Dioda laserowa - jest to p.p laser złączowy. Zasada działania wiąże się z trzema procesami fizycznymi: absorbcją, promieniowaniem spontanicznym i promieniowaniem wymuszonym.

Emisja spontaniczna-gdy w atomie występuje przeskok elektronu na powłokę o mniejszej energii. Zostaje wypromieniowana energia hv. Gdy w danym ośrodku więcej atomów znajduje się w stanie wzbudzenia niż w stanie podstawowym, wówczas zachodzi tzw. inwersja obsadzeń. Jeżeli w ośrodku, w którym istnieje inwersja odsadzeń, pojawi się wymuszający foton o energii hv wówczas występuje promieniowanie wymuszone.

Inwersje obsadzeń można w półprzew. zrealizować najłatwiej przez wstrzykiwanie elektronów i dziur do obszarów p i n złącza p-n. Stosuje się więc złącza silnie domieszkowane , z półprze. zdegenerowanego tak aby poziom Fermiego w obszarze n złącza znajdował się powyżej wierzchołka pasma przewodnictwa zaś w obszarze p poniżej pasma walencyjnego.

Do relizacji akcji laserowej niezbędny jest rezonator optyczny. W tym celu należy ukształtować złącze diody możliwie płaskie a z obu jej przeciwległych stron dać prostopadłe do płaszczyzny złącza i równoległe względem siebie powierzchnie lustrzane, a dwie pozostałe matowe. Istnienie płaszczyzn odbijających powoduje zwiększenie koncentracji energii grupy fotonów poruszających się we wnętrzu z określoną częstotliwością rezonansową.

Długość fal wytwarzanego światła silnie zależy od temp. Emisja światła na zewnątrz następuje przy przekroczeniu tzw. wartości progowej ( I₀) prądu zasilającego. Gdy natężenie prądu jest mniejsze od I₀

to rekombinacje nie powoduje akcji lasera i dioda emituje światło spójne. Jest to właśnie dioda LED która przeistacza się w określonych warunkach w diodę laserową.

Przejście z LED do lasera wiąże się ze zwężeniem

Charakterystyki widmowej. Ze względu na konieczność przepuszczania przez złącze lasera dużych prądów, lasery są na ogół ciągle chłodzone np. ciekłym azotem. Nawet przy najefektowniejszym chłodzeniu sprawność laserów nie przekracza 30% , dlatego zasila się je impulsowo.

PARAMETRY DLA GaAs

Temp.pracy -4.2 K , Dł.fali -0.84 um , Moc wyjściowa -3W , Sprawność -25% ,

Rodzaj pracy -ciągły

Zastosowanie: odtwarzacze CD , telekomunikacja , czytniki do zapisu i odczytu informacji , medycyna

Fotodioda - należy do fotodetektorów. Posiada ona spolaryzowane złącze P-N w kierunku zaporowym. W fotodiodach zachodzi przemiana sygnału optycznego w elektryczny. W przypadku polaryzacji

złącza P-N w kierunku zaporowym nośniki generowane przez światło wypływają do obwodu zewnętrzn. zwiększając wartość prądu wstecznego.

Zatem prąd wsteczny zmienia się pod wpływem światła padającego na fotodiodę. Natężenie prądu zależy więc tylko od promieniowania, nie zależy natomiast od napięcia polaryzującego. Fotodioda ma

małą inercyjność. Charakt.widmowe są takie same.

λmax=hc/Wg λmin~1/α α-współ. absorbcji promi.

symbol

Fotodiody są wytwarzane w różnych odmianach technologicznych i konstrukcyjnych. Są to nie tylko złącza p-n, lecz także m.-s, heterozłącza, diody ostrzowe i diody pin. Podstawowymi materiałami są:

Si,Ge,GaAs. Główną zaletą fotodiod jest duża ich szybkość działania. Fotodiody o dużej szybkości działania to diody pin (izolat. jest p.p samoistny).

Jeżeli wymaga się dużej szybkości oraz dużej czułości to stosuje się diody lawinowe.

Parametry:

-czułość dJ/dE , inercyjność , ch kątowa,

-stabilność długoterminowa

-detekcyjność znormalizowana D=√(AB)/NEP

A-powierzchnia złącza B-szerokość pasma

-λmax i λmin

-U_R-wsteczne większe niż u innych diod

-I_o-prąd ciemny

-Ip-prąd jasny

-λ-widmowy zakres pracy

-M₀-wzmocnienie prądu fotoelektrycznego

-stała czasoowa lub częstotliwość graniczna

Konstrukcje

Na wskutek promieniowania pary elektron-dziura są rozbijane i wędrują w swoje strony. Zmniejsza się przez to pojemność , a w skutek zastosowania izolatora zwiększa max napięcie przebicia. Jm pojemność mniejsza tym detekcyjność diody wzrasta.

Fotoogniwo - jest to przyrząd p.p zawierający złącze p-n, które służy do zmiany energi promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną. Pracuje bez polaryzacji zewnętrznej.

war.przeźroczy.

tlenek kadmu

selenek typu p

W oświetlonym niespolaryzowanym złączu p-n generowane są pary elektron-dziura które rozpływają się w przeciwne strony pod wpływem pola elektrycznego istniejącego w warstwie zaporowej (dziury do p elektrony do n)

Ponieważ złącze jest rozwarte nośniki nie mogą odpływać do obwody zewnętrznego , dlatego gromadzą się po obu stronach warstwy zaporowej. Magazynowane w ten sposób nośniki tworzą nieskompensowane ładunki z istnieniem których związana jest siła elektromotoryczna fotoogniwa , które odejmuje się od potencjału dyfuzyjnego.

U_E=ϕ_B- ϕ_E U_E=kT/q ln(Jpzw/Jnas +1)

U_E- napięcie fotoelektryczne G - szybkość generacji

ϕ_E-potencjał fotowoltaniczny

Jnas-prąd wsteczny nasycenia

Jpzw-prąd zwarcia A-powierzchnia złącza

Do produkcji fotoogniw używa się najczęściej krzemu i selenku

Im lepsze źródło tym bardziej prostokątna charakterystyka.

Parametry:

-prąd zwarcia Jpzw

-napięcie fotowoltaniczne

-sprawność Pwyj / AE * 100%

Zastosowanie:

-Zegarki, kalkulatory , satelity

- jako tanie źródło energi

Fotorezystory - są to rezystory półprz., których rezyst. zmienia się pod wpływem oświetlenia. Światło o odpowiedniej długości fali wywołuje generację par elektron-dziura. Dodatkowa liczba elektronów i dziur wywołuje zwiększenie konduktywności półprzewodnika i odpowiednie zmniejszenie rezystancji fotorezystorów.

Wyróżnia się absorbcję : międzypasmową-generacja bezpośrednia (hv>Wg) lub przez domieszki-domieszki nie mogą być zjonizowane

Fotorezystory są wytwarzane zwykle z siarczku kadmu (Cds) , siarczek ołowiu (Pbs) , selenek ołowiu (PbSe), telurek ołowiu (PbTe).

Charakterystyki fotorezystora

Char. Świetlna

Czułość prądowa-nachylenie charak. świetlnej. Jest ona silnie zależna od dł. fali padającego promienio.,

rodzaju półprzew. oraz natężenia oświetlenia, napięcia i temp. S=dJ/dE czułość

Przy założeniu że strumień fotonów o energi hv>Wg powoduje fotogeneracje Δnf elek.-dziur przy czym: Δnf=g_fτ g_f=f(λ)E .Strumień ten powoduje przyrost przewodności o Δσ=q(μ_n+μ_p)τ f(λ)E

A-powierzch.przekr.fotorezyst. c-dł ścież.przewodzą

Zależność od dł fali jest ukryta we współczyniku f(λ), który maleje dla długich fal, gdyż dla nich energie fotonu są niewystarczjące do spowodowania fotogeneracji. Maleje również dla krótkich fal ponieważ ulegają one rozproszeniu na węzłach sieci półprzewodnika.

Podstawowe parametry:

Umax- max napięcie pracy

S-czułość ,

λmin, λmax,

τ- stała czasowa

Fotorezystory stosuje się wtedy gdy szybkość fotodetektora nie jest istotna.

Fototranzystor - są to elementy o strukturze bardzo podobnej do tranzystora bipolarnego. Różnią się tym że obszar bazy może być oświetlany i nie zawsze końcówka bazy ma wyprowadzenie na zewnątrz. Zwykle pracuje w układach WE. Pod wpływem światła padającego na powierzchnię półprzewodnika, w bazie są generowane dodatkowe pary elektron-dziura W przypadku tran. npn elektrony są odbierane bezpośrednio przez kolektor , stanowiąc dodatkową składową prądu zerowego C, dziury natomiast nie mogą przejść ani do E ani do C bo napotykają z obu stron barierę potencjałów.

Duża czułość świetlna fototranzystorów wpływa na zmniejszenie szybkości działania. Czułość fototranzystora przerasta czułość fotodiody 3x. Jednak częstotliwość graniczna fototranzystora jest około β-razy mniejsze od częstotliwości granicznej footodiody.

