPN w stanie aktywnym:
złącze emiter-baza w kierunku przewodzenia
złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
N P N
E C E C
B B
UWAGA: Domieszkowanie obszaru bazy jest kilka rzędów wielkości mniejsze niż
obszaru emitera.
IE E C
UEB UCB
B
IB
IC=a�N�IE+ICB0
Prądem wejściowym jest IE a wyjściowym IC  wzmocnienie prądowe
a�N wynosi
IC -� ICB0
a�N =� Ł� 1
(4.8)
IE
gdzie: ICB0  prąd zerowy.
Problem: Dlaczego tranzystor jest elementem wzmacniającym?
- 12 -
0
B
C
I
Wyjaśnienie:
Iem Icm
Tranzystor NPN
jest w stanie
IE ie IC ic
aktywnym
(polaryzowany z
baterii UEB i UCB. w C
Ponadto
E
obwodzie
Rg
RWE RWY
wejściowym
Robc
włączone jest
eg
z
ródło eg małego
UEB UCB
B
sygnału
sinusoidalnego.
�� Baterie UEB i UCB powodują przepływ prądów stałych IE i IC
�� Ze z
ródła eg płynie w obwodzie wej. prąd sin. ie o amplitudzie Iem
�� Prąd ie powoduje przepływ prądu ic o amplitudzie Icm w obwodzie wyj.
Moc sygnału sinusoidalnego na
wejściu (dostarczana do wejścia tr.) : PWE =� Iem2RWE
wyjściu (odbierana w obciążeniu) : Pobc =� Icm2Robc
Ponieważ, ze względu na dopasowanie Robc =� RWY
Można zatem wzmocnienie mocy KP wyrazić w postaci
2
Pobc Icm2RWY a� Iem2RWY 2 RWY RWY
KP =� =� @� =� a� @� (4.9)
PWE Iem2RWE Iem2RWE RWE RWE
Ponieważ RWY >�>� RWE zatem KP >�>� 1
tranzystor jest elementem  transformującym rezystancję
Wniosek:
i wzmacniaczem mocy!
- 13 -
4.4.2. WARIANTY POLARYZACJI TRANZYSTORA
Tranzystor NPN spolaryzowany w zakresie:
AKTYWNYM
E C
stosuje się, gdy tranzystor pracuje w
układzie wzmacniacza;
B
E C NASYCENIA
stosuje się, gdy tranzystor pracuje w
układzie impulsowym i znajduje się
B
w stanie przewodzenia;
ZATKANIA
E C
stosuje się, gdy tranzystor pracuje w
układzie impulsowym i znajduje się
w stanie nieprzewodzenia;
B
INWERSYJNYM
E C
praktycznie nie stosuje się.
B
Kierunek: przewodzenia
zaporowym
- 14 -
4.4.3. UKA
ADY WA

CZENIA TRANZYSTORA
W zależności od wyboru końcówki odniesienia (wspólnej dla obwodu
wej. i wyj.) możliwe są trzy różne konfiguracje włączenia tranzystora:
IE E IC
ze wspólną bazą (WB,OC)
C
- wzmocnienie prądowe:
UEB
WE
UCB
WY
IWY IC
KI =� =� =� a�N (�Ł� 1)�
B
IWE IE
(4.10)
IC
ze wspólnym emiterem
C
(WE,OE)
IB B
- wzmocnienie prądowe:
UCE
WY
UBE IC
WE
KI =� =� b�N (�� 200 -� 300)�
E
IB
(4.11)
IE
ze wspólnym kolektorem
E
(WC,OC)
IB B
- wzmocnienie prądowe:
UCE
WY
UCB
WE
IE IC +� IB
KI =� =� =� b�N +�1
C
IB IB
(4.12)
UWAGA: oznaczenia kierunków napięć i prądów dla pracy tranzystora w zakresie
normalnym
- 15 -
4.4.4. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA
Tranzystor może być traktowany jako czwórnik o strukturze
trójnikowej, opisany za pomocą równań hybrydowych (zal. 3.4):
U1 =� h11 I1 +� h12U2 ��
I I
ż�
1 2
I2 =� h21 I1 +� h22U2 ��
inaczej
U U
1 2
U1 =� f (� I1,U2)�
��
ż�
I2 =� f (� I1,U2)�
��
Przez charakterystykę statyczną rozumie się związek wielkości
zależnej i jednej z dwu niezależnych przy stałej wartości drugiej
wielkości niezależnej traktowanej jako parametr. Można określić cztery
rodziny charakterystyk statycznych
Dla tranzystora NPN w układzie WE:
WEJŚCIOWA
UBE =� f (� IB)�, przy UCE =� const
IC
ZWROTNA
C
IB B
UBE =� f (�UCE )�, przy IB =� const
PRZEJŚCIOWA
UCE
UBE IC =� f (� IB)�, przy UCE =� const
E
WYJŚCIOWA
IC =� f (�UCE )�, przy IB =� const
- 16 -
Przykładowe rodziny charakterystyk statycznych
Wyjściowe
Przejściowe
I [mA]
C
IB=250m�A
UCE=20V
10
200m�A
10V
100m�A
5
50m�A
0m�A
200 20
10
I [m�A]
B U [V]
CE
0.3
IB=0m�A
0.6
100m�A
UCE=10V
200m�A
0.9
20V
Zwrotne
U [V]
BE
Wejściowe
- 17 -