Wykład 6_1
Zjawiska na złączu  diody półprzewodnikowe c.d.
1. Dioda prostownicza
2. Dioda pojemnościowa
omówione
3. Dioda światłoczuła-fotodioda
4. Dioda świecąca-LED
5. Dioda laserowa
6. Dioda Zenera
7. Dioda lawinowa
8. Dioda tunelowa
9. .....
Poza równaniem diody
Wykład 6_2
Zjawiska na złączu  diody półprzewodnikowe c.d.
1. Dioda prostownicza
2. Dioda pojemnościowa
3. Dioda światłoczuła-fotodioda
4. Dioda świecąca-LED
5. Dioda laserowa
Polaryzacja w
kierunku
6. Dioda Zenera
przewodzenia
7. Dioda lawinowa
8. Dioda tunelowa
Polaryzacja w
9. .....
kierunku
zaporowym
Wykład 6_3
Efekty nie opisywane przez równanie diody
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody
i
akcja laserowa
dioda tunelowa
(tunelowanie)
Up=Ul Up=UZ
równanie
diody
u
efekt Zenera
efekt lawinowy
(tunelowanie)
(lawina)
Wykład 6_4
Efekty przebicia:
1. Efekt Zenera
i
efekty fizycznie różne
2. Efekt lawinowy
Up=Ul Up=UZ
u
efekt Zenera
efekt lawinowy
(tunelowanie)
(lawina)
Wykład 5_30
Złącze półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa jako laser LASER DIODOWY
polaryzacja w kierunku przewodzenia, przybliżenie małego poziomu
wstrzykiwania nie działa (poza r. diody)
Kiedy atomy świecą:
stan pusty
E1 E1
stan obsadzony
foton
stan pusty stan obsadzony
E2 E2
Co wywołuje przejście ???
Wykład 5_31
Złącze półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa jako laser LASER DIODOWY
Istnieją dwie możliwości przejść
A) Emisja spontaniczna: atomy emitują fotony niezależnie tzn. Przejście
w danym atomie nie zależy od przejścia w atomie sąsiednim
foton
Pspont.=A21
prawdopodobieństwo
2Śą1
emisji spontanicznej (wsp. Einsteina dla
foton
emisji spontanicznej)
Atomy rozpadajÄ… siÄ™ bez
atom wzbudzony  pomocy ze strony sąsiadów,
atom  zimny
tak świeci LED
Wykład 5_32
Złącze półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa jako laser LASER DIODOWY
B) Emisja wymuszona: atom emituje w wyniku oddziaływania z
fotonem powstałym w  sąsiednim przejściu. Przejście w danym atomie
zależy od przejść w sąsiednich atomach
foton
Pwym.=B21Å"ÇÄ…21
2Śą1
prawdopodobieństwo emisji wymuszonej
B21 wsp . Einsteina dla emisji wymuszonej
Á21 gÄ™stość fotonów o energii z przejÅ›cia 21
atom  zimny
atom wzbudzony
Wykład 5_33
Złącze półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa jako laser LASER DIODOWY
Przejście wymuszone:
PoczÄ…tek koniec
stan pusty
E1
E1
stan obsadzony
stan pusty
stan obsadzony
E2
E2
Wykład 5_34
Złącze półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa jako laser LASER DIODOWY
ogólnie:
P =Pspont.ƒÄ…Pwym.=A21ƒÄ…B21Å"ÇÄ…21
2Śą1 2Śą1 2Śą1
Gdy emisja wymuszona przeważa otrzymujemy światło spójne (o
określonym stopniu spójności)
Warunki wystÄ…pienia akcji laserowej:
I. Inwersja obsadzeń (więcej atomów z obsadzonym stanem (2)
II. Duża gęstość promieniowania
wtedy A21 << Á21B21
Wykład 5_35
Złącze półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa jako laser LASER DIODOWY
n
p
wstrzykiwanie
elektronów (silne)
-
+
wstrzykiwanie
dziur (silne)
W wyniku, w warstwie zaporowej mamy :
1. inwersje obsadzeń
2. dużą gęstość promieniowania
Wykład 5_36
Zastosowania: np. czytnik CD
Wykład 6_5
Złącze półprzewodnikowe
Efekt Zenera
Eg
-
e u
xb
x
d
b
+
=
E eÅ"u
g
d
Wykład 6_6
Złącze półprzewodnikowe
Efekt Zenera
dÅ"E
g
x =
b
eÅ"u
~
d u
ćą
­Ä… V
E
E
g
x
~
b
x
b
eÅ" u
ćą
obszar A obszar A'
b
~
P e-·Ä…śą­Ä…V źąÅ"x
- e u
A Śą A '
xb
d
+
=>
xb Śą0 P Śą1
A Śą A '
Wykład 6_7
Złącze półprzewodnikowe
Efekt Zenera -Stabilizacja napięcia
Rozważmy układ przybliżona charakterystyka d. Zenera
i
U1
U2
u
UZ < u <0 => i=0
U2
i<0 => u=UZ
UZ
Dioda Zenera:
U1
wzorzec napięcia
Wykład 6_8
Złącze półprzewodnikowe
Skąd wiemy, że za przebicie diodzie Zenera odpowiada tunelowanie?
