1. Pojęcie półprzewodnika.

2. Metal-izolator, półprzewodnik.

3. Budowa krystaliczna kryształów.

4. Domieszki w półprzewodnikach.

5-Model pasmowy półprzewodnika

7-Koncentracje nierównowagowe-Quasipoziomy Fermiego.

9-Rekombinacja powierzchniowa

11-Równanie ciągłości

13-Równanie ambipolarne

15-Złącze P-N

19-Przepływ prądy przez złącze p-n

22-Dioda prostownicza

23-Dioda Zenera:

??-Tyrystor:

24-Dioda Easakiego (tunelowa)

25-Dioda Gunna:

??-Dioda Read'a (IM PATT)

28-Efekty fotowoltaiczne:

30-Zasada działania tranzystora bipolarnego

35-Model Ebersa - Mola

38-Polowy tranzystor złączowy JFET

(char przjsciowa, wyjsciowa)

41-Model Pasmowy styku półprzew-dielektryk

42-Zasada działania tranzystora MOSFET

43-Tranzystor MOSFET

44-MOSFET z kanałem zubożałym

1. Pojęcie półprzewodnika.

Stanowią trzecią grupę ciał stałych. Jego najwyższe pasmo energetyczne zawierające elektrony tzw. pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione, przerwa energetyczna między ostaniem pasmem zapełnionym i następnym dozwolonym jest mała dzięki temu małe dawki energii związane np. ogrzewaniem, naświetlaniem wystarczają do przeniesienia elektronów z pasma walencyjnego do pasma wyższego zwanego pasmem przewodnictwa.

2. Metal-izolator, półprzewodnik.

Przewodnik (metal) charakteryzuje się tym, że najwyższe pasmo energetyczne zawierające elektrony walencyjne nie jest całkowicie obsadzone. Wobec gęstego rozmieszczenie dozwolonych poziomów energetycznych w tym paśmie małe ilości dostarczanej energii wystarczają do przeniesienia elektronu na wyższy poziom energetyczny. Energii tej może dostarczyć np. słabe pole elektryczne.

Rys

780

W izolatorach najwyższe pasmo energetyczne zawierające elektrony jest całkowicie zapełnione. Oddzielone jest od następnego dozwolonego pasma energetycznego szeroką przerwą energetyczną. Przerwa jest tak duża, że ani silne pole elektryczne, ani ogrzanie nie wystarczają do przeniesienia elektronu do wyższego pasma dozwolonego.

W bardzo silnych polach może nastąpić przejście pewnej liczby elektronów z pasma zapełnionego do wyższego (tzw. przebicie dielektryka) co umożliwia przepływ prądu elektrycznego w izolatorze.

Rys

W półprzewodniku najwyższe pasmo energetyczne zawierające elektrony tzw. pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione, przerwa energetyczna między ostaniem pasmem zapełnionym i następnym dozwolonym jest mała dzięki temu małe dawki energii związane np. ogrzewaniem, naświetlaniem wystarczają do przeniesienia elektronów z pasma walencyjnego do pasma wyższego zwanego pasmem przewodnictwa.

Rys

3. Budowa krystaliczna kryształów.

Kryształ - ciało stałe o uporządkowanej wewnętrznej budowie, w którym atomy umieszczane są w ściśle określonych punktach nazywanych węzłami sieci. W krysztale odległości między atomami są zdefiniowane i stałe wzdłuż osi krystalograficznych i nazywane są stałymi sieciowymi.

W krysztale są 2 rodzaje elektronów: 1-na stałe związane z atomem uwiązane w dołach potencjału danego atomu; 2-elektrony które stały się wspólnymi dla całego kryształu w wyniku zaniku bariery międzyatomowej.

W wyniku uwspólnienia poziomów w krysztale zaniknęła możliwość rozróżniania elektronów o tym samym stanie kwantowym pochodzących z różnych atomów. Jest to wbrew zakazowi Pauliego. Aby ten zakaz nadal był prawdziwy poziom taki zamienia się w krysztale na pasmo zamierające. N blisko siebie położonych poziomów energetycznych, gdzie N jest liczbą atomów tworzących kryształów. Na każdym takim podpoziomie w paśmie znajdują się 2 stany kwantowe różniące się liczbą kwantową s. Z punktu własności elektrycznych kryształu interesują nas tylko 2 pasma. Ostatnie jeszcze obsadzone przez elektrony nazywane pasmem walencyjnym i pierwsze puste nazywane pasmem przewodnictwa.

101

Aby mógł płynąć prąd elektryczny muszą istnieć poziomy na które przeskoczyć elektrony.

4. Domieszki w półprzewodnikach.

Defekty zmieniają własności półprzewodnika a w szczególności wprowadzają zmiany w paśmie zabronionym.

Atomy takie (obce) mogą wprowadzać poziomy donorowe i poziomy akceptorowe przy czym poziomy donorowe znajdują się blisko poziomu przewodnictwa a akceptorowe blisko pasma walencyjnego. Pozostałe defekty wprowadzają głębokie poziomy zlokalizowane daleko od obu pasm. Poziomy te pełnią funkcję poziomów pułapkowych. Poziomy donorowe dają domieszki z piątej grupy okresowych np. As. Natomiast typowymi domieszkami dającymi poziomy akceptorowe są atomy trzeciej grupy okresowej np. Ga.

Domieszki w sieci krystalicznej krzemu:

Wd-energia poziomu domieszki donorowej; Wa-energia poziomu domieszki akceptorowej; Wja=Wa-Wv-energia jonizacji akceptorów; Wjd=Wc-Wd-energia jonizacji donorów.