Układ zastępczy fototranzystora typu Π

Generator prądowy Jf między bazą a kolektorem reprezentuje prąd indukowany przez energię promieniowania. W przypadku fototranzystorów dwukońcówkowych wyprowadzenie bazy jst stale otwarte. Rezystancja r jest stosunkiem napięcia zmiennego B-E i prądu zmiennego B a g_m.U jest generatorem napięcia na r.

U=J_F r

g_m.U=B J_F

Parametry:

U_CE-napięcie C-E

P- moc całkowita strat

I_L-prąd jasny

I_CE0-prąd ciemny

Czułość

Δλ-widmowy zakres pracy

tr/tf- czasy narastania i opadania

Gaussotrony inaczej magnetorezystory są to półprz.elementy o dwóch końcówkach, wykorzystujące efekt magnetorezystancji Gaussa

Efekt Gaussa polega na wzroście rezystancji materiału pod wpływem pola magnetycznego.

W polu magn. o indukcyjności B na ruchome elektrony działa siła Lorenca, która powoduje odchylanie ich toru drogi o kąt Θ (kąt Halla).

Wydłużenie drogi elektr.powoduje zwiększenie liczby zderzeń, a więc zmniejszeenie ruchliwości a co za tym idzie wzrost rezystancji. tgΘ = Bμ

a)odziaływuje niekorzystny efekt Halla który równoważy siłę Lorenca.

b) Siła Lorenca odchyla o kąt Θ drogę elektr.i zachodzi efekt magnetorezystancji.

Głównym zadaniem przy konstrukcji gaussotronów jest aby wyeliminować efekt Halla. Stosuje się więc

-p.p z dwoma rodzajami domieszek (akcep i donory)

-zwiera się napięcie Halla

- kształt dysków - brak ścian eliminuje powstanie napięcia Halla

Hallotrony - ich działanie jest oparte na zjawisku Halla. Zjawisko Halla przejawia się pod wpływem pola magnetycznego o indukcyjności B w elemencie przewodzącym prąd elekt. o gęstości J_x . Na porusz. się ładunek w polu magnet.działa siła Lorenca która powoduje odchylenie toru drogi nośnika (dziur i elektronów). Następuje rozseparowanie ładunku ponieważ zjonizowane atomy domieszek nie mogą się poruszać i na ściankach równoległych do kierunku przepływu prądu tworzy się różnica potencjałów nazywana napięciem Halla.

U_YH= γ₀ J_xB

γ₀=(G_HR_H)/c

R_H=A/(qn)

A=(1..2)

c-wysokość

płytki

G_H-par.

materiałowy

Na właściwości halotronu ma duży wpływ temp. ponieważ funkcjami T są R_H, ruchliwość, rezystyw.

Część liniowa charakterystyki jest związana z prawidłową pracą hallotronu. Przyczyną powstania nieliniowości charakterystyki może być wzrost temp.w wyniku przepływu nadmiernego prądu sterującego.

Własności częstotliwościowe

Dla f >10⁷ Hz efekty nieliniowe w złączu m.-s

Dla f =10⁹ Hz prądy wirowe rozgrzewają płytkę

Parametry:

-rezystancja wejśc. mierzona między zaciskami 1-2

-rezystancja wyjściowa

-czułość iloczyynowa hallootronu

-znamionowy prąd sterujący-wyznacza zakres liniowej pracy hallotronu

-I_xmax-max doopuszczalny prąd sterujący

-czułość polowa-wraźliwość zmian napięcia Halla na zmianę indukcyjności

-napięcie asymetri

Wady hallotronów:

-duży wpływ zmian temperatury na parametry

Do budowy hallotronów wykorzystuje się materiały p.p o dużej ruchliwości. Hallotrony są tym lepsze im większa jest ruchliwość nośników ładunku. Dlatego stosuje się cienkie warstwy InSd lub CdHgTe oraz postacie lite z Ge InAs.

Zastosowania:

-pomiar natężeń pola magnetycznego

-układy automatyki

-pomiar mocy prądu zmiennego i stałego

Izolacja złączowa

a)dyfuzyjna polaga na wdyfundowaniu wysp typu n do podłooża typu p.

b) Dyfuzyjno - epitaksjalna w standardowym procesie wytwarzania USB

c) Kolektorowa na podłożu p jest nanoszona wars. epitaksjalna typu p po uprzednim wdyfundowaniu warst. zagrzebanej. Mniejsza powierzchnia zajmow. przez wyspy i mniejsz liczba procesów dyfuzji.

d) Bazowa -odizolowane wyspy otzrymuje się przez

wdyfundowanie pierścienia typu p do warstwy epitaksjalnej typu `n' naniesionej na podłoże typu p.

Izolacja dielektryczna

a) izolacja warstwą SIO2 -każda wyspa jest otoczona warstwą SIO2 i zanurzona w podłożu z krzemu polikrystalicznego

b)SOS-krzem na szafirze Izolacja jest zapewniona dzięki zastosowaniu podłoża dielektrycznego na którym są w pewnych odstępach ulokowane wyspu krzemu monokrystalicznego.

c) Izolacja powietrzna - wyspy krzemu monokr. są zawieszone na grubych warstwach poołączeń metalicznych

Izol. złączowo-dielektryczna

a) ISOPLANAR II

b) V-ATE

PORÓWNANIA Izolacja złączowo-dielektryczna w porównaniu ze standardową złączową pozwala na większe upakowanie przy niewielkim wzroście kosztów prodykcji .

Jeśli chodzi o izolacje dielektryczną -to wszystkie jej trzy warianty zapewniają uzyskanie lepszych parametrów niż w przypadku izolacji złączowej. Odznaczają się one przede wszystkim mniejszymi prądami upływu, większą odpornością na wpływ promieniowania radioaktywnego.Jest to jednak technologia droga gdyż wymaga stosowania wielu dodatkowych operacji. Dlatego izolacje dielektryczne stosuje się rzadko, a tylko w układach o specjalistycznym zastosowaniu np. wojskowe, kosmiczne.

Diody LED - Dioda elektroluminescencyjna (LED)

emituje strumień fotonów w wyniku zmiany energi elektr. na energię promien. świetlnego. Elektrony odbierają energię ze źródła zasilającego diodę a oddają energie promien. świetlnego wskutek procesu rekombinacji bezpośredniej. Warunkiem emisji fotonu jest niezmienność pędu elektronu przy przejściu z pasma przewod. do pasma walenc. Warunki takie spełnia GaAs,GaP (Si nie bo wydziela się ciepło).

Przy pracy diody w kierunku przewodzenia elekt. są wstrzykiwane z obszaru n do p a dziury z p do n. Wstrzykiwane nośniki rekombinują z nośnikami przeciwnego rodzaju i tracąc energie równą szerokości pasma zabronionego Wg powodują emisję promieniow. świetlnego o dł fali λ=1240/Wg

Im szersze pasmo zabronione tym szerszy zakres emitowanego promieniowania. Im wyższy prąd tym

słabiej dioda świeci. Powinna być zasilana prądem impulsowym o f=3-8 Hz.Im większy kąt padaniatym mniejszy zasięg. Diody te są silnie domieszkowane.

Materiał Wg [eV} λ kolor

GaAs 1.38 900 podczerwień

GaAsx 1.38-2.25 900-560 żółtozielony

Sic 2.8 450 niebieski

GaN 3.9 370 ultrafiolet

Parametry:

-Światłość Jv[cd] 1-70

-Luminencja Lv

-moc promieniowania Pe

-prąd przewodzenia J_F 10-20 mA

-nap. przebicia U_R 3-4V

-moc P 100mW

-temp pracy Tj=Ta+RthU_F

-sprawność energetyczna ζ=dPe/dP 100%

Typowe konstrukcje

Idealna struktura MIS przyjmuje się że bez polaryzacji zewnętrznej zarówno w elektrodzie metalowej jak również w warstwie dielektryka i w podłożu półprzewodnikowym nie ma żadnych nieskompensowanych ładunków elektrycznych.

Izolator idealny.

Dla bardziej złożonych rozważań wprowadzamy model pasmowy.Nowe pojęcia to praca wyjścia z metalu i półprze.(qΦ_m ,qΦ_s).Praca wyjścia jest to bariera jaką muszą pokonać elektrony aby oddalić się na nieskoń. odległość. W struk. idealnej Φ_m=Φ_s bo inaczej nastąpił by przepływ elekt. z materiału o mniejszej pracy wyjścia.Najbardziej istotną cecha modelu pasmowego MIS-a jest zaginanie krawędzi

pasm energetycznych.

-Akumulacja (Ug<0) pasma energet. zaginają się przy powierzchni półprze. dogóry co odpowiada zwiększeniu koncent. nośnik większościowych (w `p' dziur) i zmniejsz. koncentr. nośnik. mniejszość. w obszarze przy powierzchn. półprz. Powstaje cienka warstwa akumulacyjna

-Zubożenie (Ug>0) pasma zagięte do do dołu

-Inwersja jeszcze bardziej do dołu

-Silna inwersja - gdy koncentracja nośników mniej. przy powierzchni zrówna się z koncent.nośników większościoowych w głębi półprzewodnika.

Charakterystyka pojemn-napięciowa MIS-a

Idealny kondensator MOS tostruktura w której:

-warst SIO₂ jest jednor. io niesk rezystywn.

-nie ma nieskomp. ład. w SIO₂ ani w obsz. graniczn.