Można to wywnioskować z zależności napięcia przebicia od T
p. przewodnictwa
E [eV]
p. walencyjne
Eg(C
)
a
Si
C Ge Sn
dÅ"E
g
x =
T a Eg UZ bo
b
eÅ"u
Wykład 6_9
Efekty przebicia:
1. Efekt Zenera (stosunkowo silne domieszkowanie) => małe d => małe xb
dÅ"E
g
2. Efekt lawinowy (inny efekt)
x =
b
eÅ"u
i
Up=Ul Up=UZ
u
efekt Zenera
efekt lawinowy
(tunelowanie)
(lawina)
Wykład 6_10
Efekty przebicia:
1. Efekt Zenera (stosunkowo silne domieszkowanie) => małe d => małe xb
2. Efekt lawinowy (inny efekt)
dÅ"E
g
x =
b
eÅ"u
gdy domieszkowanie jest słabsze to:
rośnie d => rośnie xb i wtedy:
gdy rośnie u to nim wystąpi  przebicie Zenera może pojawić się
inny mechanizm przewodzenia, który również jest poza
mechanizmem stowarzyszonym z równaniem diody
Wykład 6_11
Efekt lawinowy
N ƒÄ…N u
Ä…
A D
u k"U
2. ÏÄ…~ ~ N Å" u
ćą
1. d = 2 śąU ƒÄ…u źą D
domieszek
D
d
e N N
ćą
A D
Gdy domieszkowanie półprzewodnika nie jest zbyt silne to:
1. może być: - średnia droga swobodna
d k"ÁÄ… , ÁÄ…
2. gdy napięcie u jest odpowiednio duże to na średniej drodze swobodnej
elektron osiÄ…ga energiÄ™ wystarczajÄ…cÄ… by statystycznie, w zderzeniu z
atomem, doprowadzić do wybicia następnego elektronu
3. Wtedy dzięki 1. i 2. może rozwinąć się w warstwie zaporowej lawina
elektronów - pojawia się nowy mechanizm przewodzenia
Wykład 6_12
Efekt lawinowy
~
u + UD = u
p n
_
+
ve
d
W obszarze warstwy zaporowej rozwija się lawina elektronów
Wykład 6_13
Złącze półprzewodnikowe
Skąd wiemy, że za przebicie w rozważanej diodę odpowiada tunelowanie?