Jeżeli atom V grupy wbuduje się w sieć krystaliczną krzemu to jego 4 elektrony walencyjne utworzone z sąsiadami tzw. dublety tworzące wiązania krystaliczne 5-ty elektron nie uczestniczy w tych wiązaniach i dlatego jest dużo słabiej związany z atomem arsenu (As). Jego poziom energetyczny znajduje się w przerwie zabronionej blisko krawędzi pasma Wc. Dlatego już niewielka energia uzyskana od drgań sieci krystalicznej pozwali mu na przejście do pasma przewodnictwa. W efekcie pojawia się dodatkowy elektron w tym paśmie mogący swobodnie przemieszczać się w krysztale oraz zjonizowany atom As wbudowany w sieć krystaliczną. Ponieważ został on pozbawiony jednego elektronu ma on ładunek + równy ładunkowi elektron. Wbudowanie atomu Ga w sieć krystaliczną wprowadza dodatkowy poziom Wa bliski krawędzi pasma walencyjnego. Ponieważ jest on blisko pasma walencyjnego poziom ten może zostać zajęty przez dowolny elektron walencyjny który uzyska energię np. od drgań termicznych sieci .

Elektron ten stworzy z atomu Ga naładowany ujemnie jon uwięziony w sieci krystalicznej, a pozostawiony przez niego stan w paśmie walencyjnym stanie się dziurą swobodnie przemieszczającą się w krysztale.

Domieszki w półprzewodniku:

Donorowe: Nd: P, As, Sb; Akceptorowe Na: Ga, Al., B;

Bilans ładunkuL

11

n_T, p_T -koncentracja elektronów i dziur generowanych termicznie; n_d -koncentracja elektronów pochodzących z poz. donorowego; p_a -koncentracjia dziur pochodzących z poz. Akceprotowego; n+N_a=p+N_d; Typy półprzewodników:

N_a>N_d→p>n typ „p”; N_d>N_a→n>p typ „n”; N_a=N_d→p=n=n_i typu „i” (samoisty); N_d⁺,N_a^- -koncentracja zjonizowanych domieszek donorowych i akceptorowych; n_n -większościowe elektrony w półprzewodniku „n”; p_n -mniejszościowe dziury w półprzewodniku „n”.

5-Model pasmowy półprzewodnika. Półprzewodnik to izolator który ma mniejszą przerwę zabronioną. Jeżeli w materiale typu izolator przerwa energetyczna jest mała to jest możliwe że elektron przejdzie z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa w wyniku uzyskania energii ze zderzenia z drgającymi atomami sieci krystalicznej. Ponieważ energia drgań tych atomów rośnie wraz z temperaturą prawdopodobieństwo uzyskania przez elektron energii wystarczającej do przejścia do pasma przewodnictwa też rośnie z temperaturą. Tak więc ze wzrostem temperatury rośnie liczba elektronów mogących uczestniczyć w przepływie prądu. Elektrony przechodząc do pasma przewodnictwa pozostawiają puste miejsca nazwane dziurami na które mogą przemieszczać się inne elektrony pasma walencyjnego pobierając energię od pola elektrycznego a więc uczestnicząc w przepływie prądu elektrycznego. Tak więc takie elektrony pasma walencyjnego mogą uczestniczyć w przepływie prądu ale ich liczba jest ograniczona od ilości dziur czyli nieobsadzonych stanów pozostawionych przez elektrony które przeszły w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym rośnie wraz z temperaturą to rezystywność półprzewodnika wraz ze wzrostem temperatury maleje.(RYS)

W_c-energia dolnej krawędzi przewodnictwa ; W_ν-energia górnej krawędzi pasma walencyjnego ; W_g-energia przerwy zabronionej. W wyniku wejścia elektronu walencyjnego z wiązania i przejścia do pasma przewodnictwa w punkcie w którym on uczestniczył w wiązaniu atomowym powstaje lokalny nadmiar ładunku dodatniego równy co do wartości ładunkowi jednego elektronu. Dziura może swobodnie przemieszczać się w krysztale w wyniku kolektywnego ruchu elektronów walencyjnych przeskakujących z miejsca gdzie aktualnie znajduje się dziura. Tak więc przeskok dziury z jednego wiązania do drugiego jest równoważny przesunięciu masy elektronu w drugą stronę. Oznacza to że z ruchem dziury w krysztale związane jest przemieszczanie się ładunków elektronu ale o znaku dodatnim oraz przemieszczenie się masy równej masie elektronu.(Rys)

Jeżeli elektron znajduje się w krysztale w którym pojawi się pole elektryczn to działając siła elektrostatyczną F=g*E spowoduje przemieszczenie się tego elektronu w krysztale. Elektron ten będzie w tej sytuacji przemieszczać się w pewnym polu potencjalnym wytworzonym przez dodatnie jądra atomów tworząc kryształ. Pole to będzie także oddziaływało na elektron siłami elektrostatycznymi. Ponieważ to wewnętrzne pole potencjalne nie jest nam dokładnie znane chcąc opisać przemieszczanie się elektronu wywołane zewnętrznym polem elektrycznym zakładamy że w krysztale nie ma żadnego wbudowanego pola potencjalnego a zakłócenie wywołane przez pole ruchu pewną masą efektywną elektronu w miejsce jego rzeczywistej masy spoczynkowej. Ponieważ elektrony z pasma walencyjnego i przewodnictwa inaczej oddziaływują z tym polem inna jest masa efektywna elektronu pasma przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym.

7-Koncentracje nierównowagowe-Quasipoziomy Fermiego. ; n=n₀+Δn=N_cexp(-W_c-W_F/kT)+Δn= N_cexp(-W_c-W_FC/kT) ; p=p₀+Δp=N_rexp(-W_F-W_ν/kT)+Δp= N_rexp(-W_Fn-W_ν/kT)+Δp. (Rys) W półprzewodniku „n” W_FC-W_F<<W_F-W_Fn; W modelu pasmowym półprzewodnika w stanie nierównowagi obowiązuje zasada ze odsunięciu poziomów quasi Fermiego dla nośników większościowych jest znacznie mniejsza niż odsunięcie się poziomów Fermiego dla nośników miejszościowych(RYS)

Z uwagi na to że quasi poziom Fermiego dla nośników większościowych niewiele rózni się od poziomu Fermiego często przyjmuje się ze te poziomy praktycznie pokrywają się.

