4. Co to jest półprzewodnik samoistny i domieszkowany

Półprzewodnik samoistny - półprzewodnik czysty , nie zawierający żadnych zanieczyszczeń (domieszek).W półprzewodniku takim znajdującym się w temperaturze różnej od 0 K, należy oczekiwać pojawienia się swobodnych nośników ładunku, gdyż niektóre elektrony z pasma podstawowego mogą zyskać energię termiczną umożliwiającą przejście do pasma przewodnictwa. Pod wpływem wzrostu temperatury pojawiają się elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie podstawowym - jest to proces generacji termicznej par elektron-dziura. Jednocześnie występuje zjawisko odwrotne - „wyłapywanie” elektronów przez dziury, tzw. rekombinacja. . Półprzewodnik samoistny nie ma dodatkowych poziomów energetycznych w paśmie zabronionym.

Półprzewodnik domieszkowany - powstaje poprzez wprowadzenie atomów innych pierwiastków do przewodnika (domieszkowanie). Rozróżniamy domieszki:

akceptorowe (III-wartościowe : bor, gal, glin), dająca dodatkowe dziury

donorowe (V-wartościowe : fosfor, arsen, antymon), dająca dodatkowe elektrony

Wprowadzenie domieszki powoduje generację pary ruchomy nośnik - nieruchomy jon, oraz generację termiczną par nośników samoistnych. Występuje też rekombinacja.

5. Co wiesz na temat koncentracji nośników samoistnych, mniejszościowych i większościowych w materiale półprzewodnikowym.

Koncentracja nośników samoistnych n_i to ilość nośników generowanych termicznie w jednostce objętości.

W danej temperaturze, z dwóch różnych półprzewodników w półprzewodniku o mniejszej wartości szerokości przerwy energetycznej, wartość koncentracji samoistnej n_i jest większa. Koncentracja bardzo silnie rośnie przy wzroście temperatury.

W półprzewodniku silnie domieszkowanym typu n nośnikami większościowymi są elektrony,

W półprzewodniku silnie domieszkowanym typu p nośnikami większościowymi są dziury,

7. Omów temperaturowe zależności konduktywności materiału półprzewodnikowego.

Konduktywność półprzewodnika samoistnego opisuje wzór:

We wzorze tym od temperatury zależy koncentracja samoistna n_i oraz ruchliwość  ( ~ T^-3/2). Rośnie ona exponencjalnie przy wzroście temperatury, praktycznie identycznie jak n_i , gdyż czynnik potęgowy T^3/2 w funkcji n_i (T) jest znacznie mniej istotny niż czynnik wykładniczy. Temperaturowy współczynnik względnych zmian konduktywności krzemu samoistnego wyraża się wzorem:

Konduktywność półprzewodnika silnie domieszkowanego wyraża się zależnością:

We wzorze tym od temperatury zależy tylko ruchliwość  ( ~ T^-3/2). Konduktywność materiału silnie domieszkowanego maleje, przy wzroście temperatury, lecz wyraża się zależnością potęgową, znacznie słabszą od zależności wykładniczej dla materiału samoistnego.

12. Zdefiniować pojęcia: pojemność złączowa, pojemność dyfuzyjna złącza.

Poj. dyfuzyjna - C_d - reprezentuje zależność nośników mniejszościowych na brzegu obszarów neutralnych od wielkości napięcia na złączu

czyli Cd ~ i - prąd dyfuzyjny

τ - czasu przelotu nośników mniejszościowych przez bazę złącza

czyli C_d ~ Io - istnieje praktycznie dla kierunków przewodzenia

Poj. złączowa - jest związana z ładunkiem nie skompresowanych jonów domieszek domieszek obszarze opóźnionym złączu. Formalnie można przypisać tej wartości pojemność identyczną jak dla kondensatora płaskiego o odległości między okładkami różnej d.

14. Omówić wpływ temperatury na właściwości diody

- charakterystyka wsteczna

β_Z<0 - ef. Zenera; βZ>0 - ef. Lawinowy; βZ≈0 - dla u = 4÷6V

≈8%K^-1

≈16%k^-

- kierunek przewodzenia

Dopuszczalna temperatura złącza:

15. Omówić zakresy i konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego (BJT).

Zakresy pracy:

aktywny normalny - złącze emiterowe spolaryzowane przewodząco, a kolektorowe zaporowo

nasycenia - E i C przewodząco

odcięcia - oba zaporowo

aktywny inwersyjny - E zaporowo C przewodzaco

Konfiguracje pracy jednoznacznie definiują sposób połączenia końcówek z układami zewnętrznymi: wejściowym (sterującym) i wyjściowym (sterowanym). W nazwie konfiguracji jest informacja o końcówce wspólnej dla wejścia i wyjścia. Znaki napięć są określone przez typ tranzystora (npn, pnp).(WB WC WE)

21. Co to jest tranzystor rzeczywisty?

W tranzystorze rzeczywistym uwzględnia się wpływ zjawisk drugorzędnych, nieuwzględnionych w analizie tranzystora idealnego.

