ELEMENTY PÓA
PRZEWODNIKOWE
Obecnie prawie wszystkie urządzenia elektroniczne zawierają znaczną
liczbę elementów półprzewodnikowych.
Konduktywność:
10-18 10-8 10-1 105 107 108
izolatory półprzewodniki
przewodniki
Ponadto konduktywność półprzewodników zależy silnie od temperatury,
oświetlenia, naprężeń mechanicznych i innych czynników. Wykorzystuje
się to do budowy półprzewodnikowych czujników pomiarowych, w
większości przypadków stanowi to wadę elementów.
Podstawowym materiałem do produkcji elementów półprzewodnikowych
jest krzem w postaci krystalicznej.
Mechanizm przewodzenia w półprzewodniku można w uproszczeniu
wyjaśnić w oparciu o model atomu opracowany przez Nielsa Bohra z
póz
niejszymi modyfikacjami.
Pasma energetyczne
atomu półprzewodnika
Większość elektronów w atomie krzemu zajmuje niższe poziomy
energetyczne (bliżej jądra), cztery tzw. elektrony walencyjne zajmują
pasmo podstawowe; uczestniczą one w wiązaniach międzyatomowych.
Elektron walencyjny może przemieścić się do pasma przewodnictwa, jeżeli
dostarczone mu zostanie energia (np. przez podgrzanie półprzewodnika).
Elektron który znalazł się w pasmie przewodnictwa porusza się jak
swobodny nośnik ładunku w całej objętości kryształu (jak w przewodniku).
Niedobór elektronu w wiązaniu międzyatomowym (nieskompensowany
ładunek dodatni zwany  dziurą ) może powodować przejście do tego
miejsca elektronu walencyjnego z sąsiedniego wiązania czyli
przemieszczenie się dodatniej  dziury . Zerwanie każdego wiązania
międzyatomowego tworzy parę nośników ładunku: swobodny elektron i
 dziurę  tzw. generacja pary nośników. Przy spotkaniu elektronu i dziury
elektron może uzupełnić uszkodzone wiązanie  tzw. rekombinacja
nośników.
Koncentracja swobodnych elektronów n i koncentracja dziur p w czystym
krzemie są sobie równe.
Domieszkowanie:
Wprowadzając celowo do kryształu krzemu atomy pierwiastków o 3
elektronach walencyjnych (akceptory; np. ind, gal) doprowadzamy do
braku 1 elektronu walencyjnego w wiązaniach międzyatomowych  przy
niewielkiej dawce energii powstaje  dziura .
Wprowadzając atomy pierwiastków o 5 elektronach walencyjnych (donory;
np. arsen, antymon) doprowadzamy do nadmiaru 1 elektronu walencyj-
nego w wiązaniach międzyatomowych  przy niewielkiej dawce energii
może on przejść do pasma przewodnictwa  powstaje swobodny elektron.
Półprzewodnik typu n  koncentracja swobodnych elektronów większa od
koncentracji dziur (np. domieszkowany donorowo)
Półprzewodnik typu p  koncentracja dziur większa od koncentracji
swobodnych elektronów (np. domieszkowany akceptorowo)
Złącze pn
Jeżeli w płytce półprzewodnika umieszczone są obok siebie obszary typu n
oraz typu p, powstaje tzw. złącze pn.
Wskutek dyfuzji nośników ładunku przez złącze (prąd dyfuzji), wytwarza
się nadmiar ładunku dodatniego (jonowego) po stronie n oraz nadmiar
ładunku ujemnego (jonowego) po stronie p; tworzy się bariera potencjału.
Wytworzone pole elektryczne (efekt podobny do tego, jaki powstaje między
okładzinami kondensatora) przeciwdziała zjawisku dyfuzji.
Wytworzone pole wywołuje ruch nośników mniejszościowych w kierunku
przeciwnym (prąd unoszenia).
Napięcie bariery potencjału Uj zależy od koncentracji domieszek. W
praktyce typowa wartość dla krzemowych złączy pn wynosi poniżej 1 V.