9-Rekombinacja powierzchniowa. (RYS)

Obszr przy powierzchni p-przewodnika chararakteryzuje się zawsze większą koncentracją centów rekombinujących. Centra te są wprowadzane do obszaru p-przewodnika poprzez defekty sieci krystalicznej a defektyów tych jest zawsze więcej w warstwie przypowierzchniowej. Powoduje to że szybkość rekombinacji powierzchniowej stała w całej objętości próbki wzrasta w obszarach przypowierzchniowych. W całej objętości jest to stała R₁ a w obszarze przypowierzchniowym zmienna w wartości R₂. Powoduje to że nadmiarowe nośniki Δn rekombinują szybciej przy powierzchni w całej objętości prowadząc do pojawienia się mniejszej koncentracji nadmiarowej w obszarze przypowierzchniowym. Gradient koncentracji nadmiarowej powoduje wystąpienie dyfuzji par dziura-elektron które przemieszczają się z obszaru gdzie się gorzej rekombinują do obszaru gdzie rekombinacja jest ułatwiona i tam dopiero rekombinuje. Tak więc przy powierzchni występuje stały (prąd) strumień par dziura elektron z głębi obszaru powierzchni gdzie one rekombinują. Dla opisania transportu nadmiarowych nośników do powierzchni wprowadzono pojęcie rekombinacji powierzchniowej R_s. Wielkość ta opisuje strumień par dziura-elektron który wynika do obszaru przypowierzchniowego z wnętrza struktury i tu rekombinuje. W definicji R_s przyjęto że cały półprzewodnik jest jednorodny a strumień nośników płynących ku powierzchni jest wywołany własnością tej powierzchni polegającej na tym, że przejmuje ona jednostce czasu skończoną ilość par dziura-elektron które na tej powierzchni rekombinują. Tak więc R_s posiada miano 1/cm²*s co odpowiada co jednostce strumienia cząstek, a rekombinacja objętościowa posiada miano 1/cm³*s co odpowiada objętościowym zmianom koncentracji. Parametr s występujący we wzorze na szybkość rekombinacji powierzchniowej nosi nazwe rekombinacji powierzchniowej i jego wielkości zależy od własności powierzchni i procesów którym została ona poddana.

11-Równanie ciągłości wyprow:Δt→Δn, Δn=(g-R)Δt-(-1/q)(J_eb-J_ea/Δx)Δt,g-generacja,R-rekomb,Δn/Δt=g-R+(1/q)(J_eb-J_ea/Δx), ∂n/∂t=g-R+(1/q)(∂J_e/∂x), {∂n/∂t=g-R+(1/q)divJ_e, ∂p/∂t=g-R+(1/q)divJ_h}-rów ciągł, divE=-4πρ_q(x)/εε₀-rów Poissone'a, ρ_q-gęst ład, ρ_q(x)=N_d+N_a+p-n, J=J_e+J_h-rów Kirhchoffa.Wzory Einsteina μ_n=(q/kT)*D_n=(1/V_T)*D_n ; μ_p=(q/kT)*D_p=(1/V_T)*D_p (wykres)

13-Równanie ambipolarne. Wyprowadzenie: 1.zakład że nie ma rekomb powierzchn 2.wszędzie spełniony jest war neutralności Δn=Δp, 3.w całym obsz E=const. ∂n/∂t=g-R+μ_nE(∂n/∂x)+D_n(∂²n/∂x²), ∂p/∂t=g-R+μ_pE(∂p/∂x)+D_p(∂²p/∂x²)⇒∂(Δn)/∂t=g-R+μ_nE[∂(Δn)/∂x]+D_n[∂²(Δn)/∂x²]⇒ ∂(Δn)/∂t=g-R-μ_pE[∂(Δn)/∂x]+D_p[∂²(Δn)/∂x²]⇒ (μ_nn+μ_pp)[∂(Δn)/∂t-g+R]=μ_nμ_p(p-n)E[∂(Δn)/∂x]+(D_nμ_pp+D_pμ_nn)⇒ ∂(Δn)/∂t=g-R+[(p-n)/(p/μ­_n+n/μ_p)]E∂(Δn)/∂x+[(p+n)/(p/D_n+n/D_p)]∂²(Δn)/∂x²⇒ ∂(Δn)/∂t=g-R+μE∂(Δn)/∂x+D∂²(Δn)/∂x² Równanie ambipolarne opisuje zachowanie nadmiarowych nośników w obecności pozostałych nośników większościowych i mniejszościowych. Obecność tych nośników jest uwzględniana poprzez wprowadzenie ambipolarnej stałej dyfuzji i ambipolarnej ruchliwości.(wykresy)

W<<L prąd dyfuzyjny jest stały, gradient jest stały β≈1. W≈L Prąd wpływający jest na wyjściu mniejszy, gradient na wejściu jest większy niż na wyjściu j(0)>j(ω), βε(0,1). W>>L Prąd wpływa ale niw wypływa bo cały rekombinuje j(ω)=0, β=0 warstwa jest kompletnie nieprzezroczysta. Współczynnik transportu jest cechą charakterystyczną warstwy półprzewodnikowej β=J(ω)/J(0).

15-Złącze P-N. Powstaje gdzy w tej samej sieci struktury półprzewodnikowe wystąpi zmiana domieszkowania prowadząca do zmiany typu półprzewodnika z typu n na typ p. Zmiana ta może mieć charakter skokowy lub liniowy i mówimy o złączu skokowym lub liniowym. (wykresy).

Jakie złącze uzyskamy zależy od procesu technologicznego. Złącza skokowe mamy w technologii stopowej, epitaksji liniowej, dyfuzyjnej a oba typy złącz w technologii implantacji jonów. Własności złacza nie zależa w zasadzie od jego typu i tylko w niewielu przypadkach jest to istotne. (RYSUNEK).