Pojemność kondens. MOS można przedstawić jako szeregowe połączenie poj. warstwy dielektrycznej C_o i pojemn. obszaru przypowierz. SI C_s (C_s zależy od napięcia bramki)

W obszarze akumulacji oraz inwersji o pojemności struktury decyduje C_o.Gdy powstaje obszar zubożony to zaczyna mieć wpływ C_s.

Charakt. pojemn-napięciowa dla częstotl.> 100Hz

Rzeczywistay MIS różni się od idealnego tym ,że przy polaryzacji Ug=0 istnieją niskompensowane ładunki przestrzenne. Powodem tego może być:

-rózne prace wyjścia z metalu i półprzewodnika

- w warstwie dielektr. istnieją niskompens. ładunki el

- stany powierzchni. w obsza. granicznym i w SIO₂

Stan nierównowagi jest gdy przyłożymy napięcie zewnętrze lub dy odległosć miedzy metalem a pół. jest niskoń. wielka. W stanie równowagi ustala się taka wartość ładunku przestrzennego że prawdopodobień. przejścia z metalu do półp. jest jednakowe.Wówczas w warstwie dielektryka i w obszarze przypowierzchniowym istnieje pole elektryczne. Stan wyprostowanych pasm energetyccznych w półprzewodniku otrzymujesię przy napięciu U_g kompensującym wewnętrznepole elektryczne Ug=Φm-Φs

Stany powierzchniowe

W paśmie zabronionymciała stałegoistnieją elektronowe stany energetyczne spowodowane nieciąglością sieci kryst.Stany powierzchniowe mogą spełniać funkcje akceptorów lub donorów. Stanyte istnieją wobszarzeSi-SIO₂ oraz w warstwie dielektryka, można je podzielić na wymienialne ( położ. na wysokości pasma zabro. półrz.) i nie wymieniające. ładunek z półprzewodnikiem. Ładunek występujący w dielektry. można podzielić na ruchomy i nie ruchomy.

ład.ruchomy w warstw. dielektryka

ładunek nieruchomy w warstwie dielektr.

ład.stały stan. powierzch. uloko. nagran SI-SIO₂

ład. zmiennych stan.powie. wymien. ład. z półprz.

Tranzystory MISFET W zależności od polaryzacji bramki w półprz. pod bramką tworzą się warst. akumul.,zuboż lub inwersyjna. Gdy akumul. lub zuboż. to droga od żródła do drenu odpowiada złączom p+-n włączonym przeciwstawnie. Może więc płynąć tylko mały prąd wsteczny niezależnie od polaryzacji. Gdy występuje inwersja to obszar żródła i drenu łączy warstwa o tym samym typie przewodnictwa nazyw. kanałem.

Klasyfikacja MISFET-ów:

-Z kanałem typu'p' na podłożutypu `n'

-Z kanałem typu'n' na podłożutypu `p'

-Z kana.zaindukowanym-w pos.wars. inwersyjnej

-Z kana.wbudowanym-w pos.wars. domieszkowanej

-Z kan. zubożanym(norm.włącz.przy Ugs=0 I_D<>0)

-Z kan.wzbogaconym (norm.wyłą.przy Ugd=0 I_D=0)

Charakterys. i parametry statyczne MISFET-ów

-Zakres nienasycenia (0<U_DS.<U_Dssat)

I_D= β[(Ug-U_T)(U_D-U_S)-(U_D²- U_S²) / 2]

-Zakres nasycenia I_D= (β /2)* (U_GS-U_T)²

I_D nie zależy od U_DS., zależy od U_GS

Parametry statyczne

U_T -nap.progowe- wart. U_GS przy której I_D = np. 1

BU_GSS-nap. przebicia między bramką a podłożem

BU_DSS-nap przeb.między dren a źródłem

I_DSS-prąd nasycenia

I_GSS-prąd upływu bramki przy zwarciu źródła i drenu

r_DS.(ON)rezyst. statyczna między drenem a źródłem dla max pradu drenu

Modele statyczne

Praca nieliniowa dynamiczna

Praca z małymi sygnałami

Model złącz m-s z uwzględ. stanów powierzch.

W rzeczywistym złączu m-s bariera energetyczna w małym stopniu zależy od różnicy prac wyjścia. Nie wystarczy więc odpowiednio dobrać materiały aby otrzymać złacze o odpowiedniej właściwości. Złącze m-s typu n (Ge GaAs) wykazuje właściwości prostownicze niezależnie od rodzaju metalu. Dla Ge, GaAs, Si stany powierzchniowe mają charakter akceptorowy, tj. przechwytują elektrony z pólprzewodnika jonizując się ujemnie. Zatem przy powierzchni półprzewodnika typu n wytwarza się warstwa zubożona czyli pasma energetyczne zaginają się „do góry”. Przy dużej gęstości stanów powierz. ulokowanych niedaleko środka pasma zabronionego, poziom Fermiego przy powierzchni półprzew. jest jakby przywiązany do poziomu stanów powierzchniowych tj. znajdują się w pobliżu

środka pasma zabronianego.

W rzeczywistej strukturze gdy /Φ_m / < /Φ_s / to choć (tak jak w idealnej ) po zetknięciu metalu z półp. więcej elektronów będzie przechodzić z metalu do półp. niż na odwrót. to niewielka tylko część elektronów znajdzie się w półprzew. neutralizując częsciowo ładunek warstwy zubożonej, wiele natomiast elektr. przechwycą stany powierzchniowe.

Q_s - Q _st = 0 Q_s - ΔQ_s - Q_st -ΔQ_st + Q_m = 0

a Q_m = ΔQ_s + ΔQ_st

Ponieważ gęstość stanów powierzchniowych jest bardzo duża, więc nieznaczna zmiana zagięcia poziomów energetycznych powoduje duże przyrosty ładunku Q_st(ład. metalu), czyli

ΔQ_st >>ΔQ_s . Dlatego bariera energetyczna istniejąca przy powierzchni pólprzewodnika, wskutek działania stanów powierzchniowych, tylko nieznacznie maleje przy zetknięciu z metalem m i zlącze ma właściwości prostownicze.

Rzeczywiste złącz m-s niezależnie od rodzaju metalu ma właściwości prostownicze.

Złącz M-S

Złącze m-s może mieć symetr. lub nie symetryczn charakteryst. prądowa napięciową.

Niesymetryczne char. - diody Schotkiego

Symetryczne char.- kontakt omowy

Właściwości złącza m-s zależa od prac wyjścia elektr. z metalu i półp. oraz od stanów powierzchni.

Uproszczony model

Pomijamy wpływ stanów powierzchn. -właściwości złącza zależą więc tylko odprac wyjścia z me. i pół.oraz rodzaju przewodności. Dla „n” mamy:

- /Φ_m/</Φ_s/ po zetknięciu metalu z półprze. układ dążydo równowagi. Ponieważ praca wyjścia z metalu jest mniejsza więcej elektronów przechodzi z met. do półp. niż odwrotnie. W skutek tego przy powierzchni półp. gromadzą się elektrony powoduj.

powst - ład przestrzen.a przy powierz. metalu ubytek elektron powod. powst + ład. przest. Dipolowa warstwa ład. przestrze. powoduje powstanie dodatk.

bariery dla elek. przechodz . z metalu do półprz. W związku z tym liczba elektr. wychodz.z metalu do półp. maleje aż ustalą się jednakowe wartości przwdopod. przejścia w obu kierunkach.Większa koncentr. elektr. przy powierzch. półp. niż w głebi oznacza zaginanie poziom dna pasma do dołu. Rs>>Ra>>Rm (a- war.akumul m-met s-pół)

Rezyst całkowita określona jest Rs. Przy polaryz zmienia się tylko Ra a że Rs nie zależy od U więc

złącze ma charakter liniowy

- /Φ_m />/Φ_s / Rd>Rs>>Rm (Rd-wars. zubożona)

Całkowita warto to Rd.Przy polaryz Rd się zmienia

bo zmieniasię koncentr elektr. w warst.zuboż.

Złącze takie nazyw. prostującym.

Charakterystyka I(U)

Gdy złącze typu „n” to istnieje kier. przewodz. i zap. Wartość prądów zależy od wysok bariery.

Potencjał Φs w M-S odpowiad. napięc. dyfuzyj Φ_B w P-N. Ponieważ Φs<Φ_B tospadek napię.na złączu M-S pracującym wkier. przewodz będzie mniejszy.

Gdy U=0 to

Jnm+Jns=0

Jpm+Jps=0

Przy polaryz w kier. zaporowym (+ do pół. - do me)

Przy polaryz w kier przewodzenia ( + do m - do p)

J=Jnm[exp (U/Φ_T) -1] Jnm=AT­² exp(-Φ_o/Φ_T)

Efekt Schotttkiego jest to obniżenie bariery Schottkiego (qΦ_o) spowodowane zewnętrznym polem elektrycznym.

Z półprzewodnika do metalu przechodzą elektrony o energii większej niż energia bariery qΦs, są to zatem elektrony o energi qΦ_o większej niż energia Fermiego w metalu. Dlatego mówi się że do metalu są wstrzykiwane elektrony gorące a złączez barierą Schotkiego nazyw. złączem z gorącymi elektronami.