Można to wywnioskować z zależności napięcia przebicia od T
by zapewniało
ve
T  ve Ul
rozwój lawiny
Wykład 6_14
Złącze półprzewodnikowe
i
efekt Zenera i efekt lawinowy podsumowanie
Up=Ul Up=UZ
u
efekt Zenera
efekt lawinowy
(tunelowanie)
(lawina)
Napięcie przebicia
Napięcie przebicia
rośnie z T
malej z T
Wniosek: stabilne termicznie są diody, dla których efekt Zenera i efekt
lawinowy występują w równym nasileniu: dla Si Uprzebicia= 5 do 7 V
Wykład 6_15
ZÅ‚Ä…cze
półprzewodnikowe
Efekty przebicia
i
u
efekt Zenera dioda tunelowa
efekt lawinowy
(tunelowanie) (tunelowanie)
(lawina)
Stopień domieszkowania
Wykład 6_16
Złącze półprzewodnikowe
-Esaki 1957
-ekstremalnie silne domieszkowanie
Dioda tunelowa
-szerokość złącza ~ 10nm
i
u
Kilka
setnych
wolta
Wykład 6_17
i
u
Dioda tunelowa
i=0
dyfuzja
Maksimu
Pasmo
m
przewo-
Obszar p
dla prÄ…du
Obszar p
Obszar p
dnictwa
Tunelowanie
Tunelowanie w
Tunelowanie w
niemożliwe
obu kierunkach
jednym kierunku
przewodzenie -
ograniczenia -
brak
równanie diody
zakaz Pauliego +
zakazu Pauliego
+
µ
_
_
Obszar n
Obszar n
Pasmo
Pasmo
Obszar n
Obszar n
walencyj-
walencyj-
ne
ne
u=0
U~0.05 V
U~0.5 V
`
Wykład 6_18
Dioda tunelowa
i
u
Ujemna oporność
Ujemna oporność
Możliwość odtłumienia
dynamiczna:
dynamiczna:
układu
du
r =
L
di
r C
RL
Wykład 6_19
Dioda tunelowa
Możliwość odtłumienia
Ujemna oporność
układu
dynamiczna:
L
L
r C
U(t) U(t)
C
RL
RL
U(t)
U(t)
t
t
Wykład 6_20
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny <= prÄ…d jest wynikiem
ruchu dwu typów nośników, to jest nośników
większościowych i nośników mniejszościowych
Tranzystory umożliwiają sterowanie przepływem
stosunkowo dużego prądu, za pomocą pewnego
sygnału o stosunkowo małej mocy.
Główne zastosowania:
1. do wzmacniania małych sygnałów
2. do przetwarzania informacji w postaci cyfrowej.
Wykład 6_21
Tranzystor bipolarny
Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów  transfer i  rezystor .
Konstrukcja (1948): J. Bardeen W.H. Brattain.
Nobel 1956
Budowa (1949): W.B. Shockley
metoda ostrzowa (1948) konstrukcje współczesne
Wykład 6_22
Tranzystor bipolarny
Budowa i zasada działania
ZÅ‚Ä…cze emiterowe:
ZÅ‚Ä…cze kolektorowe:
polaryzacja przewodznia
polaryzacja zaporowa
B
E
C
n
p n
baza
emiter
kolektor
Obszar
Obszar stosunkowo słabo domieszkowany,
stosunkowo silnie
rozmiar bazy jest niewielki (taki by
domieszkowany
występowały w nim gradienty koncentracji
wstrzykiwanych nośników!!!)
Uwaga:
1. Analogicznie konstruuje siÄ™ tranzystory p-n-p
2. sposób domieszkowania i rozmiary złącza wynikają z zasady działania
Wykład 6_23
Tranzystor bipolarny
I
ZÅ‚Ä…cze emiterowe:
ZÅ‚Ä…cze kolektorowe:
polaryzacja przewodzenia
polaryzacja zaporowa
B
B
E
C
IE
IC
SÅ‚abe domieszkowanie bazy:
IB1
1. mała rekombinacja (mały IB1)
rekombinacja
IB2
2. mały prąd dyfuzji IB2
IB=IB1+IB2
IE
Silne domieszkowanie emitera:
IE duży w stosunku do IB2
Wykład 6_24
Tranzystor bipolarny
I
ZÅ‚Ä…cze emiterowe:
ZÅ‚Ä…cze kolektorowe:
polaryzacja przewodzenia
polaryzacja zaporowa
B
B
E
C
IE
IC
PrÄ…d kolektora IC
IB1
rekombinacja
IB2
zależy silnie od
napięcia UBE
IB
IE=IB+IC
Wykład 6_25
Tranzystor bipolarny