Jeżeli w materiale półprzewodnikowym pojawiłaby się skokowa zmiana domieszkowania to będzie jej towarzyszyla skokowa zmian koncentracji elektronów i dziur. Ta skokowa zmiana koncentracji wywoła przepływ nośników gdzie jest ich więcej do obszaru gdzie jest ich mniej.Elektrony będą przepływały z obszaru n do p pozostawiając przy krawędzi złącza nieskompensowane dodatnie jony donorowe a dziury będą przepływały z obszaru p do n pozostawiając przy krawedzi złącza niskompensowane ujemne jony akceptorowe. Ponieważ prądy te są wywołane różnicą koncentracji są to prądy dyfuyjne. Nieskompensowane jony pozostawiają po obu stronach krawędzi złacza twory tzw. obszary ładunku przestrzennego. Ladunek ten wytworzy pole elektryczne tak skierowane ze będzie one kierowało elektrony do obszau n a dziury do obszaru p. Ten strumień nośników tworzy prąd unoszenia ponieważ wywołany jest polem elektrycznym. Prąd ten jest skierowany przeciwnie do kierunku przepłyeu prądu dyfuzyjnego przez złącze zmniejszając efektywny strumień nośników przenoszony prądem dyfuzyjnym. Jak długo prąd dyfuzyjny przewaza nad prądem unoszenia ilość nieskompensowanych jonów po obu stronach złącza rośnie, zwiększ się obszar ładunku przestrzennego i zwiększa się prąd unoszenia. Proces ten osiąga swój stan równowagi w momencie gdy prąd unoszenia zrównuje się z prądem dyfuzyjnym. W stanie równowagi przez złącze PN nie płynie prąd elektryczny a na obszarze ładunku przestrzennego odkłada się napięcie V_D nazwane potencjałem dyfuzyjnym. Potencjał dyfuzyjny jest to takie napięcie które wywołuje prąd unoszenia neutralizujący prąd dyfuzyjny

19-Przepływ prądy przez złącze p-n (RYSUNKI)

Jeżeli do złącza PN przyłożymy napięcie dodatnie to napięcie to odłoży się praktycznie w całości na obszarze ładunku przestrzennego. Aby to napięcie mogłó odłożyć się na obszarze SCR musi ulec zmianie całka z natężenia pola elektrycznego. Ponieważ napięcie dodatnie odejmuje się od napięcia dyfuzyjnego to całka ta musi zmaleć. Jest to możliwe tylko wtedy kiedy odcinek ab ulegnie zmniejszeniu ponieważ nachylenie funkcji E(x) zależy jedynie od domieszkowania i nie ulega zmnianie. W efekcie szerokość obszaru SCR zmienia się proporcjonalnie do wzrostu napięcia w kierunku przewodzenia. Powoduje to że na krawędziach obszarów SCR i obszarów QN zmienia się koncentracja nośników i teraz koncentracje nośników mniejszościowych są wyższe od koncentracji równowagowych. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia w obszarach quasi nieustalonych graniczących z obszarami SCR następuje zmiana koncentracji nadmiarowej i dyfuzji nośników nadmiarowych w głąb obszaru QN. Ta część tych obszarów w których występuje zmiana koncentracji nośników wywołana polaryzacją złacza wraz z obszarem SCR tworzy tzw. obszar JR. Wszelkie zmiany wywołane polaryzacją złącza zachodzą tylko w tym obszarze a pozostała część obszarów QN zachowuje się tak jakby złącze nie istniało. W złączu p-n spolaryzowanym w kierunku przewodzenia następuje pełna zmiana typu nośników przewodzących w obszarze JR. W obszarach QN przyległych do JR mamy doczynienia z prądem unoszenia a ponieważ po stanie n dominują elektrony a po stronie p dziury prąd po stronie n jest praktycznie elektronowy a po stronie p dziurowy. Prądy te wpływają do obszaru JR. Npśniki wstrzykiwane w złącze dyfundują w głąb obszaru QN rekombinując. Tak więc prąd dyfuzyjny tych nośników maleje wraz ze zbliżeniem się do krawędzi obszaru JR na której staje się on równy 0. W każdym akcie rekombinacji zanika para dziura-elektron. Do punktu w którym rekombinacja ta ma miejsce nośniki są dostarczone przez prąd unoszenia a nośniki mniejszościowe przez prąd dyfuzyjny.Tak więc w punkcie tym następuje zmiana typu nośnika związanego z przepływem ładunku równego jednemu elektronowi czyli mamy do czynienia z wymian typów nośników dostarczających prąd do tego miejsca. W efekcie prąd unoszenia maleje wraz ze zbliżaniem się do krawędzi SCR/QN a prąd dyfuzyjny maleje wraz z oddalaniem się od tej krawędzi.

22-Dioda prostownicza:

W diodzie prostowniczej musi występować wysokonapięciowe złącze p-n. Złącze to charakteryzuje się dużą asymetrią domieszkowania. Zwykle koncentracja domieszek w obszarze N_d jest znacznie mniejsza od Koncentracji domieszek w obszarze p. Powoduje to że prawie cały obszar SCR (ładunku przestrzennego) występuje po stronie n i W_SCR ≈ W_SCR(n). Natężenie pola elektrycznego przy polaryzacji wstecz osiąga maksimum na powierzchni złącza i natężenie to maleje wraz z oddalaniem się od krawędzi złącza. Jeżeli domieszkowanie N_d w obszarze n jest stałe to natężenie pola w obszarze n maleje liniowo z zależnością E ∼ N_d -x. Napięcie blokowane przez złącze p-n jest określone zależnością U_RR = ½ (E_max * W_SCR)

U_RR↑ => W_n↑,E_m↑ (dE/dx) ↓ => N_d↓

E_max < E_{max (m)} (U_BA)

23

U_RR↑ R_S1 R_S2

U_F↑R_S1↓ W_F↑ R_S2↓

W typowej diodzie p-n wraz ze wzrostem jej napięcia blokowania musi rosnąć szerokość obszaru W_n co powoduje wzrost rezystancji szeregowej R_S2 Oznacza to że nie można zbudować diody prostowniczej typu p-n o dużym napięciu blokowania i małym spadku napięcia w kierunku przewodzenia.

23

Obszary n⁺ i p⁺ są nazywane emiterami.

