Półprzewodniki samoistne: półprzewodniki niemające dodatkowych poziomów energetycznych w paśmie zabronionym. Nie mają one w swej strukturze atomów obcych pierwiastków a więc posiadają idealną sieć krystaliczną. Półprzewodniki niesamoistne: półprzewodnik, do którego celowo dodano domieszki w postaci innego pierwiastka. Półprzewodnik typu n uzyskuje się poprzez dodanie do mieszek innego pierwiastka pięciowartościowego. Piąte elektrony walencyjne tych atomów nie biorą udziału we wiązaniach i są słabo związane z jądrem. Liczba elektronów n w paśmie przewodnictwa jest znacznie większa niż liczba dziur p w paśmie podstawowym n ≫ p. Dlatego elektrony nazywamy tu nośnikami większościowymi, zaś dziury mniejszościowymi. Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych. Dziury nazywamy tu nośnikami większościowymi zaś elektrony nośnikami mniejszościowymi p ≫ n. Prądem dyfuzyjnym nazywamy przepływ nośników większościowych. Prądem unoszenia nazywamy przepływ nośników mniejszościowych, a jego zwrot jest przeciwny do prądu dyfuzyjnego. Rezystywność półprzewodnika może się zmieniać pod wpływem czynników zewnętrznych: temperatury; wprowadzenia dodatkowych nośników; promieniowania świetlnego; zewnętrznego pola magnetycznego. Szumy cieplne są wywołane ciągłym, bezwładnym ruchem nośników ładunku pod wpływem temperatury. Szumy strukturalne są następstwem zjawisk powierzchownych w półprzewodniku na skutek nieciągłości sieci krystalicznej na powierzchni półprzewodnika powstają tzw. Energetyczne straty powierzchniowe. Dziura elektronowa: jest to brak elektronów w paśmie walencyjnym. Elektron swobodny: są to elektrony, które chwilowo nie są częścią żadnego atomu tzn. nie krążą po orbicie żadnego jądra elektronowego. Złącze nazywa się atomowo ścisły styk dwóch kryształów ciała stałego. Odległość między stykającymi się obszarami jest porównywalna z odległościami między atomami w kryształach. Najczęściej spotykamy złącza: p-n; L-h; p⁺-p; n⁺-n. Złącze p-n stanowi warstwę przejściową między obszarem półprzewodnika p i półprzewodnika typu n. w obszarach przyłączowych powstaje podwójna warstwa nieskompresowanych ładunków: a) w półprzewodniku n jony dodatnie, b) w półprzewodniku p jony ujemne. Obszarem ładunku przestrzennego nazywamy także warstwą zaporową lub obszarem zubożonym, gdyż w obszarze tym nie ma praktycznie nośników większościowych. Ładunek jonów nieruchomych wytwarza pole elektryczne. Pole to opisuje różnicę potencjałów. Jest to napięcie dyfuzyjne U_D lub bariera potencjału. W temperaturze pokojowej napięcie U_D dla krzemu wynosi około 0.7 V zaś dla złączy germanowych około 0.3V. Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia: stan ten występuje kiedy do obszaru p jest dołączony biegun dodatni źródła zasilania a do obszaru n ujemny. Maleje szerokość warstwy zaporowej, gdyż od strony doprowadzeń napływają nowe nośniki większościowe. Polaryzacja w kierunku zaporowym: napięcie zewnętrzne ma kierunek zgodny z kierunkiem napięcia dyfuzyjnego U_D, następuje więc dalszy odpływ swobodnych nośników z obszaru otaczającego warstwę zaporową. Przejściami tunelowymi nazywamy przejścia z pasma podstawowego do przewodnictwa. Prądem Zenera nazywamy gwałtowny wzrost liczby nośników swobodnych. Napięciem Zenera nazywamy napięcie, przy którym następuje gwałtowny wzrost prądu. Dioda półprzewodnikowa: zasadniczą częścią większości diod jest złącze p-n. Występuje kilka różnych typów diod, które różnią się między sobą wartością parametrów podstawowych, budową, charakterystyką prądowo- napięciową oraz zastosowaniem. Dioda ostrzowa: obecnie coraz częściej produkowana, wykonana przez wtopienie