Schem. zastępczy m-s

Bariera Schotkiego to bariera poten. na styku metalu z pół. Diody m-s z barierą Schotkiegosą szybkie bo nie ma w nich magazynowania nośników mniejszo. tzn. nie ma pojemności dyfuzyjnej . Mogą pracowąc przy dużych częstotliwwościach

Kontakt omowy-nazywamy złącze metalu z półprz., charakteryz. się następującymi właściwosciami:

- liniowa i symetryczna charakteryst prąd-nap

-jak najmniejsza rezystancja

Kontakt omowy będzie gdy warstwa zaporowa będzie tak cienka że elektrony będą mogły przechodzić przez nią tunelowo, zostaniewyeliminowany wpływ stanów powierzchniowych przez ich całkowite opróżnienie lub zapełnienie.

Kontakty omowe mają strukturę m-p++-p lub

m-n+-n. Kontakt omowy wykonuje się w dwóch fazach. Najpierw półprzewodnik jest silnie domieszkowany przy powierzchni, potem następuje naparowanie cienkiej warstwy aluminum i jej wtopienie.

Tranzystory PNFET Prąd w kanale jest strum. nośników większo. Dostarczonych przez jedną elaktrodę zwaną źródłem a odbierane przez drugą zwaną drenem.Dla tranz. `n'drenem jest ta spośród dwu rozpatry. elektrod która ma wyższy potencjał dodatni. Tranzystor PNFET praccuje tylko przy polaryzacji zaporowej złącza bramka-kanał.

Zasada działania Szerokość kanału zależy stopnia domieszk. kanału i bramki oraz od polaryzacji złacza kanał źródło. Prąd drenu jest funkcją napięcia

dren-źródło oraz bramka- źródło. Dwie charakteryst.

- przejściowa Id(U_GS) /U_DS=CONST

- wyjściowa Id(U_DS) /U_GS=CONST

Charakter. wyjściowa - zależność prądu Id od U_DS. Kanał można traktować jako rezystor dla małych napięć. Złącze bramka-kanał jest spoolaryz. w kierunku zaporowym przy czym im bliżej drenu tym polar,jest mocniejsza.Odpowiednio dla tej polaryzacji rozszerza się warstwa zaporowa złącza bramka-kanał. Efektem tego jest zmniejszenie przekroju kanału.Przy zwiększaniu U_DS kanał staje się co raz cieńszy więc rezysta. kanału wzrasta. Powoduje to zmniejszanie nachylenia charakteryst.

Dalsze zwiększanie U_DS. powoduje zetknięcie się dwuch warst zaporowych w pobliżu drenu w punkcie o nazwie punkt odcięcia.. Niemożliwy staje się wtedy wzrost pradu Id. U_DS.=U_DSSAT

Charakterystyka przejściowa - w miarę zwiększania ujemnej wartości napięcia U_GS warstwa zaporowa rozszerza się,powodując zmniejszenie przekroju kanału czyli wzrost rezystancji kanału, a to powoduje zmniejszenie prądu Id przy U_DS. W miarę zwiększania ujem. wartości U_GS następuje zetknięcie się oobu warstw zaporowych, czyli kanał zosteje odcięty. Takii stan to odcięcie a takie napięcie U_GS to napięcieodcięcia Up. Dalszy wzrost - U_GS może doprowadzić tylko do przebicia złącza bramk-kanał.

Z tego wszystkiego wynika że PNFET może pracować w jednym z trzech zakresów:

-nieprzewodze. (zatkania) /U_GS/>/Up/ U_DS.-dowolne

-nienasycenia dla /U_GS/</Up/ oraz /U_DS/</U_DSsat/

-nasycenia /U_GS/</Up/ oraz /U_DS/>/U_DSsat/

Charakterystyki i parametry statyczne

W przypadku dużej grubości kanału-rozkład koncentracji domieszki jest równomierny.

W przypadku małej grubości kanału-rozkład koncentracji domieszki jest szpilkowy

Parametry statyczne

Up - napięcie nasycenia

I_DSS-prąd nasycenia dla U_GS=0

-r_DS./ON/ -rezystancja dren żródło przy U_GS=0

-I_GSS-prąd bramki prrzy U_GS=0

Model statyczny:

Praca nieliniowa dynamiczna

Reakcja PNFET-a na szybką zmianę warunków polaryzacji nie jest natychmiastowa w skutek dwuch zjawisk:

-ładowanie warstwy zaporowej złącza bramka-kanał

-skończony czas przelotu nośników przez kanał

W stanie ustalonym prąd bramki jest równy zero a prądy źródła są sobie równe.

Cgsi-poj. G-S dla ideal

Cgdi -poj.G-D dla ideal

Cgde,Cgse-poj wars zap

Praca z małymi sygnałami. (małosygnałowa)

Przy sterowaniu małym sygnałem można PNFET-a opisać model. Czwórnik. alb omodel. fizycznym.

Modele czwórnikowe - jak dla bipolarnego

Modele fizyczne:

a) dla małej częstotliwości ( Quasi-statyczne)

transkonduktancja g_m konduktancja wyjśćowa g_ds

Dla zakresu nasycenia g_ds.=0

b) dla dużej częstotliwości

Schemattrzeba uzupełnićpojemnościiami międzyelektrodowymi.Są to pojemności Cgs, Cgd

A niekiedy uwzględnia się pojemność rozproszenia między drenema źródłem.

Ciss=Cgs+Cgd Ciss-poj.wejściowa

Crss=Cgd Crrs-pojemność zwrotna

Coss=Cds+Cgs pojemność wyjściowa

Procesy przejściowe w tranzystorze

Głównym procesem związanym z pracą impulsową jest zjawisko przeładowywania bazy.W chwili to następuje zmiana nap. wejśc. od -Er do Ef. Prąd bazy osiąga natychmiast wartość Ibf. Napięcie Ube natomiast osiąga wartość zero po pewnym czasie a punkt pracy przechodzi

TECHNOLOGIE

Tranzystory podstawowym rodzajem tran. w technologi monolitycznej są tr. n-p-n. Róźnice między tra. monolitycznyma dyskretnym:

- istnieniewarstwy zagrzebanej - aby zmniejszała rezystancję szeregową kolektora

- ulokowanie w wyspie odizolow. od innych elemen.

-wyprowad. wszystkich kontaktów na górną powierz

W zasadzie działania

nalęży uwzględnić dodatk.

wpływ sprzężeń pasożyt.

tranzyst. monolitycz. z

podłożem. Uwzględnić

należy pasożyt. tranzyst.

p-n-p orz pojem Ccs między

C a podłożem. Tran pasoż. nie

występuje przy izolacji dielektr.

a objawia się przy izola. złączo.

Efekt tyrystorowy przy połącze.

tra. pasoż. z tra. właściwym.

Tworzenie tr. p-n-p o parametr. podobnych do n-p-n

wymaga zastoso. dodatkowej operacji. Dwa rodzaje

p-n-p: a) wertykalny (piono.)- inaczej pasożyt. w którym rolę E spełnia podłoże . Nie ma warstwy zagrzebanej i może pracować tylko przy WE.

b) tr. lateralny (poziomy) obszary C i E są tworzone

równocześnie z dyfuzją bazy tranzystora n-p-n.

Diody Wykorzystuje się ze złączy p-n istniejących w strukturze tranzysora. 5 możliwych konfiguracji:

a)

Duże napiecie przebicia 20-60V średni czas przełączania (50-70ns)

b) c)

Duże nap. przeb.20-60 Małe napiecie przebicia

większy czas przełącz. (6-7V)

d) e)

Duże nap. przeb.20-60 Małe napiecie przebicia

większy czas przełącz. (6-7V) większy czas przeł.

W a) i c) pozostawia się warstwe zagrzebaną która osłabia wzmocnienie prądowe pasożytnicz. tranzyst.

W innych układ. stosuje się diody Schotkiego

charakter. się znikomo małym czaasem

przełącz. i małym spadkiem napięcia

przypracy w kierunku przewodzenia.

( Struktura diody Schottkiego)

TECHNOLOGIE

REZYSTORY funkcję rezystorów spełniają warstwy dyfuzyjne, wykone równocześnie z poszczególnymi obszarami tranz. Teoretycznie można wykożystać warstwy: podloża, wars. epitaksjalnej (kolektor), obszar B lub E. Najczęściej stosuje się obszar B.

Rezystancja powierzchniowa jest to rezystan. warstwy o kształcie kwadratowym. przy czym nie zależy ona od dł boku kwadratu R=ρ/h --> [Author:k ] ρ-rezystywn.

a) rezy. bazowy

b) rezy. emiterowy

c) rezystor ściśnięty

(jego wada to nielin. przebieg pradu w funk. napięc.)

Wszystkie 3 rodzaje mają dodatni wspólczynnik rezystancji o wartości 0,05..0,5% / `C. Tolerancje bardzo duże: 20μm ± 20% E i B , ± 50 % ściśnięty.

Kondensatory zwykle w postaci:

- złącza p-n -(wykorz. złącza E-B lub C-B) nielini. kondens. może pracować tylko przy polaryzacji w kierunku zaporowym.

- Struktury MOS - konden. płaski którego dolną okładkę stanowi silnie domieszk. warst. n+ dielekt. jest war. SIO2 , okład. górna warstwa aluminimum.