Obszar w środkowej strefie, pozbawiony swobodnych nośników w wyniku
dyfuzji i rekombinacji nośników nazywamy warstwą zaporową.
Dołączenie zewnętrznego z
ródła napięcia czyli polaryzacja złącza pn w
kierunku przewodzenia  biegun dodatni z
ródła połączony z obszarem p,
zaś biegun ujemny z
ródła połączony z obszarem n powoduje osłabienie
pola wewnętrznego i zwężenie warstwy zaporowej; dla Uz
r H" Uj bariera
potencjału i warstwa zaporowa zanikają całkowicie. Ponownie narasta
prąd dyfuzyjny uzależniony od nośników większościowych. Prąd może
osiągnąć duże wartości przy niewielkim spadku napięcia na złączu pn;
nazywamy go prądem przewodzenia. Obszar n nazywamy katodą, obszar p
 anodą.
Dołączenie zewnętrznego z
ródła napięcia czyli polaryzacja złącza pn w
kierunku wstecznym (zaporowym)  biegun dodatni z
ródła połączony z
obszarem n, zaś biegun ujemny z
ródła połączony z obszarem p powoduje
wzmocnienie pola wewnętrznego i poszerzenie warstwy zaporowej przez
odprowadzanie nośników większościowych ze strefy granicznej. Maleje
prąd dyfuzyjny, uzależniony od nośników większościowych. Wypadkowy
prąd ma charakter prądu unoszenia, jest zależny od ruchu nośników
mniejszościowych  są to głównie ruchy cieplne, stąd prąd prawie nie zależy
od napięcia. Prąd ten nazywamy prądem wstecznym złącza pn.
Charakterystyka prądowo-napięciowa
złącza pn:
U
�# ś#
ś# ź#
I = IS ś#eVT - 1ź#
ś# ź#
�# #
IS  prąd nasycenia, VT  potencjał
elektrokinetyczny (26 mV przy 300K)
Przy zbyt dużej wartości prądu w kierunku przewodzenia następuje
cieplne uszkodzenie złącza, przy zbyt dużej wartości napięcia w
kierunku wstecznym następuje zjawisko przebicia złącza.
Przebicie lawinowe  przy silnym polu elektrycznym elektrony przy
zderzeniu z atomami półprzewodnika mogą powodować ich jonizację
(uwolnienie kolejnej pary nośników)  zwiększa się prąd unoszenia.
Grubość warstwy zaporowej musi być duża - długość drogi elektronów i
liczba nośników; przebicie występuje przy wyższych napięciach (dla
złączy krzemowych powyżej 7 V).
Przebicie Zenera  wyrywanie elektronów z wiązań międzyatomowych
przy dużych siłach pola elektrycznego (zatem duże natężenie pola
elektrycznego, ale mała grubość warstwy ładunków jonowych  brak
lawinowego wzrostu liczby ładunków). Przebicie tego typu występuje przy
niższych napięciach (dla złączy krzemowych poniżej 5 V).
Wpływ temperatury na złącze pn:
Przy wzroście temperatury:
- maleje bariera potencjału i spadek napięcia w stanie przewodzenia,
- rośnie wsteczny prąd nasycenia,
- napięcie przebicia Zenera maleje, napięcie przebicia lawinowego wzrasta.
Złącze pn jest wykorzystywane w diodach półprzewodnikowych.
Przedstawiona zasada działania złącza i jego charakterystyka opisują
diodę prostowniczą.
Złącze ms
Jest to złącze metalu z półprzewodnikiem (np. pokrycie powierzchni
krzemu warstwą metalu metodą napylania). Właściwości elektryczne
złącza zależą od doboru złączonych materiałów - może się zachowywać jak
rezystancja (kontakt omowy) lub jak złącze pn (złącze prostujące - tzw.
złącze Schottky ego). Teoria działania złącza ms opiera się na różnicy
pracy wyjścia złączonych materiałów (energii koniecznej do odłączenia
elektronu od atomu i przeniesienia go do poziomu energetycznego próżni).
+