U_F = U _{p+ n} + U_J + U_RR⁺ = U_p+n+U_RR + U_I

23

23-Dioda Zenera:

Diody stabilizacyjne (Zenera) są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięć. Istnieją diody stabilizujące prąd i są nazywane polowymi ogranicznikami prądu (działają na innej zasadzie). Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Wykorzystują one zjawisko Zenera bądź lawinowe. Diody te zbudowane są z krzemu. Typowy obszar pracy tych diod znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej, odpowiadającym gwałtownemu wzrostowi prądu wstecznego wskutek zjawiska przebicia Zenera lub (i) przebicia lawinowego. Oba wymienione mechanizmy przebicia charakteryzują się następującymi właściwościami:

-przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych przy napięciach do 5V;
-przebicie lawinowe występuje w złączach słabo domieszkowanych przy napięciach ponad 7V;
-przebicie Zenera i lawinowe występują w złączach o średniej koncentracji domieszek przy napięciach 5...7V;
- temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu Zenera ma znak ujemny;
- temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu lawinowym ma znak dodatni.

??-Tyrystor:

Jest to przyrząd 3-złączowy pochodzący od znanego układu dwutranzystorowego.

33b

Zasada pracy:

-polaryzacja wsteczna U_AK<0, przyrząd może jedynie blokować napięcie

-polaryzacja w kierunku przewodzenia U_AK>0, przyrząd blokuje napięcie lub może być przełączony w stan przewodzenia (duży prąd anodowy I_A i małym spakiem napięcia)

-jest on sterowany prądem bramki I_G, który może go załączyć przy polaryzacji w kierunku przewodzenia

-w normalnych tyrystorach wyłączenie prądem bramki nie jest możliwe (jest ono możliwe jedynie w tyrystorach GTO)

33b

Załączenie tyrystora jako łącznika TT

-stan blokowania U_AK = U_ext >0 , I_G=0 , I_A=0

-rozpoczęcie procesu załączania U_AK>U_ext I_G=I_G0>0, I_A = 0

-proces przejściowy i dodatnie sprzężenie zwrotne.

24-Dioda Easakiego (tunelowa)

Dioda tunelowa jest to dioda półprzewodnikowa, w której dzięki zastosowaniu bardzo dużej koncentracji domieszek powstaje bardzo wąska bariera pozwalająca na wstąpienie tzw. przejścia tunelowego. W charakterystyce napięciowo-prądowej diody tunelowej występuje gałąź odpowiadająca ujemnej rezystancji dynamicznej (spowodowana wzrostem napięcia i ujemnym przyrostem prądu). Przejścia elektronów przez barierę występuje zarówno przy polaryzacji wstecznej jak i przy małych napięciach polaryzacji w kierunku przewodzenia, przy której występuje maksimum prądu. Dalsze zwiększenie napięcia powoduje iż przechodzenie elektronów przez barierę zanika (małe pola elektryczne). Nazwa "tunelowy" wynika z dokładniejszej interpretacji złożonych zjawisk w złączu, która zakłada, że elektrony nie mogąc przejść w normalny sposób ponad bariera potencjału przechodzi pod barier, tzn. tunelem. Diody tunelowe są stosowane w układach wzmacniających bardzo wysokie częstotliwości.

25-Dioda Gunna:

Najczęściej wykonana jest z GaAs

23b

U_uśr=μ_śrE=((n_Aμ_A + n_Bμ_B)/n)*E -warunek zajścia efektu Gunna ΔW<W_g. Warunek ten zapewnia pojawienie się efektu Gunna przed pojawieniem się efektu powielania lawinowego. W innym przypadku efekt powielania pojawi się jako pierwszy i do przejść międzydolinowych nie dojdzie.

??-Dioda Read'a (IM PATT)

23b

Dioda tunelowa jest to złącze p-n powstałe z 2 warstw silnie domieszkowanego półprzewodnika n i p. Domieszkowanie to musi być na tyle wysokie, aby po obu stronach złącza powstał półprzewodnik zdegenerowany, w którym poziom Fermiego przesunął się odpowiednio w głąb pasma przewodzenia dla półprzewodnika typu n i w głąb pasma walencyjnego dla półprzewodnika typu p. Jest to zjawisko Easakiego.

16b

Dla punktu (I_P,U_P) do (I_r , U_r) dioda ma charakter o ujemnej rezystancji.

16b

E _kr odpowiada natężeniu pola elektrycznego przy którym pojawia się przebicie lawinowe. Przy pracy z napięciem przemiennym uzyskuje się przesunięcie piku prądu w stosunku do piku napięcia ponad U_br wynikające z czasu przelotu t_p. Daje to efekt ujemnej rezystancji dynamicznej, a przy odpowiednim doborze w_i i częstotliwości napięcia możemy uzyskać maksymalne wartości prądu przy minimalnych wartościach napięcia czyli jest to efekt ujemnej rezystancji dynamicznej wymaganej przy projektowaniu generatorów.

28-Efekty fotowoltaiczne:

Fotoprzewodnictwo- Generacja nośników wywołana pochłanianiem fotonów prowadzi do wzrostu koncentracji elektronów i dziur, a tym samym do wzrostu przewodności półprzewodników. W przypadku jednorodnej generacji objętościowej nośników i pomijalnie małym wpływie rekombinacji powierzchniowej mamy do czynienia ze zmianą przewodnictwa właściwego półprzewodnika nazywaną fotoprzewodnictwem.

Δϑ=q(μ_n Δn+μ_pΔp)=q(μ_n+μ_p)Δn

g=R=Δn/τ => Δn=gτ

Δδ= q(μ_n+μ_p)gτ ,g∼Φ

W rzeczywistym półprzewodniku prędkość generacji par dziura-elektron w objętości kryształu nie jest jednakowa. Jest on a większa przy oświetlonej powierzchni i maleje przy przesuwaniu się w głąb Krzystały. Jeżeli kryształ jest oświetlony silnie absorbowanym promieniowaniem generacja nośników następuje głównie w cienkiej warstwie przy powierzchniowej i wówczas rekombinacja powierzchniowa może w istotny sposób ograniczać wielkość fotoprzewodnictwa. Ponieważ współczynnik α wzrasta z energią fotonów, prowadzi to przy silnej rekombinacji powierzchniowej do charakterystycznej zależności fotoprzewodnictwa od energii fotonów.

Pojawienie się maksimum w charakterystyce odpowiada takiej długości fali, która zapewnia najbardziej jednorodną generację tzn. takiej dla której α^-1=d, d- grubość próbki.