Napięcie przebicia co najmniej 50 V. Pojemn. konde.

nie zalęży od nap. polaryzu. i wynosi 350 pF/mm2.

Tolerancja w obu przypadkach wynosi ± 20%

Indukcyjność nie realizuje się w USB !!!.

Skrzyżowanie ścieżek metalicznych:

- metalizacja wielopoziomowa - droga

-skrzyżowanie tunelowe najczę. stosowane

Podsumowanie

Parametry tran. i diód są porównywalne z odpowiednikami dyskretnymi.

Paramet. rezyst. i konden. gorsze niż w tech. dyskre.

Brak indukcyjności.

Termistory - są to przyrządy p.p które działają na zasadzie zmiany rezystancji p.p pod wpływem zmian temp. środowiska termistora, zmiany mocy wydzielonej w termistorze pod wpływem zmiany płynącego przez termistor prądu lub obydwoma czynnikami na raz.

Rezystywność p.p można opisać ρ=ATexp(Wg/kT)

Wyróżnia się trzy rodzaje termistorów różniących się charakterem zmian rezystancji w funkcji temp.

NTC - R maleje wraz ze wzrostem T

PTC- R rośnie wraz ze wzrostem T

CTR- rezytancja wykonuje gwałtowny skok dla pewnej temp.

Charakterystyki

a)statyczna temper. rezystancji R(T)

b)napięciowo prądowa dla T=const

U=JR_∞exp(B/T) B=Wg/2k

NTC - parametry

-temp.współczynnik rezyst. α_T=1/R*dR/dT= -B/T²

^-czułość tempeerat. B

-współczynnik strat cieplnych k=P/T-T₀

-max dopuszczalna temp

-R₂₅-rezystancja w temp 25`C

PTC - Parametry jak dla NTC

CTR- Parametry jak dla NTC

i dodat.

-temp.krytyczna-

Tc=(Tp+Tk)/2

Mechanizm spadku rezystancji NTC

Wzrost konduktywności przez:

-praca w zakresie przewodzenia samoistnego

-zakres gdy nie wszystkie domieszki zjonizowane

Wzrost ruchliwości nośników (polikryształy)

Mechanizm wzrostu rezystancji PTC

Ze wzrostem T zmniejszenie ruchliwości

Wykonanie

NTC- tlenki lub mieszaniny tlenku tytanu,niklu

PTC-metoda charakterys. dla ceramiki BaTiO₃ +dom

CTR - spieki polikrystalicznego tlenku wanadu

Zastosowania

-pomiar temp. , stabilizacja prądów i napięć

-pomiar mocy prądów

-pomiar mocy promieniowania podzczerwieni

Elementy przełącznikowe

Elementy spełniające rolę przełączników (klucza) pracują na przemian w jednym z dwóch stanów, nazywanych blokowaniem (duża rezystancja elemetu) i przewodzeniem (mała rezyst. element).

Taką funkcję może spełnić tran bipolol. przełączany ze stanu odcięcia do nasyce. lub polowy przełączany ze stanu zatkania do przewodze.

Tranz. jednozłączowy UJT Tranz. jednozłączowy nazywany także diodą dwubazwą jest trójkońcówko. przyrządem półprze.przełanczającym działającym na zasadzie modulacji konduktywności półprzewodnika Następuje przełączanie ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia przy pewnej krytycznej wartości napięcia nazywanej napięciem przełączania. Istnieje możliwość regulacji napięcia przełączania przy pomocy niezależnych źródeł napięcioowych.

Niewielki obszar p spełnia rolę emitera.

Podstawowa charakterystyka to zalężność prądu emitera Ie od napięcia emiter-baza pierwsza Ue.

Gdy napięcie Uee>(Ue+φ)przez diodę zaczyna

płynąć duży prąd przewodzenia. Przy stałej wartości rb1 dalszy wzrost napięcia Uee spowodował by, że prąd Ie wzrastałby zgdnie z krzywą 2. Jednak rb1 zmienia swą wartość w funkcji prądu Ie wskutek zjawiska nazywanego modulacją konduktywności

σ =q (μ n+μp) gdy Ie=0

σ = q(μ Δn + μΔp)gdy Ie >0

Oznacza to że przy wzroście prądu rośnie konduktancja złącza emiter-baza pierwsza co powoduje zwiększenie prądu Ie.

PARAMETRY

-moc rozpraszana

-max prąd emitera

-max nap. wstecz.

-zakres temperatu.

- rezystancja rbb

-prąd w szczycie Ip

-prąd w dolinie Iv

Transoptory - elementy półprzewodnikowe zbudowane przynajmniej z jednego fotoemitera i fotodetektora które są umieszczone w jednej obudowie . Taka budowa umożliwia przesyłanie sygnałów elektrycznych z wejścia na wyjście bez połączeń galwanicznych.

W transoptorze występuje sprzężenie optyczne między wejściem a wyjściem przy jednoczesnym odseparowaniu galwanicznym. Znajdują zastosowanie jako szybkie przełączniki miniaturowe i przekaźniki optoelektryczne. Rolę emitera w obwodzie wejściowym spełnia dioda LED.

Transoptory dzielą się na:

-Transoptory z fototranzystorem

-Transoptory z fotodiodą

Transoptory z fototranzystorem buduje się w dwóch układach:

-Z fototranzystorem którego baza jest wyprowadzona na zewnątrz

-Z fototranzystorem bez wyprowadzenia bazy

Parametry:

Ui - napięccie wytrzymałości izolacji

K -stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego

k -zmiennoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego

tr- czas narastania

tf- czas opadania

fd-czas opóźnienia impulsu wyjściowego

Jr(on) - prąd wyjściowy w stanie włączenia

Tranzystor bipolarny w jego działaniu odgrywają zasadniczą rolę oba rodzaje nośników (dziury i elek)

-stopowe-(mało) równomierny rozkład domieszek w bazie.Duża wartość napięcia przebicia(bezdryftowe)

-epiplenarne (2-krotna dyfuzja)-nierównomierny rozkład doomieszek wbazie (dryftowe). Dla działania

tranzystora najważniejszy jest transport nośników w

bazie.W dryftowych - transport unoszeniowy w bezdryftowych tylko transport dyfuzyjny

Zasada działania Elektrony są wstrzykiwane z E do B pod wpływem U_BE (w kier.przewo.). Z B elektrony przesuwają się do C (pod wpływem wbudowanego pola elektryczn znajduj. się w B tran.dryfto. lub dyfuzji w tran. bezdryf),przy czym część rekombinuje z dziurami w B tworząc prąd B a reszta jest odbierana przez silne pole elektr. w wars. zaporowej złącza C-B tworząc prąd C.

I_E=I_B+I_C I_B=I_rB + I_rEB+I_P -I_CB0 I_c=α_nI_E+I_CBO

Rozkład koncentracji nośników nadmiar. w bazie

1) tylko unoszenie- stała koncentracja w całej bazie

2) tylko dyfuzja-rozkład nośni. nadmiar. jest liniowy

W tranzystorze dryftowym prąd emitera jest a razy większy. J_N /_dryf = aJ_N /_dyfuz

Współczynnik wzmocnienia α_n=α _e α _b

- α_e rośnie gdy U_EB rośnie czyli gdy I_E rośnie

-α_b ma większą wartość w tranzy. dryftowych a maleje dla dużych prądów I_E .

Modele nieliniowe statyczne Praca nieli. statyczna-

związki między U a I stałymi na końcówkach tranz.

Dla aktywnego bez α_I I_dC ,dla inwersyj. α_N I_dE

I_E = I_ES (expU_EB/ϕ_T -1) - α_I I_CS (expU_CB/ϕ_T -1)

I_C = -I_CS (expU_CB/ϕ_T -1) - α_N I_ES (expU_EB/ϕ_T -1)

α_I - współcz. wzmocnienia inwersyjnego

α_N-współczynnik wzmocnienia normalnego

α_NI _ES= α_II_CS Dwa modele E. Molla:

a) inikcyjny - zmienne niezależne to prądy wstrzykiwane przez emiter i kolektor

b) transportowy- zmiennymi niezależnymi są prądy zbierane przez C i E

Aby zwiększyć dokładność modelu E.Molla należy uwzględnić rezystancje szeregową E , C i B.

Charakterystyki statyczne

Stan statyczny tranzystora traktowanegojako czwórnik nielinowy jest opisany I i U na wejś.

oraz U i I na wyjściu.

Charak. statyczna-związek jednej wielkości zależnej od dwóch niezależnych przy stałej wartości drugiej wielkości traktowanej jako parametr.

U₁=f(I₁)_U2=const wejściow U₁=f(U₂)_I1=const zwrotna

I₂=f(I₁)_U2=const przejścio I₂=f(U₂)_I1=const wyjściowa

Zjawisko Early'ego-modulacja efektywnej szerok. B

Modulacja efektywnej szerokości bazy -zmiana wielkości wejściowych wskutek zmiany U wyjściow

W WE nachylenie charakter.wyjściowej. jest większe niż w WB bo w miarę wzrostu U_CE nie tylko maleje efektywna szerokość B ale też zwiększa się wstrzykiwan. nośników z emitera. Odziaływanie zwrotne w WE jest silniejsze niż w WB.