        +

+
         

+
       


+
       

+


       

+
+ 
        
+

kontakt omowy złącze Schottky ego
Diody
Oparte na wykorzystaniu własności złącza pn lub ms. Charakteryzują się
nieliniową charakterystyką prądowo-napięciową.
Dioda prostownicza
Wykorzystywana do budowy prostowników  układów przekształcają-
cych prąd przemienny na prąd jednokierunkowy.
Symbol:
I
anoda katoda
U
Parametry graniczne:
- prąd przewodzenia (do 10kA),
- napięcie wsteczne (do kilku kV),
- temperatura złącza (do 180�C);
w praktyce częściej temp. obudowy
Diody lub moduły diodowe o prądach przewodzenia rzędu kilkunastu i
więcej amperów wykonywane są w obudowach umożliwiających przymoco-
wanie radiatora (do odprowadzania ciepła).
Własności dynamiczne diody:
Przebiegi prądu i napięcia przy wyłączaniu diody
Czas odzyskiwania zdolności zaworowej trr dla diod prostowniczych jest
rzędu od kilku do kilkudziesięciu �s. Zjawisko chwilowego przewodzenia
dużego prądu w kierunku wstecznym wynika z konieczności odprowadze-
nia ładunku dyfuzyjnego Qrr z obszaru złącza  ładunek zgromadzony w
złączu podczas przewodzenia (efekt rozładowania kondensatora).
Prostowniki
Prostownik jednopulsowy
obc
obc
1
(jednopołówkowy):
Jeżeli napięcie na wejściu prostownika wynosi:
u1(t) = U1m �" sin(�t)
to na rezystancji obciążenia otrzymamy napięcie wyrażone przybliżoną
zależnością:
uobc(t) = U1m �" sin(�t)- 0,7 dla 2kĄ < �t < (2k + 1)Ą
uobc(t) = 0 dla (2k + 1)Ą < �t < (2k + 2 )Ą
Wartość średnia napięcia  przy pominięciu spadku napięcia na diodzie
podczas przewodzenia równego ok. 0,7 V (dopuszczalne przy napięciach
wyprostowanych powyżej kilkunastu woltów)  wyniesie:
Ą
1 U1m
Uobc( AV ) =
+"U �" sin(�t) d�t =
1m
2Ą Ą
0
Tętnienia napięcia obciążenia są duże - w przybliżeniu równe amplitudzie
napięcia wejściowego u1(t). Dla ich zmniejszenia (wygładzenia przebiegu
napięcia wyprostowanego) stosuje się kondensatory elektrolityczne o
dużej pojemności. Dobór pojemności kondensatora uzależniony jest od
prądu obciążenia; przy braku obciążenia napięcie na kondensatorze
będzie praktycznie stałe i równe amplitudzie napięcia wejściowego.
Prostownik dwupulsowy
(dwupołówkowy):
Przebiegi napięć bez dołą-
czonego kondensatora C:
Wartość średnia napięcia  przy pominięciu spadku napięcia na diodach
(ok. 1,4V)  wyniesie:
2�"U1m
Uobc( AV ) =
Ą
Przebiegi napięć z dołączonym kondensatorem C:
Prostowniki mostkowe w układzie Graetz a są z reguły produkowane
jako gotowe moduły scalone (w 1 obudowie).
W układach trójfazowych stosuje się najczęściej również układy
mostkowe (6-cio diodowe), dające prostownik sześciopulsowy.
Główną zaletą prostowników o większej liczbie pulsów jest wyższa
wartość średnia napięcia wyprostowanego i mniejsze tętnienia napięcia.
Prostownik sześciopulsowy
(zasilanie 3-fazowe)
Przebiegi napięć bez dołączonego kondensatora C:
W prostownikach zasilanych napięciem o częstotliwości sieciowej (50 Hz)
lub zbliżonej, własności dynamiczne diod prostowniczych  czas trr i
chwilowy przepływ prądu w kierunku wstecznym nie jest istotny (czas ten
jest pomijalnie mały w stosunku do okresu napięcia wejściowego i
wyprostowanego).
Przy prostowaniu napięć o wysokich częstotliwościach i w układach o
dużych szybkościach zmian prądu konieczne są diody o krótkim czasie trr
(tzw. diody szybkie). Najczęściej stosuje się wówczas diody Schottky ego
(złącze ms).