FotoSEM(fotodioda)-

Jeżeli światło pada na półprzewodnik ze złączem p-n, to wywołuje ono generację par dziura - elektron, w obszarach odległych od warstwy. W_SCR prowadzi to do pojawienia się fotoprzewodnictwa i zmniejszenia rezystancji szeregowej w diodzie. Jeżeli para dziura - elektron jest generowana w obszarze SCR, lub na tyle blisko jego krawędzi że może ona dotrzeć do tego obszaru w wyniku dyfuzji to mamy do czynienia z rozdzieleniem pary; elektron jest kierowany przez pole elektryczne obszaru SCR do warstwy n, a dziura do warstwy p. Następuje więc separacja obu nośników, które mogą ponownie połączyć się dopiero w wyniku przepływu prądu. Dioda może więc stać się źródłem prądu dla obwodu zewnętrznego; efekt ten nosi nazwę efektu fotoSEM.

Pojawienie się w złączu p-n dodatkowych nośników przenoszonych przez pole e jest równoważne pojawieniu się dodatkowego prądu unoszenia przepływającego przez płasz złacz. Nast. Zachwianie równowagi pomiędzy prądami dyfuzyjnymi i unoszenia płynącymi przez złącze p-n. Stan taki przy braku możliwości przepływu prądu w obwodzie zewn. Nie może być utrzymywany przez dłuższy okres czasu. Prowadzi on do efektywnego wzrostu koncentracji elektronów po stronie n i dziur po stronie p. Nośniki te neutralizują część domieszek na krawędziach SCR/GN szerokość obszaru ładunku przestrzennego zmniejsza się i pojawia się dodatkowy prąd dyfuzyjny kompensujący wzrost prądu unoszenia wywołany oświetleniem diody. Jeżeli maleje szerokość obszaru SCR, to jest to równoznaczne dodatniej polaryzacji złącza p-n zmniejszająca występowanie na niej bariery potencjałów. Ta polaryzacja pojawi się na zaciskach diody jako napięcie fotoSEM U_F. W wyniku oświetleni pojawia się dodatkowy prąd unoszenia I_F. Przy warunku I =0

I_F = I_s [exp(qU_F/kT) -1]

U_F = (kT/q) ln (1 - I_F/I_s)

I_F << I_SO - małe oświetleni diody.

U_F ≈ (kT/q) (I_F/I_S) ∼ Φ

Transoptor

Fotosem Dembera

26

30-Zasada działania tranzystora bipolarnego

Tranzystor połączony ze źródłem prądu stałgo działa w taki sposób, że złącze emiter-baza (złącze emiterowe) jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (z obszaru emitera do bazy przechodzą dziury będące nośnikami większościowymi w obszarze emitera. Większość dziur wędruje przez bazę do obszaru kolektora; pozostałe zanikają po drodze w bazie w skutek rekombinacji z nośnikami większościowymi (elektronami) bazy. Prąd elektronowy bazy jest stosunkowo mały w porównaniu z prądem dziurawym ze względu na cienką warstwę bazy oraz domieszkowania. Prąd kolektora tworzą dziury przechodzące z emitera (kilka Ma, zależy bezpośrednio od napięcia polaryzującego złącza baza-emiter (ok. 0,2 V) i mało zależy od napięcia polaryzującego wstecznie złącze kolektorowe (ok. 10V). Jak widać od napięcia U_BE zależy zarówno prąd emitera, jak i prąd bazy (kilka µA), tak więc można stwierdzić, że duży prąd kolektora zależy od małego prądu bazy. Z tego faktu wynikają właściwości wzmacniające tranzystora.

Parametry czwórnikowe nie są stałe ale zmieniają się wraz z wartościami prądów i napięć na wyjściu i na wejściu tranzystora. Powoduje to że układy równań czwórnikowych są nieliniowe i ich rozwiązanie jest trudne jeżeli tranzystor pracuje z sygnałem przemiennym o małej amplitudzie np. sygnał sinusoidalny, który ma pewną składową stałą to do analizy pracy tranzystora możemy zastosować tzw. Parametry małosygnałowe. Mają one stałą wartość określaną przez stałe składowe sygnału, wtedy możemy korzystając z tych parametrów napisać liniowe równanie czwórnikowe dla składowej zmiennej, do której można zastosować zmianę metody analizy obwodowej.

U_BE = h_R1e I_B + h_R2e U_CE

I_C = h_R1e I_B + h_R2e U_CE

Punkt pracy tranzystora

28

I_{B =} I_Bo + I_B1 sinωt

U_{C =} U_Co + U_C1 sinωt

Tak dobieramy prąd I_Bo żeby moment, w którym składowa zmienna sygnału wyjściowego będzie odkształcona, p występowała jednocześnie dla wartości maksymalnej i minimalnej składowej zmiennej.

35-Model Ebersa - Mola

Model opracowany do analizy numeryczej

Tak by było gdy złącza były oddalone odpowiednio od siebie α_e- α wynikające przy zamianie E i C (małe); α_n- normalne α (bardzo duże)

I_nc=A₁[
]; I_nE=I_sA₂[
]; Model E-M jest zaciskowym - parametry można pominąć

38-Polowy tranzystor złączowy JFET

Do zmiany rezystancji wykorzystujemy efekt zmiany szerokości złącza

R_ch =gl/A - rezystancja kanału A=W_ch+d; Istotą tranzystorów polowych jest brak wstrzykiwania nośników przez złącza p-n. Z tego względu koncentracja nośników w obszarze ................. jest określona tylko przez domieszkowanie o tym samym występują nośniki nadmiarowe oraz procesy rekombinacyjne. Przepływ prądu w tych przyrządach na charakter czysto polowy i jest związany tylko z prądem unoszenia. Z tej racji prąd jest tworzony tylko przez nośniki większościowe, a układ nośników mniejszościowych jest marginalny. Dlatego przyrządy polowe nazywamy przyrządami unipolarnymi.

S - źródło; D- dren; G- bramka;

I_d=U_SD/R_ch gdy zmieni sie R_ch to I_d się zmieni.