elektryczne ostrza metalowego do półprzewodnika typu n. W procesie wtapiania ostrza powstaje niewielki obszar typu p. Diody te mają bardzo małą pojemność dlatego pracują w układach wielkiej częstotliwości. Ich wadą jest niewielki prąd znamionowy. Diody prostownicze: używane głównie w układach prostowniczych przekształcających prąd zmienny na jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Ponieważ przez tego typu diody płyną na ogół duże prądy w kierunku przewodzenia, dlatego jest ona najczęściej diodą warstwową. Diody uniwersalne: stosuje się głównie w układach detekcyjnych, prostowniczych małej mocy i w ogranicznikach. Diody te charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć i prądów a częstotliwość ich pracy nie przekracza kilkudziesięciu MHz. Diody impulsowe: są przeznaczone do przełączania napięć i prądów oraz do formowania impulsów elektrycznych. Spełniają one funkcję kluczy elektronicznych. Z tego powodu powinny mieć bardzo małą rezystancję w kierunku przewodzenia oraz bardzo dużą w kierunku zaporowym. Czas przełączania tych diod jest mniejszy niż 1ns. Diody pojemnościowe wykorzystują zmiany pojemności złącza p-n pod wpływem napięcia. Diody tunelowe wykonane są z krzemu, arsenu, galu, antymonu oraz niezbyt często z germanu. Istotnymi parametrami są: punkt szczytu; punkt doliny; rezystancja dynamiczna. Tranzystor bipolarny BJT stanowi połączenie dwóch półprzewodnikowych złączy p-n wytworzonych na jednej płytce półprzewodnika. W ten sposób procesy zachodzące na jednym złączu oddziałują na drugie. Możliwe jest dwojakie uszeregowanie obszarów o różnym typie półprzewodnictwa: n-p-n i p-n-p. Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczona w plastikowej, ceramicznej lub metalowej obudowie. W tranzystorach średniej i dużej mocy obudowa umożliwia skuteczne odprowadzanie ciepła. Zasada działania tranzystora bipolarnego BJT: przez złącze B_E tranzystora n-p-n przepływają nośniki większościowe, w tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera do bazy. Również dziury z obszaru bazy przepływają _przez złącze do emitera. Mniejsza część elektronów po osiągnięci obszaru bazy wypełniają istniejące tam dziury, czyli podlegają tzw. Procesowi rekombinacji. Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze bazy jest przyciągana przez kolektor. Kolektor posiada wyższy potencjał od bazy i elektrony przepływają przez złącze BC spolaryzowane zaporowo. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera I_E który rozdziela się na mały prąd bazy I_B i duży prąd kolektor I_C. Właściwości tranzystora opisują rodziny jego charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne. Charakterystyki statyczne: wyjściowe; wejściowe; przejściowe; sprzężenia zwrotnego. Korzystając z prawa Kirchhoffa możemy wywnioskować następującą zależność U_CE = U_CB + U_EB; I_E = I_B + I_C. Charakterystyki wyjściowe przedstawiają związek między prądem kolektora I_C i napięciem kolektor-emiter U_CE. Przebiegi ich zależą od prądu bazy I_B, który jest parametrem rodziny krzywych. Zakres aktywny: w tym zakresie dla tranzystora idealnego prąd kolektora I_C zależy tylko od prądu bazy I_B. Krzywe napięć powinny być równoległe do osi x. W zakresie aktywnym tranzystor ma właściwości wzmacniające, gdyż prąd kolektora I_C jest większy od prądu bazy I_B. w stanie aktywnym prąd kolektora I_C w niewielkim stopniu zależy od napięcia U_CE w dużym zakresie jego zmian. W układzie ze wspólnym emiterem (WE) definiuje się wielkosygnałowy współczynnik wzmacniania prądowego. Dla małych przyrostów prądów stosuje się małosygnałowy współczynnik wzmacniania prądowego. Rezystancja