Rezystancje szeregowe.Rezystywność obszarów neutralnych powoduje powstanie rezystancji szeregowych (rozproszonych), które występują między końcówkami tranzystora idealnego a rzeczywistego.

Największe znaczenie ma rezystancja szeregowa bazy r_b , która zależy od szerokości bazy. Im mniejsza szerokość bazy tym większa rezystancja. Nie jest liniowa. Wartości zawierają się w rzędzie od kilkunastu - kilkuset  .

Rezystancja szeregowa kolektora (r_c) Wartości są rzędu kilku  .

Rezystancja szeregowa emitera przyjmuje najmniejsze wartości gdyż jest to obszar silnie domieszkowany o niewielkiej grubości. Wartość jest rzędu ułamka  .

Małe gęstości prądu.

Występuje zjawisko rekombinacji w złaczu przewodzącym ( złącze E-B - jak takie piwko).

Duże gęstości prądu.

Przy wzroście prądu kolektora w zakresie dużych prądów maleje współczynnik  oraz częstotliwość f_T - właściwości użytkowe stają się gorsze. Występuje :

- modulacja konduktywności bazy

- rozszerzanie bazy (efekt Kirke'a)

- quasi nasycenie

- samo-nagrzewanie

- zagęszczanie prądu emitera

Prądy zerowe.

Są to prądy płynące przez tranzystor włączony w układzie dwójnika, tzn. przy polaryzacji 2 końcówek, bez oddzielnej polaryzacji końcówki 3-ej.

O - rozwarcie

S - zwarcie

R - rezystor

Przykłady:

25. Zdefiniować obszar bezpiecznej pracy BJT (SOA)

Jest to obszar wyróżniony przez dopuszczalne parametry katalogowe:

- moc admisyjna P_a

- prąd max. I_Cmax

- Prąd zerowy I_CE0

- Napięcie max. U_CE0

- Napięcie nasycenia U_CESat

26. Omówić wpływ temperatury na właściwości BJT

gdzie:

oraz:

gdzie:

Temperatura wpływa na prądy zerowe:

czyli:

oraz:

czyli dwukrotny wzrost I_CB0 przy wzroście temp o każde 10⁰C!!!

- wpływ temp. na współczynnik  (od ułamka do ok. 1 %/ K ).

- wpływ temp na napięcie przebicia

32. Omówić wpływ temperatury na charakterystyki tranzystora MOS.

Temperatura wpływa na parametr materiałowy B. Wynika to z zależności tego parametru od ruchliwości  (T). Wpływa to więc na charakterystyki wyjściowe:

Wartość  wynika z wpływu międzypowierzchni na mechanizm rozpraszania nośników.

Napięcie progowe zależy liniowo od temperatury:

W zakresie małych prądów drenu przy ustalonym napięciu u_GS prąd drenu rośnie przy wzroście temperatury, natomiast w zakresie dużych prądów - maleje. Istnieje punkt autokompresji termicznej, w którym temperatura nie wpływa na prąd drenu. Malenie prądu drenu przy wzroście temperatury widoczne dla dużych prądów, jest bardzo korzystną cechą tranzystora MOS.

Fotorezystor jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora.
Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia i jest określona zależnością:

w której: G, λ - wartości stałe zależne od materiału półprzewodnikowego i rodzaju domieszek,
E_V - natężenie oświetlenia.

Parametry fotorezystora

czułość widmowa - zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania - dobieranie ze względu na przeznaczenie fotorezystora.

rezystancja fotorezystora:

d - odstęp między elektrodami
l - szerokość elektrod
ρ -rezystywność półprzewodnika.

współczynnik n określany jako stosunek rezystancji przy danej wartości natężenia oświetlenia

R_D - rezystancja ciemna
R₅₀ - rezystancja przy natężeniu oświetleniu równym 50 lx.

Wartość rezystancji ciemnej zależy od stopnia czystości półprzewodnika. Rezystancja ciemna jest około tysiąc razy większa niż rezystancja przy oświetleniu 50 lx i zawiera się w przedziale od 10⁶ Ω do 10¹² Ω.

Na podstawie charakterystyki prądowo - napięciowej fotorezystora (rys. poniżej)dobiera się właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie napięć i prądów.

rys. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotorezystora.

Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych izolacyjne np. szklane podłoże (rys. poniżej a). Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. Elektrody te często mają kształt grzebieniowy (rys. poniżej b). Nad powierzchnią światłoczułą umieszcza się okienko i zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami, a niekiedy umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).

a) budowa, b) grzebieniowy kształt elektrod.

Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, jak również z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od materiału półprzewodnikowego zależy zakres widmowy λ_S1, λ_S2 wykrywanego promieniowania, czyli zakres długości fal, dla którego czułość fotorezystora wynosi nie mniej niż 10% czułości maksymalnej.
Wadą fotorezystora jest wrażliwość temperaturowa.

---