??-Charakterystyka przejściowa

Wzrost napięcia wstecznego tego złącza powoduje, że ładunek przenoszony w kanale rozszerza się zmniejszając efektywną szerokość kanału, a tym samym rezystancja kanału pomiędzy S i D. W efekcie prąd źrudło-dren maleje. Przy dostatecznie dużej wart nap. Bramka-źródło = nap. Odciecia U_p oba obszary ładunku przestrzennego od górnej i dolnej wysepki bramki połączą się i efektywna szerokość kanału staje się = 0. W efekcie prąd źródło-dren przestaje płynąc.

??-Charakterystyka wyjściowa

Przy braku polaryzacji złącza bramka - kanał płynie prąd od źródła do drenu. Przepływ tego prądu w kanale zgodnie z prawem Ohma jest związany ze spadkiem napięcia wzdłuż kanału. Ponieważ potencjał bramki jest stały i = poten. źródła; ten spadek nap będzie odkładał się na złączu bramka-kanał powodując że w miarę przesuwania się w kier drenu złącze bramka- kanał będzie silniej spolaryzowane w kierunku wstecznym, szerokość obszaru SCR będzie zwiekszała się a szerokość kanału będzie malała. Prowadzi to do modulacji rezystancji kanału. Rezystancja ta wraz ze wzrostem prądu drenu będzie rosła az przy pewnej wartości prądu odpowiadajacej spadkowi nap wzdłuż kanału równemu nap odciecia nastąpi zamknięcie kanału od strony drenu i wartość prądu drenu stanie się stała niezależnie od polaryzacji dren-źródło.

W momencie zetknięcia się obszarów ład przestrzennego w pkt A, w pkcie tym występuje nap U_p w stos do źródła. Jest to zarazem napięcie polaryzujące złącze bramka-kanał od strony drenu. Oznacza to że spadek nap żródło-dren odkłada się też na złączu bramka-dren. Dalszy wzrost nap pomiędzy drenem a bramką prowadzi do powiekszania się obszaru ładunku przestrzennego w kier kontaktu drenu, przy czym wart nap w pkt A pozostaje stała odpowiadająca wart U_p zamykającej kanał. Oznacz to że niezależnie od dalszego wzrostu nap dren-źródło spadek nap pomiędzy pkt A a źródłem pozostaje stały, kształt kanału nie zmienia się, jego rezystancja jest także stała i prąd płynący od źródła do pkt A też nie ulega zmianom zgodnie z prawem Ohma I=U/R ponieważ prąd ten dostarcza stałą ilość dziur do obszaru ładunku przestrzennego, tylko tyle dziur może być przeniesione przez ładunek przestrzenny a nastepnie zostać zabrane przez kontakt drenu. Wart ta nie zalezy od nap źródło-dren i dlatego prad drenu jest stały.

41-Model Pasmowy styku półprzew-dielektryk

Jeżeli kontakt dielektryk-półprzeodnik jest idealny i nie występują tam żadne stany powierzchniowe to wtedy w przypadku tranzystorów z kanałem wbudowanym istnieje bezpośrednie połączenie elektrody źródła z elektrodą drenu poprzez kolejne warstwy typu n. Jest to wiec tranzystor normalnie załączony którego wyłączenie uzyskujemy poprzez polaryzacje bramki A w stosunku do podłoża B. Pomiędzy tymi elektrodami mamy dwie pojemności; pojemność złącz p-n podłoże-kanał oraz pojemn kondensatora kanał-bramka. Przyłożone nap rozkłada się na te kondensatory i wraz ze wzrostem polaryzacji szer kanału w którym znajdują się swobodne elektrony zmniejsz się by przy odpowiednim nap odcięcia U_p zanikło.

42-Zasada działania tranzystora MOSFET

Tranzystory MOS są czystą odmianą tranz polowych, w których kierowanie pracą tranzystora odbywa się poprzez pole elektryczne bez fizycznego kontaktu elektrody sterującej z kryształem półprzewodnikowym.

Jeżeli kontakt dielektryk-półprzeodnik jest idealny i nie występują tam żadne stany powierzchniowe to wtedy w przypadku tranzystorów z kanałem wbudowanym istnieje bezpośrednie połączenie elektrody źródła z elektrodą drenu poprzez kolejne warstwy typu n. Jest to wiec tranzystor normalnie załączony którego wyłączenie uzyskujemy poprzez polaryzacje bramki A w stosunku do podłoża B. Pomiędzy tymi elektrodami mamy dwie pojemności; pojemność złącz p-n podłoże-kanał oraz pojemn kondensatora kanał-bramka. Przyłożone nap rozkłada się na te kondensatory i wraz ze wzrostem polaryzacji szer kanału w którym znajdują się swobodne elektrony zmniejsz się by przy odpowiednim nap odcięcia U_p zanikło. Tranz zachowuje się jak JFET.

W tranz z kanałem zaindukowanym pomiedzy źródłem a drenem znajdują się dwie diody p-n, które uniemożliwiają przepływ pradu miedzy źródłem a drenem, niezależnie od znaku polaryzacji. Tak

wiec tranz ten będzie zawsze wyłączony, a pojawienie się kanału jest związ z nap bramka-podłoże które go indukuje.

Z pkt zasady działania tranzystora dzielimy na dwa rodzaje a) tranz z kanałem zubożałym. Są to tranz normalnie przewodzące, w których w wyniku polaryzacji bramki nośniki są usuwane z kanałów b) z kanałem wzbogaconym które są normalnie wyłączone, a kanał pojawia się w nich wraz z polaryzacja bramki, która wprowadza potrzebne nośniki do obszaru kanału.

W normalnym styku SiSJ₂ występuja tzw efekty powierzchniowe zwiaz z:

- defektami sieci krystalicznej przy przejściu z sieci Si do sieci SJ₂;

- zanieczyszczeniami atomowymi; - efektem przypowierzchniowej segregacji domieszek. Efekt polega na tym że podczas dyfuzji jako domieszki są przytrzymywane przez powierzchnie a inne dyfundują głębiej; - nieskompensowany ład w dielektryku.

Powoduje to że przy powierzchni dielektryk jest inny niż wewnątrz.

43-Tranzystor MOSFET

Tranzystor MOS są czystą odmianą tranzystorów polowych w których sterowanie pracą tranzystora odbywa się polem elektrycznym bez fizycznego kontaktu elektrody z kryształem półprzewodnika.