Zależność prądu kolektora IC od napięcia
pomiędzy bazą i emiterem UBE opisuje
równanie Ebersa-Molla:
eÅ"UBE
IC=I0 exp -1
śą źą
śą źą
kT
Wykład 6_22
Tranzystor bipolarny
Powyżej pewnego
Podstawowe charakterystyki:
napięcia UCE występuje
mała zmienność prądu
kolektora IC
C
IC
n
UBE
IB
p
B
n
UBE
IE
E
Wykład 6_27
Tranzystor bipolarny
Punkt pracy układu:
IC
Zbiór stałych napięć
IC0
występujących w układzie i
stałych prądów w nim
płynących
UCE
UCE0
Dla dowolnego przebiegu S(t) przyjmujemy:
S(t) = S0 + s(t)
S(t)
S0
sygnał
Składowa stała
(prÄ…dowy lub
(prądu lub napięcia)
t
napięciowy)
Wykład 6_28
Tranzystor bipolarny
C
IC
IC
Dla tranzystora punkt pracy
IC0
n
IB
stanowi zbiór:
UCE p
B
UCE { UBE0 , UCE0 , IB0 , IC0 , IE0 }
n
UBE
UCE0
IE
E
Jeśli:
UCEśątźą=UCE0ƒÄ…uCEśątźą
IC=ICśąUBE ,UCEźą, UBEśątźą=UBE0ƒÄ…uBEśątźą,
" IC " IC
ICśątźą=IC0ƒÄ… Å"uBEśątźąƒÄ… Å"uCEśątźą
oraz uBE i uCE są małe to :
"UBE UCE=const "UCE UBE=const
"IC "UCE
gm= , rC=
Przyjmując: iCśątźą=ICśątźą-IC0 ,
"UBE " IC UBE=const
UCE=const
uCEśątźą
mamy:
iCśątźą=gmÅ"uBEśątźąƒÄ…
rC
Wykład 6_29
Tranzystor bipolarny
uCEśątźą
iCśątźą=gmÅ"uBEśątźąƒÄ…
rC
"IC
"UCE
gm=
rC=
"UBE
" IC UBE=const
UCE=const
konduktancja wzajemna kolektorowa oporność dynamiczna
Wykład 6_30
Tranzystor bipolarny
uCEśątźą
iCśątźą=gmÅ"uBEśątźąƒÄ…
rC
Składowa prądu kolektora Składowa prądu kolektora
niezależna o napięcia na zależna bezpośrednio od
kolektorze UCE napięcia na kolektorze UCE
prÄ…d limitowany przez
dynamiczną oporność
sterowane z
ródło prądu
kolektora
(sterowane przez uBE(t))
Wykład 6_31
Tranzystor bipolarny
Tranzystor jako hybryd Ą - model tranzystora dla małych sygnałów
y
ródło prądu
Pojemność istotna dla
wysokich częstości (w.cz.)
Cµ
iB(t)
rb
iC(t)
B'
C
B
rC
uBE(t) uCE(t)
rĄ
gmuBE(t)
E
Wykład 6_32
Tranzystor bipolarny
Hydrodynamiczny model tranzystora
Pompa dyfuzyjna
 wsiÄ…kanie
(napięcie UBE)
IE
B
baza
IB
PD
E
dB
Emiter
UE
dB
IC
C
UB
kolektor
UC
UC
Wykład 6_33
Tranzystor bipolarny
Symbole tranzystora bipolarnego
C C
C C
n
p
B B
B B
p
n
=
=
n
p
E E
E E
typ p - n - p
typ n - p - n
Wykład 6_34
Tranzystor bipolarny
Stabilizowany zasilacz stałoprądowy
+
uC
u
u
stabilizator
- u1
p
2
-
+
Najprostszy
Potrzebujemy:
filtr
1. regulowanego elementu
Stabilizator
(TRANZYSTORA)
regulowanego poprzez sygnał
błędu:
R0 napięcie wyjściowe <= napięcie
wzorcowe
2. z
ródła napięcia wzorcowego
np. dioda Zenera
Element regulacyjny: TRANZYSTOR
t
Wykład 6_35
Tranzystor bipolarny
Nasz pierwszy układ elektroniczny zbudowany z użyciem tranzystora
Stabilizowany zasilacz stałoprądowy
stabilizator
+
+
-
uBE
uC
up
u2
u1
R
uZ
-
-
+
Najprostszy filtr
Wykład 6_36
Tranzystor bipolarny
Nasz pierwszy układ elektroniczny zbudowany z użyciem tranzystora
u
u1
uBE
u1
u2
R
uZ
u2
t
Napięcie błędu uZ  u2 = UBE steruje prądem tranzystora!
Napięcie u2 nie zależy od u1 oraz od prądu obciążenia
Wykład 6_37
Tranzystor bipolarny
Do zapamiętania:
Dla prawidłowo spolaryzowanego tranzystora w układzie liniowym:
UBE ~ 0.7 V ( dla Si)
a napięcie UCE ~ kilka- kilkaset V (zależnie od typu)
Więcej informacji w internecie np.
l
http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/bipolarne.htm