Parametry statyczne wielkości ograniczające dozwolony obszar pracy aktywnej tranzystora.

Moc admisyjna, prad max , prąd zerowy, napięcie max, napięcie nasycenia (tylko dla WE)

Prądy zerowe 1) 2)

I_CB0, I_CE0

I_CES, I_CBR

Napięcie max- przebicie Zenera , skrośne,lawinowe

Lawinowe-najczęściej złącze B-C. Napięcie przebicia zależy od układu włączenia. Największe dla WB przy rozwarym E najmniejsze w WE przy rozwa. B.

Mechanizm przebicia taki jak dla złącza P-N

U_CB0max> U_CE0max (WB M→∞) (WE M.>1)

Napięcie nasycenia - ogranicza minimalną wartość napięcia U_CE przy pracy tranzystora w obszarze aktywnym, czyli wyznacza granicę między zakresem aktywnym a zakresem nasycenia.

U_CE= U_CEsat gdy U_CB=0 . Napięcie U_CB=0 przedstawia parabola na wykresie. Wyznacza ona granicę między liniowymi i nieliniowymi zmianami prądu C w funkcji napięcia C-E.

Gdy tranzystor jest jest wykorzystywany w układach impulsowych to U_Cesat należy określić jako najmniejsza wartość spadku napięcia C-E przy przewodzącym jeszcze tranzystorze. Im mniejsze jest to napięcie tym lepiej tranzystor spełnia rolę klucza. Ogólnie napięcie nasycenia to napięcie

U_CE zmierzone przy określonym I_C i I_B spełniającym warunek : I_B>I_C / β_n

Praca nieliniowa dynamiczna tran. bipolr.

Tranzystor bipol. jest elementem inercyjnym

Tzn. odpowiedź na szybką zmianę warunków wysterowania nie jest w nim natychmiastowa.

Inercyjność jest związana ze zmianami dwu rodzajów ładunków tj. ładunków warstwy zaporowej złączy E-B,C-B ładun. mniejszość.

nadmia w B,E,C.

Praca impulsowa.Głównym procesem związanym z

pracą impu. jest zjawisko przeładowania obszaru B.

Przełączanie

td-czas opóźnienia

tr-czas narastania

Ic 10%-90%

ts-czas magazyno.

czas międ. wyłącz.

impulsu a 90% Ic

ts-czas opadania

Ic od 90 do 10%

t_on=td+tr t_off=ts+tf

Nieliniowe modele dynamiczne

Cde-poj.dyf. E

Cdc-poj.dyf. C

I_E=Id_E -α_II_dc+(C_je+C_de) dU_BE/dt

I_C=-Id_C+α_NI_dE+(C_jc+C_dc) dU_BC/dt i_b=i_e-i_c

Poj.złączowa - warstwa zaporowa zachowuje się jak kondensator nieliniowy, gdyż zawiera ładunek przestrzenny nieliniowo zależny od U polaryzują.

C_je=C_je0(1-U_be/φ_E)^-nE C_jc=C_jc0(1-U_ce/φ_E)^-nC

Poj.dyfuzyjna Cd=(ΔQmniej, nadmiar) / ΔU

Można wymienić dwie przyczyny zmian ładunku nośników mniejsz. nadmiar.w tranz.:

-wstrzykiwanie nośników (poj.iniekcyjna C^Id )

-modulacja efektywnej szerokości B (modul. C^Md)

poj iniekcyjna-gdy polar złącza w kier. przewodzenia

W zakresie zatkania poj. dyfuzyjna nie występuje.

Praca z małymi sygnałami (małosygnałowa)

Mały sygnał-syg.o takiej amplitudzie przy której można pominąć nieliniowość zależności U i I na końcówkach tranz. Przyjmuje się, że tran. sterowa. małym syg. zachowuje się jak element liniowy.

MODELE LINIOWE:

1. końcówkowe (czwórnikowe)

2. fizyczne

Modele czwórnikowe

u₁=z₁₁i₁+z₁₂i₂ r. Impe u₁=h₁₁i₁+h₁₂u₂ r.mieszane

u₂=z₂₁i₁+z₂₂i₂ dacyjne i₂=h₂₁i₁+h₂₂u₂

h₁₁-imp. wejś

h₁₂-współ.odział.

zwrot. h₂₁-wz.prąd

y_11­-­admit.wejścio

h₁₁=1/ y₁₁

Każdą parę równań można przedstawić w postaci sieci elektrycznej. Wartości h zalężą od układu włącz.: WB h₂₁=0.99 WE h₂₁= 100 (β) WC h₂₁ β+1

Parametry macierzy rozproszenia dla częs>300MHz

Zamiast napięć i prądów stosuje się ich liniowe kombinacje. b₁=s₁₁a₁+s₁₂a₂ b₂=s₂₁a₁+s₂₂a₂

Dla małych częstot. - h .Dla dużych częstotliwości

gdy widać przesunięcia między U i I stosuje się y.

Dla bardzo dużej częstotliwości stosuje się par. s.

Modele fizyczne (schematy zastępcze)-

stanowią mniej lub bardziej wierne odbiecie zjawisk zachodzących wewnątrz tranzystora. Większość schematów zastęp. ma strukturę T lub Π. W obszarze aktywnym normalnym można pominąć poj. dyfuzjyną kolektora C_dc. Jeżeli uwzględnimy wpływ zjawisk modulacji efektywnej szerok. Bazy to model należy uzupeł. konduktanc. zwrotną g_b`c.

Cb`e=Cje+Cde

Gdy WE i częst< 8kHz można pominąć poj.

Gdy 8KHz<f<1,6MHz należy dać Cb`c

Gdy f>1.6MHz nie można pominąć żadnej poj.

Ujemny wpływ rezystancji rozproszenia bazy:

-zmniejszenie max. częst generacji

-wypychanie I_E , zwiększanie współcz. szumów

Tranzystory dużej mocy. Nierównomierność gęstości I_E jest tym mniejsza im mniejsza jest średnica E oraz im bliżej emitera znajduje się elektroda bazy. Dlatego dla tr.dużej mocy zamiast jednej warstwy emitera daje się połączenia równoległych warstw emitera a małych

powierzchniach.

Tranz.mikrofalowe to takie gdy f_T> 1GHz.

a) tran.małej mocy , parametry

-częstotl.grani.,wzmocnienie, współ.szumów

Najważniejsze aby otrzymać jak najmniejszą

rezystancję rozproszenia bazy r_bb Wymagania:

cieńka B , małe powierzchnie złączy

b) tranz dużej mocy , parametry:

-częst.gran, moc rozpraszana, wzmocn mocy

W celu odprowadzenia dużego ciepła tranzystory mocy maja duże obudowy o jednej płaskiej powierzchni zapewniające dobry styk z radiatorem.

Tranzystor jako element przełączający

Tranzystor w układzie WE może znajdować się w jednym z trzech możliwych stanów:

-w stanie nasycenia (B)

-w stanie aktywnum normalnym

- w stanie zatkania (A)

Punkty A i B są wyznaczone przez odpowiednie wartoośći prądu tranzystora Ib oraz prostą obciążenia.

Maksymalny prą u układzie kolektora wynosi :

Icmax=Ecc/Rc a max Uce które można obserwować na wyjściu układu to Uwy=Ecc.

Tranzysor w stanie nasycenia: Zwiększanie prądu bazy powoduje przesuwanie się punktu pracy co jeest związane ze spadkiem Uce oraz wzrostem prądu Ic. Ponieważ Uce=Ucb+Ube istotna zmiana zachdzi gdy Ucb=0. Wteedy tranz. przechodzi ze stanu aktywnego do nasycenia.

Zpunktu widzenia zastosowania tranzystora w ukłaadach impulsowych , napięcie nasycenia określa się jako najmniejszą wartośc napięcia Uce którą można wyznaczyć z wykresy jako punkt przesunięcia prostej obciążenia z krzywą ic=f(Uce) dla danego Ib.

Przy niskim poziomie napięć wejściowych „0” wartoośc napięcia wyjśc. przyjmyje wysoką wartość `1” i na odwwrót.

Tyrystory

Tyrystor jest to półprzewodnikowy element dwustanowy o trzech lub więcej złączach (czterech lub więcej warstwach) który może być przelączany ze stanu blokowania do stanu przewodz. i odwrotne.

Jednokierunkowe: dynistor , tyrystor

Dwukierunkowe: diak , triak

Gdy stan zaporowy wIII ćwiartce to praca jednokier. z możliwością przełączania tylko w I ćwiartce.

Gdy przełączanie w I i III ćwiartce to działałanie dwukierunkowe.

Tyrystor jednokierunkowy

Ma on strukturę trójzłączową p-n-p-n. Można go traktować jako połączenie dwóch tranzystorów typu p-n-p oraz n-p-n

Złącza j1,j3 spełniają funkcję złączy E-B

Złącze j2 jest złączem kolektorowym.

Wyróżniamy trzy zakresy pracy tranzystora:

zaporowy , blokowania , przewodzenia

-stan zaporowy - przy polaryzacji anody napięciem ujemnym względem katody. Wtedy złącza j1 , j2 są spolaryzowane w kierunku zaporowym a złącze j2 - w kierunku przewodzenia. Prąd płynący przez tyrystor w tym zakresie jest bardzo małym prądem wstecznym złączy j1 ,j2. W miarę zwiększania napięcia przy pewnej jego wartości następuje przebicie złącza j1 , potem j3 czyli charakt. w zakresie zaporowy. nie różni się od charakter. diody.