wyjściowa: stosunek niewielkich zmian napięcia kolektor-emiter ∆U_CE i niewielkich zmian prądu kolektora ∆I_C. W stanie aktywnym rezystancja ta ma bardzo dużą wartość od 10kΩ do 1MΩ. W zakresie nasycenia obydwa złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku przewodzenia. W tym stanie napięcie U_CE wynosi od 0,2V do kilku woltów. W stanie nieprzewodzenia (odcięcia) obydwa złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku wstecznym. Stan ten odpowiada zwarciu na zaciskach kolektor-emiter. Płynący prąd jest bardzo mały. Granice między zakresami aktywnym a odcięcia stanowi prąd zerowy I_CE0. Tranzystory unipolarne- polowe: stanowią grupę kilku rodzajów elementów. Ich wspólną cechą jest oddziaływanie pola elektrycznego na rezystancję półprzewodnika lub na rezystancją cienkiej warstwy nieprzewodzącej. Tranzystory polowe są sterowane napięciowo i teoretycznie można ni i sterować bez zużycia mocy. Wszystkie typy tranzystorów polowych mogą mieć kanał typu n lub typu p. Gdy tranzystor pracuje w układzie wzmacniacza, wówczas wykorzystujemy zakres nasycenia. Do grupy tranzystorów unipolarnych należą: tranzystory polowe złączowe JFET; tranzystory polowe z izolowaną bramką, z których najczęściej wykorzystuje się struktury metal-tlenek-półprzewodnik MOSFET; tranzystory polowe cienkowarstwowe TFT. Tranzystory złączowe JFET: tranzystor taki składa się z warstwy półprzewodnika typu n lub typu p. warstwa ta tworzy kanał. W obszar kanału wprowadza się domieszki dające obszary przeciwnego typu niż kanał. Wprowadzenia zewnętrzne tych obszarów nazywa się bramką. Między kanałem a bramką tworzy się złącze p-n. tranzystor unipolarny ma trzy elektrody: źródło S, jest elektrodą z której wypływają nośniki ładunku do kanału; dren D; bramka G, jest elektrodą sterującą przepływem ładunku. Zasada działania tranzystora unipolarnego: źródło i dren są tak spolaryzowane by zapewnić przepływ nośników większościowych ze źródła w kierunku drenu. W tranzystorze z kanałem typu p od źródła do drenu przepływają dziury elektronowe a w tranzystorze z kanałem typu n przepływają elektrony. Złącze bramka-kanał w obu typach tranzystorów powinno być spolaryzowane w kierunku wstecznym. W takim przypadku w okolicach złącza p-n powstaje obszar ładunku przestrzennego pozbawionego nośników ruchomych. Warstwa zaporowa ma bardzo dużą rezystancję powoduje, więc zmniejszenie czynnego przekroju kanału, przez który przepływa prąd. Sterowanie przepływem prądu zachodzi w skutek zmian pola elektrycznego (napięcia) co jest nazwane efektem polowym. Charakterystyki przejściowe zależą od temperatury. Krzywe przy różnych wartościach temperatury przecinają się w jednym punkcie. Charakterystyka wyjściowa przedstawia zależność między prądem drenu I_D i napięciem dren-żródło U_DS ( przy stałym napięciu sterowania U_GS). Tranzystory MOSFET z izolowaną bramką: bramka jest oddzielona od kanału cienką warstwą tlenku krzemu. Dzięki odizolowaniu bramki od kanału teoretycznie nie płynie przez nią prąd. Maksymalny prąd bramki jest rzędu10pA. Obszar drenu i źródła pokryte są warstwami metalicznymi. Powierzchnia półprzewodnika pomiędzy drenem a źródłem pokryta jest cienką warstwą dielektryka ( krzemu). Elektrodę metalowa nad powierzchnią dielektryka nazywa się bramką G. Najczęściej podłoże b w tranzystorach MOSFET jest fabrycznie połączone ze źródłem S i nie jest wyprowadzone osobną elektrodą na zewnątrz obudowy. Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem n: A) stan pracy zubożenia (zatkania): występuje on gdy do bramki przyłączymy napięcie ujemne w stosunku do położenia. Wówczas nośniki większościowe, czyli dziury podłoża są przyciągane do bramki. Pomiędzy obszarami źródła i drenu brakuje wówczas elektronów, czyli nośników większościowych tych obszarów. Nagromadzenie dziur między źródłem a drenem uniemożliwia przewodzenie prądu. B)stan przewodzenia: gdy do bramki doprowadzi się napięcie dodatnie w stosunku do położenia, wówczas nośniki mniejszościowe podłoża są przyciągane w kierunku bramki. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia tzn. napięcia progowego U_T przy bramce powstaje obszar typu n na skutek nagromadzenia elektronów. Ten powstały obszar stanowi kanał między źródłem a drenem. Przy polaryzacji D i S jest możliwy przepływ prądu. Tranzystor zubożony a wzbogacony: A) w tranzystorze zubożonym w okolicach bramki nie istnieje żaden obszar nośników tego typu, co dren i źródło. Powstaje to na skutek polaryzacji bramki względem podłoża. B) w tranzystorze wzbogaconym między drenem a źródłem istnieje wbudowana niewielka warstwa nośników większościowych drenu i źródła. Przy braku polaryzacji bramki względem podłoża może płynąć jakiś pośredni prąd pomiędzy stanem przewodzenia a zatkania. Działanie tyrystora można prześledzić korzystając z modelu dwutranzystorowego. Napięcie sterujące przykładamy między elektrody G i K (U_GK). Napięcie zewnętrzne U_AK polaryzuje złącza tranzystorów wewnętrznych. Stany pracy tyrystora: A) wsteczny ( zaworowy)- występuje przy ujemnej polaryzacji anody względem katody. W obwodzie anoda-katoda płynie mały prąd wsteczny rzędu mikroamperów. W miarę zwiększania napięcia U_AK przy pewnej jego wartości U_BR następuje przebicie wsteczne tranzystora i jego trwałe uszkodzenie. B) blokowania- występuje przy polaryzacji anody napięciem dodatnim względem katody. Jeżeli napięcie sterujące U_GK jest mniejsze niż napięcie progowe złącza baza-emiter tranzystora T₂, to złącze to również nie przewodzi. W obwodzie anoda-katoda płynie prąd o wartości zbliżonej do prądu wstecznego. Stan ten nazywa się stanem stabilnym blokowania. C) stan przewodzenia- załączenie tranzystora odbywa się na dwa sposoby: przez zwiększenie napięcia U_AK w kierunku przewodzenia i osiągnięciu przez tranzystor T₁ i T₂ stanu nasycenia; przez załączenie tranzystora T₂ impulsem prądowym bramki G przy polaryzacji tranzystora w kierunku przewodzenia. Załączony tyrystor znajduje się w stanie przewodzenia. Może być wyłączony przez spadek prądu tyrystora poniżej tzw. Prądu podtrzymania I_H lub zmiany polaryzacji jak przy stanie wstecznym. W praktyce najczęściej załączenie tyrystora odbywa się impulsem prądowym bramki, zaś wyłączenie tyrystora odbywa się zazwyczaj przez zmianę polaryzacji. Dioda spustowa- diak: jest to element dwuzaciskowy dwukierunkowy tzn. działa tak samo niezależnie od polaryzacji. Załączenie odbywa się przez przekroczenie progu napięciowego, który jest wyraźnie podany dla każdego elementu. Diaki wykorzystuje się do wytwarzania impulsów załączających tyrystory, a w układach sterujących spełniają one funkcje szybkich przełączników reagujących na wartość chwilową napięcia. Tranzystor IGBT: jest to tranzystor bipolarny z izolowana bramką. Ten półprzewodnikowy przyrząd mocy ( PPM ). Używany jest w przekształtnikach energoelektronicznych o mocach do kilkuset watów. Łączy zalety dwóch typów tranzystorów: łatwość sterowania tranzystorów unipolarnych i wysokie napięcie przebicia oraz szybkość przełączania tranzystorów bipolarnych. Umożliwia załączenie prądów do 1kA i blokowanie napięć do 6kV. Tyrystor wyłączalny GTO: jest elementem który może być załączany dodatnim ( wpływającym ) impulsem prądowym bramki G, zaś wyłączany ujemnym ( wypływającym ) impulsem prądowym bramki.