Tranzystory MOS dzielimy ze względu na

- z kanałem wbudowanym

-z kanałem zaindukowanym

31

Jeżeli kontakt półprzewodnik 0dielektryk jest idealni i nie wystepuje tam żadne stany powierzchniowe, to wtedy w przypadku tranzystora z kanałem wbudowanym istnieje bezpośrednie połączenie elektrody źródła z elektrodą drenu. Poprzez kolejne warstwy typu n jest to więc tranzystor normalnie załączony którego wyłączenie uzyskujemy poprzez polaryzacje bramki G w stosunki do podłoża B. Pomiędzy tymi elektrodami mamy 2 pojemności i pojemność złącza p-n, podłoże-kanał oraz pojemność kondensatora kanał-bramka. Przyłożone napięcie rozkłada się na te kondensatory i wraz i wraz ze wzrostem polaryzacji szerokość kanału w którym znajdują się swobodne elektrony zmniejsza się gdy przy odpowiednim napięciu odcięcia U_P zaniknąć. Tranzystor ten zachowuje się analogicznie jak tranzystor JFET

W tranzystorze z kanałem zaindukowanym pomiędzy źródłem a drenem znajdują się 2 diody p-n które uniemożliwiają przepływ prądu między źródłem a drenem niezależnie Cd znaku polaryzacji., Tak więc tranzystor ten będzie zawsze wyłączony , a pojawienie się kanału jest związane z napięciem …….. podłoże które go indukuje.

Z punktu zasady działania tranzystora dzielimy na 2 rodzaje:

-tranzystor z kanałem zubożanym -są to tranzystory normalnie przewodzące w których w wyniku polaryzacji bramki nośniki są usuwane z kanału.

- tranzystory z kanałem wzbogaconym - które są nominalnie wyłączone, a kanał pojawia się w nich wraz z odpow. Polaryzacją bramki która wprowadza potrzebne nośniki do obszaru kanału.

W normalnym styku SI- SiO₂ występują tzw efekty powierzchniowe związane z:

-defektami sieci krystalicznej przy przejściu z sieci Si do sieci SiO₂

-zanieczyszczeniami atomowymi

- efektem przypowierzchniowej segregacji domieszek (podczas dyfuzje jedne domieszki są przetrzymywane przy powierzchni, a inne dyfundują głębiej).

- nieskompensowanym ładunkiem dielektryka

Jeżeli mamy tranzystor z kanałem indukowanym zubożanym to w tranzystorze tym w obszarze bezpośrednio pod dielektrykiem istnieje cienka warstwa inwersyjna tworząca ścieżkę przepływu prądu od źródła do drenu. Przyłożenie napięcia bramki podłoże, które zwiększy ładunek zgromadzony w obszarze dielektryka i kontaktu bramki spowoduje równoważny wzrost ładunku o przeciwnym znaku zgromadzonego w warstwie pod dielektrykiem. Następuje wzrost szerokości kanału zmniejszenie jego rezystancji i wzrost prądu źródło-dren. Jeżeli przyłożone napięcie bramka podłoże spowoduje wprowadzenie do elektrody bramki ładunku który będzie kompensował ładunek wbudowany po stronie dielektryka, wywoła to równoważna zmianę ładunku w warstwie przypowierzchniowej półprzewodnika co doprowadzi do zmniejszenia obszaru inwersyjnego, a nawet jego zaniku przy dostatecznie dużej wartości polaryzacji bramka- podłoże. Napięcie przy którym kanał zanika jest napięciem odcięcia U_P znanym z teorii tranzystora JFET.

W tranzystorze z kanałem wzbogaconym przy braku napięcia bramka - źródło nie istnieje kanał łączący wysepkę źródła z wysepką drenu. Dlatego też w tranzystorze tym przy braku napięcia sterowania prąd drenu nie płynie.

44-MOSFET z kanałem zubożałym

Zachowuje się jak JFET ale można kanał powiększać. Jeżeli mamy tranz z kanałem zubożałym to w tranz tym w obszarze bezpośrednio pod dielektrykiem istnieje cienka warstwa inwersyjna, tworząca ściezke przepływu pradu od źrudła do drenu. Przyłożenie nap bramka- podłoże które zwiekszy ładunek zgromadzony w obszarze dielektryka i kontaktu bramki spowoduje równoważny wzrost ład o przeciwnym znaku zgromadzonego w warstwie pod dielektrykiem. Nastepuje wzrost przewodności kanału i wzrost prądu źródłowego. Jeżeli przyłożone nap bramka-podłoże spowoduje wprowadzenie do elektrody bramki ładunku, który będzie kompensował ład wbudowany po stronie dielektryka to wywoła to równoważna zmianę ładunku w warstwie przypowierzchniowej p przewodnika, co doprowadzi do zmniejszenia obszaru inwersyjnego, a nawet jego zaniku przy dostatecznie dużej polaryzacji bramka-podłoże. Napięcie przy którym kanał zanika jest nap odciecia U_p znanym z teorii trazn JFET.

Charakterystyki wyjściowe:

??-Kanał wzbogacony (normalnie nieistniejący)

Charakterystyki wyjściowe:

W tranz z kanałem wzbogaconym przy braku napińcia bramka-źródło nie istnieje kanał łączący wysepkę źródła (O CHUJ !!!) z wysepka drenu, dlatego też w tranz tym przy braku nap sterującego prad drenu nie płynie. Z uwagi na stany powierzchniowe w warstwie półprzewodnika pod bramka może wystepowac warstwa zubożona, akumulacyjna lub normalna, tzn o takich samych parametrach jak w całej objętości pół przewodnika. Jeżeli przyłożone nap bramka- źródło prowadzi ładunek wystarczający do pojawienia się warstwy inwersyjnej pod bramka to warstwa połączy wysepkę źródła z wysepką drenu i pomiędzy źródłem i drenem popłynie prad drenu I_D. Napięcie przy którym powstaje warstwa inwersyjna nazywamy nap progowym. Jest ono funkcja stanów powierzchniowych wytworzonych w procesie technologicznym oraz typu domieszkowanie podłoża półprzewodnika.

---