-stan blokowania - przy polaryzacji anody napięciem dodatnim względem katody. j1 i j3 są spolaryzowane w kierunku przewodzenia.

Warunek stanu blokowania to ,że suma współczynników wzmocnienia prądowego

(α1+α2)<1. Prąd w obwodzie zewnętrznym(prąd anodowy Ia) jest równy sumie prądów składowych płynących przez złącze j2. Ia=α1*Ia+α2* Ik+Ig

Ia=Ik więc Ia=Ig / (1-(α1-α2))

-Stan przewodzenia Gdy (α1-α2)→1 prąd anodowy dąży do nieskończoności i następuje zapłon tyryst. czyli przełączenia się do stanu przewodzenia. Przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia następuje dopiero przy dużym

napięciu Uak (Up).

Wtedy złącze j2 (w stanie blokowania blokuje przepływ prądu , jest wtedy spolaryzowane zaporowo) polaryzuje się w kierunku przewodzenia.

W tyrystorach można brać poduwagę dwie przyczyny zwiększania prządu anodowego:

- powielanie lawinowe nośników w warstwie zaporowej złącza j2 przy odpowiednim dużym napięciu Uak.

- zwiększenie prądu Ig pod wpływem wzrosty temp.

Podstawowe parametry:

Urwm- szczytow. wsteczn.napięcie

Urr- powtarzalne szczyt. napię. wsteczne

Udwm-szczytowe napię. w stanie blokowania

Ut- napięcie przeewodzenia

Itrm-powtarzalny szczyt. prąd przewodzenia

Tyrystor dwukierunkowy

Układy scalone warstwowe

I) Cienkowarstwowe - są wytwarzane metodami nanoszenia w próżni cienkich warstw przewodzących, rezystancyjnych i dielektrycznych na bierne podłoże izolacyjne. W ten sposób otrzymuje się wysokiej jakości rezystory i kondensatory natomiast tranzystory i diody są wytwarzane oddzielnie i są dolutowywane

Procesy technologiczne

Podstawowym procesem w technologii cienkowarstwowej jest nanoszenie warstw w próżni. Stosuje się głównie dwie metody:

-naparowywanie cieplne

-rozpylanie katodowe.

Podłoże Materiały które tworzą podłoże muszą mieć -dobre właściwości izolacyjne

-dobrą gładkość powierzchni

-dobre przewodnictwo cieplne

Warstwy przewodzące - łączą elementy, tworzą okładki kondensatorów itp. Muszą mieć

-dużą przewodność

-dobrą przyczepność do podłoża

Rezystory - wytwarzane przez nanoszenie na podłoże cienkich warstw metalicznych lub mieszanin metali i dielektryka. Najczęściej stosuje się nichrom. Możliwa jest korekcja rezystancji po naniesieniu warstwy rezystancyjnej na podłoże. (tego nie ma w układach scalonych półprzewodnikowych)

Kondensatory- naniesienie na podłoże kolejnych warstw: metalicznej i dielektrycznej i metalicznej. Warstwy metaliczne to złoto. Dielektryk to SIO_X

II) Grubowarstwowe- są wytwarzane przez nanoszenie metodą sitodruku warstw przewodzących, rezystancyjnych i dielektrycznych na bierne podłoże izolacyjne. Otrzymuje się dobrej jakości rezystory i kondensatory ale tranzystory i diody trzeba wykonać w osobnym procesie i montować indywidualnie.

Proces technologiczny- Podstawowym procesem jest nanoszenie warstw grubych na podłoże ceramiczne metodą sitodruku. W układach grubowarstwowych nie można stosować podłoży szklanych. Dlatego stosuje się podłoże ceramiczne.

Kondensatory- nanoszone kolejne warstwy:

przewodząca, dielektryczna, przewodząca

Układy scal. unipolarne podobnie jak układy bipolarne są wytwarzane wyłącznie w krzemie technologią epiplenarną. W układach scal. unipol. są stosowane jedynie tranzystory MIS. Ukł. scal. MIS

mają w porównaniu z układa. bipolarn. szereg zalet:

-prostrza technologia wytwarzania (mniej procesów)

-możliwość wykonania całego ukł. tylko z MIS-ów

-większa gęstość upakowania (zajmują mniej miejs.)

- naturalna samoizolacja- zbędne są więc wyspy

- znacznie mniejszy pobór mocy

- ustępują jednak pod względem szybkości działania w porównaniu do ukł. bipolarnych

W ukł. scal. unipol. stosuje się wszystkie cztery rodzaje tranzystorów MIS tj z kanałami wzbogaconymi i zubożanymi typu p i n.

Tran. MOS z kanałem wzbogaconym Cechą charakterystyczną konstrukcji tran. z kanałem wzbogaconym jest to , że bramka całkowicie pokrywa kanał przykrywając częściowo obszary p+ źródła i drenu.

Tran. MOS z kanałem wzbogaconym typu n Istotną zaletą tranz. z kanałem typu n w porównaniu tran. z kanałem p jest większa szybkość działania z uwagi na około 3 -krotnie większą ruchliwość elektr. niż dziur. Główne fazy wytwarzania są te same tylko zamiast boru stosuje się fosfor przy domieszkowa.

Jednak tran. z bramką aluminiową wykonany w ten sposób ma ujemne napięcie progwe czyli jest tranz. z kanałem zubożanym. Aby otrzymać dodatnią wartość napięcia progowego, czyli tran. z kanałm wzbogaconym typu n trzeba:

-zwiększyć poziom domieszkowania podłoża

-zastosować dodatkową polaryzację podłoża

-zastosować bramke krzemową zamiast aluminiowej

Tran. MOS z kanałem zubożanym W przypadku bramki aluminiowej w sposób naturalny uzyskuje się tran. z kanałem zubożanym typu n . Gdy używamy bramki krzemowej to trzeba kanał wbudować posługując się jedną z następujących metod: dyfuzja, implantacja, epitaksja.

Technologia bramki krzemowej Najważniejszymi czynnikami ograniczającymi szbkość działania tran. MIS są pojemności pasożytnicze Cgse Cgde spowodowane częściowym pokryciem obszarów źródła i drenu przez elektrodę bramki. Jest dużo metod powodujących zmniejszenie zachodzenia bramki nad obszary źródłai drenu:

- stosowanie bramki krzemowej albo wolframowej

Najczęściej stosuje się metodę bramki krzemowej.

Zalety technologi bramki krzemowej:

- zwiększenie szybkości działania ukł. scalonych bo mniejsze pojemności pasożytnicze.

- zwiększenie upakowania

- korzystne wartości napięcia progowego

Technologia CMOS Stosując cykl technologiczny podobny jak w układach bipolarnych( z wyspami izolacyjnymi) można wykonać we wspólnym podłożu półprzewewodnikowym tranzystory MOS z przeciwnymi rodzajami przewodnictwa kanałów. Dwa tranz. MOS z kanałem p i kanałem typu n nazywa się parą komplementarną.

Tranzystory MIS jako elementy pamięci

Pamięci stałe- rodzaj tranzystorów MIS w których są wykorzystywane zjawiska trwałego magazynowania ładunku. Funkcję elementów pamięci stałej spełniają tranzystory MNOS, MAOS , FAMOS.

Warystor - jest to element p.p którego konduktywność zależy silnie od doprowadzonego napięcia. Do budowy wykorzystuje się zwykle węglik krzemu (SIC) spiekanego proszku w wysokiej temp.Charakterystyka J od U jest symetryczna względem początku układu współrzędnych.

U=CJ^B C,B-stałe zależne od materiału

Nieliniowość charakterystyki tłumaczy się kilkoma teoriami:

-pod wpływem wzrostu natężenia pola elektry. następuje przebicie warstw tlenkowych pokryw. SIC

-na powierz. ziaren występuje inwersja typu p.p. styki ziaren tworzą szeregowe przeciwstawne układy prostownicze

-nagrzewanie się styków ziaren przez prąd płynący przez nie , same może powodować wzrost konduktywności

-przy wzroście napięcia w szczelinach powstaje silne pole elektryczne i następuje emisja elektronów

-tunelowanie przez szczeliny wypełnione powietrzem

Parametry

Współczynnik nieliniowości B=dR/R B=tgα

-napięcie charakterystyczne U-

-rezystancja statyczna Rs=U/J=CJ^(B-1)

-rezystancja dynamiczna Rd=dU/dJ=BCJ^(B-1)

^-temperaturowy współczynnik zmian pojemności

C_T=C₀[1+α(T-T₀)] gdy T rośnie to C maleje

-temperaturowy współczynnik zmian napięcia

U_T=U₀[1+α(T-T₀)]

Zastosowanie

-Zabezpieczenie układów przed przebiciem

-stabilizacja napięcia

-powielanie częstotliwości

Typowe konstrukcje

Wpływ temperatury na złącze P-N

Przyrządy półprzewodnikowe mogą pracować

W zakresie tzw. średnich temp w których prawie wszystkie atomy domieszek są zjonizowane a generacja jest jeszcze mało prawdopodobna.

Zakres zaporowy

W tym zakresie przez złącze płynie prąd J_R =J_S +Jg przy czym w Ge przeważa J_S w Si przeważa Jg.

Js~exp(-Wg/kT) Ge Jg~ exp(-Wg/2kT) dla Si

1/Js dJs/dT = Wg/kT² Ge 1/Jg dJg/dT = Wg/2kT²

Współczynnik temp prądu wstecznego wynosi ok.:

9% dla Ge 7% dla Si

Można przyjąć że dla obu złączy prąd wsteczny zwiększa się dwukrotnie przy wzroście temp o 10`C

Zakres przebicia

Tu zmiany napięcia w funkcji temperatury można zapisać w postaci zależności liniowej

Up=Up(0)[1+ β(T-T₀)] β-temp współcz przebicia

β<0 dla Zenera β>0 dla lawinowego

a)Przebicie Zenera

wzrost T

-zmniejszenie szerokości pasma zabronionego

-zmniejszenie szerokości warstwy zaporowej

-wzrost prądu Zenera przy stałym napięciu lub zmniejszenie napięcia przy stałym prądzie

b) Przebicie Lawinowe

wzrost T

-wzrost amplitudy drgań atomów

-wzrost prawdopodobieństwa zderzeń

-mniejsza droga swobodna nośników

-mniejsza wartość energii kinet nośników

-zmniejszenie prawdopodobieństwa jonizacji zderzeniowej

-zmniejszenie prądu przy stałym napięciu lub wzrost napięcia przy stałym prądzie

Kierunek przewodzenia

J=J_R [exp qU/mkT -1]

Temp współczynnik prądu przewodzenia przy stałym napięciu U wynosi:

1/J dJ/dT_U = 1/ J_R dJ_R/dT - qU/mkT

1/J dJ/dT_U =(Wg-qU)/ 2kT² Si małe prądy

1/J dJ/dT_U =(Wg-qU)/ kT² Ge i (Si praca normal)

Współczynnik temperaturowy prądu przewodzenia wynosi 8% dla typowych warunków pracy złączy w temp. 300K

U=0.3V dla Ge , U=0.3V dla Si małe prądy

U=0.7V dla Si normalna praca

Wytwarzanie warstw domieszkowych

Technologia stopowa

Płytkę germanu wraz z kulką indu umieszcza się w kasetce grafitowej i podgrzewa do temp ok. 50`C. Jest to temp. wyższa od temp topnienia Indu a niższa od temp topnienia germanu

Epitaksja - wytwarzanie cienkiej warstwy p.p monokryst na podłożu monokrystalicznym z zachowaniem ciągłości budowy krystalicznej z podłożem. Dzielimy na hetero i homoepitaksje. Najczęściej występuje homoepitaksja - czyli np. krzem na krzemie. Dużo jest metod otrzymywania warstwy epitaksjalnej:

• redyfuzja czterochlorku krzemu wodorem

SICL₄(gaz) +2H₂(gaz) = Si(ciało stałe) 4HCL(gaz)

SICL₄(gaz)+Si(ciało stałe)=2SICL₂(gaz)

Do p.p narastającego w procesie epitaksji można doprowadzać domieszki donorowe lub akceptorowe o koncentracji regulowanych w szerokim zakresie T>900`C

Dyfuzja- wytwarzanie w monokrystalicznym p.p cienkiej monokrystalicznej warstwy półprzewodnikowej na drodze dyfuzji. Przy dostatecznie dużej temp do powierzchni płytki podłożowej dostarcza się pewną liczbę atomów pierwiastka służącego jako domieszkę to wskutek chaotycznego ruchu cieplnego tych atomów będą one dyfundować w głąb podłoża tj. przesuwać się z obszarów o większej koncentracji do obszarów o mniejszej koncentracji.

a)dyfuzja z nieograniczonego żródła

N(x,t)=N_oerfc(x/2L_D)

b) dyfuzja z ograniczonego źródła

Predyfuzja- 1 część dyfuzji

Redyfuzja 2-część dyfuzji

Implantacja- polega na wbijaniu jonów kryształu wskutek bombardowania powierzchni płytki p.p jonami rozpędzonymi w silnym polu elektrycznym

We współczesnej technologii p.p implantacja jonów jest jednym z podstawowych procesów technologicznych stosowanych niekiedy zamiast dyfuzji lecz najczęściej jako proces uzupełniający.

1 źródło implantów

2 układ przyspiesza

3 pole magnetyczne

4 układ odchylający

5 komora z podgrzanym podłożem

PORÓWNANIE

Dyfuzja Implantacja

Proces wysokotemp Temp pokojowa

Gazy domieszkowe Wysoka próżnia

Tylko domieszki rozpuszcz Dowolne domiesz

w ciele stałym Dowolny kształt

Określony kształt wars domie warstwy domieszk

Tanie źródło domieszek Drogie domieszk

Częstotliwośc graniczna tranzystora

W miarę wzrostu częstotli. sygnału zmieniają się warunki pracy tranz. przede wszystkim maleje jego wzmocnienie prądowe. Dlatego trzeba określić pasmo częstotliwości, w jakim tranzystor może pracować. Częstotliwość ograniczająca to pasmo z góry to częstotliw. graniczna. W strukturze tranzystora można wyodrębnić trzy warstwy, w których niezależne zjawiska powodują zmniejszenie i opóźnienie sygnału. Są to : warstw. zaporowa złacza E-B, warstwa B, warst. zapor. złącza B-C.

Najważniejsze znaczenie mają zjawiska zachod. w bazie.Gdy okres sygnału jest porównywalny z czasem przelotu nośników przez bazę to bierzemy pod uwagę oprócz rekombinacji także :

przesunięcie fazowe (skończony czas przejścia sygnału przez bazę), rozmycie dyfuzyjne (część nośników gromadzonych w B w czasie trwania jednej połówki sinusoidalnego prądu E jest z niej usuwana w drugiej połówce z powrotem do E.) Określamy pulsację przy której prąd C jest opóźniony o 45 do prądu E (WB) a jego amplituda jest razy mniejsza.

Charakterystyka częstotliwościowa modułu i fazy współczynika wzmocnienia.

Opóźnienie wnoszone przez warstwę zaporową złącza E-B jest spowodowane tym że proces wstrzykiwania nośników jest zgodny w fazie z napięciem na złączu, a napięcie opóźni się w stosunku do wejściowego prądu emitera

dla bezdryftowego

dla dryftowego

Częstotliwość graniczna -def. techniczna

fα- częstotl. przy której moduł zwarciowego współczynnika wzmocnienia prądowego /α(f)/ w układzie WB maleje o 3dB czyli do poziomu α /√2 , przy czym α jest wartością α(f) dla f→0

fβ-częstotliwość, przy której moduł zwarciowego współczynnika wzmocnienia prądowego /β(f)/ w układzie WE maleje o 3 dB, czyli do poziomu β/√2 , przy czym β jest wartością β(f) przy f→0

ft- iloczyn częstotliwoości i modułu współczynnika wzmocnienia prądowego /β(f)/ zmierzony w zakresie f >fβ

f1- częstotli., przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego /β(f)/ w układzie WE równa się jedności

fmax- maksymalna częstotliwoośc generacji, przy której wzmocnienie mocy równa się jedności

fmax> fα> f1> ft > fβ ft =β*fβ f1=ft

Model złącz m-s z uwzględ. stanów powierzch.

W rzeczywistym złączu m-s bariera energetyczna w małym stopniu zależy od różnicy prac wyjścia. Nie wystarczy więc odpowiednio dobrać materiały aby otrzymać złacze o odpowiedniej właściwości. Złącze m-s typu n (Ge GaAs) wykazuje właściwości prostownicze niezależnie od rodzaju metalu. Dla Ge, GaAs, Si stany powierzchniowe mają charakter akceptorowy, tj. przechwytują eleektrony z pólprzewodnika jonizując się ujemnie. Zatem przy powierzchni pólprzewodnika typu wytwarza się warstwa zubożona czyli pasma energetyczne zaginają się „do góry”. Przy dużej gęstości stanów powierz. ulokowanych niedaleko środka pasma zabronionego, poziom Fermiego przy powieerzchni półprzew. jest jakby przywiązany do poziomu stanów powierzchniowych.

W rzeczywistej strukturze gdy / / < / / to choć (tak jak w idealnej ) po zetknięciu metalu z półp. więcej elektronów będzie przechodzić z metalu do pólp. niż na odwrót. to niewielka tylko część elektronów znajdzie się w pólprzew. neutralizując częsciowo ładunek warstwy zubożonej, wiele natomiast elektr. przechwycą stany powierzchniowe.

Q - Q = 0 Q - Q - Q - Q + Q = 0

a Q = Q + Q

Ponieważ gęstość stanów powierzchniowych jest bardzo duża, więc nieznaczna zmiana zagięcia poziomów energetycznych powoduje duże przyrosty ładunku Q .Dlatego bariera energetyczna istniejąca przy powierzchni pólprzew., wskutek działani stanów powierzchniowych, tylko nieznacznie maleje przy zetknięciu z metalem i zlącze ma właściwości prostownicze.

Rzeczywiste złącz m-s niezależnie od rodzaju metalu ma właściwości prostownicze.

1

---