1 WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓWStruktura kryształu krzemu i tetraedr koordynacyjny utworzony przez najbliższych sąsiadów każdego jonu Si+4 (a=108o29') Model planarny periodycznej struktury półprzewodnika

2 Krzem w grupie węglowców [1,2,3]Tablica 1.1. Krzem w grupie węglowców [1,2,3] Krzem w grupie węglowców Element Parametr C Si Ge Sn Pb grafit diament masa atomowa 28,09 72,60 118,70 207,21 liczba atomowa 6 14 32 50 82 ilość elektronów na ostatniej powłoce 4 wartościowość +4 +2, +4 gęstość atom. [#/cm3] 5,0x1022 4,4x1022 stała sieci [nm] w 300K 0,337 0,3567 0,54308 0,56575 0,64892 (szara) 4,95 odl. m. jonami [nm] 0,142 0,154 0,235 0,244 0,28(szara) 0,350 gęstość [g/cm3] 2,25 3,52 2,32 5,323 5,8(a-szara) 7,3(b-biała) 11,34 rezystywność [m] 8.10-6 1012 2.103 0,4 1,2.10-7(sz) 2,1.10-7 dylatacja [ppm/K] 1-6 0,8 2,6 5,8 26,7 29 przew. cieplna [W/mK] 300 2000 150 60,6 65 38 temp. topnienia [oC] - >3550 1420 937 231 327 temp.[oC] prężności par 10-1 mbar 2520 1830 1580 1390 832

3 Tworzenie się pasm energetycznych po zbliżeniu jonów na odległość stałej sieci a oraz położenie poziomu EC (zwykle pustego w półprzewodnikach w T=0 K) i poziomu EV zapełnionego elektronami w T=0 K W półprzewodnikach (i dielektrykach) istnieje pomiędzy pasmem walencyjnym o największej energii EV a pasmem przewodnictwa o najmniejszej energii EC zakres energii wzbronionej dla elektronów walencyjnych – przerwa energetyczna

4 Generacja pary elektron-dziura Minimalny poziom energetyczny EC jest energią potencjalną elektronów w paśmie przewodnictwa; każdy nadmiar ponad EC jest energią kinetyczną w całkowitej energii E prawie swobodnie przemieszczającego się elektronu w przestrzeniach międzywęzłowych sieci krystalicznej półprzewodnika gdzie: tzw. masa efektywna elektronu, czyli masa, która uwzględnia także oddziaływanie periodycznego pola sieci krystalicznej na elektron, vth - średnia prędkość termiczna elektronu. Generacja pary elektron-dziura w strukturze wiązań walencyjnych półprzewodnika

5 Prawdopodobieństwo obsady dozwolonego kwantowymi prawami wyboru stanu o energii E przez elektron w półprzewodniku o temperaturze T jest wyrażone funkcją Fermiego-Diraca gdzie: EF –poziom Fermiego, hipotetyczny stan energetyczny odniesienia, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wynosi fn(EF,T)=0,5, k - stała Boltzmanna: k=8, eV/K. Funkcje Fermiego-Diraca dla elektronów fn(E) i dziur fp(E) w różnych temperaturach

6 1.2.                    PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE

7

8 SZUMY W PÓŁPRZEWODNIKACHW półprzewodnikach występują cztery podstawowe mechanizmy szumów, które powodują, że prądy i napięcia fluktuują w sposób przypadkowy wokół wartości średniej. 1. Szumy cieplne (thermal noise), szumy śrutowe (shot noise), szumy generacyjno-rekombinacyjne (G-R noise) i szumy migotania (flickier noise – albo szum typu 1/f). Szumy cieplne powstają na skutek oddziaływań drgań cieplnych sieci krystalicznej półprzewodnika w temperaturze T>0 na nośniki ładunku. Ich ruch cieplny z kolei wywołuje chaotyczne zmiany napięcia un,th(t) lub prądu in,th(t) fluktuujące wokół wartości średnich lub , obserwowane pomiędzy zewnętrznymi elektrodami próbki półprzewodnika o rezystancji R.

9 2. Szum śrutowy występuje przy przepływie prądu przez barierę potencjału w aktywnych przyrządach półprzewodnikowych i jest efektem mikroskopowej, dyskretnej natury prądu: I=Nq/t - jako strumienia skończonej liczby N nośników o ładunku q. Średnia kwadratowa wartość szumu śrutowego zgodnie z teorią Schottky'ego wynosi ) gdzie I0 - wartość średnia prądu, B=Df - przedział częstotliwości, w którym mierzony jest szum. 3. Szum generacyjno-rekombinacyjny (szumy G-R), który powstaje przy fluktuacjach prędkości generacji, rekombinacji i pułapkowania nośników ładunku. Prąd szumów G-R zależy od średniego czasu życia nośników ładunku; generowanych elektronów w paśmie przewodnictwa tn Po przyłożeniu pola elektrycznego także w półprzewodnikach pojawia się 4. Szum migotania. Źródło prądowe tych szumów zapisywane jest w postaci gdzie: a2, b=0,8...1,4. Szum migotania jest głównym szumem obserwowanym poniżej 10 kHz i malejącym z częstotliwością. Jest związany z prądami upływności przez stany powierzchniowe, które przechwytują część nośników. Stała czasowa przebywania nośników w pułapkach może być dostatecznie długa. Przy bardzo niskich częstotliwościach szumy te mają charakter przypadkowych trzasków we wzmacniaczach akustycznych (tzw. popcorn noise). Niektóre efekty mogą być związane z obecnością ziaren i innych defektów krystalicznych. Szumy migotania słabo zależą od temperatury.

10 DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWEa) Przekrój, b) symbol graficzny diody złączowej p-n oraz c) charakterystyka prądowo-napięciowa i d) symbol diody idealnej

11 Aby ocenić przydatność diody w różnorodnych układach elektronicznych określane są jej maksymalne, dopuszczalne oraz charakterystyczne prądy i napięcia: URWM­ - maksymalne napięcie wsteczne, które może być wielokrotnie przykładane do diody, UR­ - maksymalne stałe napięcie wsteczne, URSM­ - maksymalne napięcie wsteczne, które niepowtarzalnie może być przyłożone do diody, IFSM - maksymalny prąd przewodzenia, UF - napięcie przewodzenia przy stałym określonym prądzie, IR - prąd wsteczny przy określonym napięciu rewersyjnym i temperaturze złącza Tj. Charakterystyka napięciowo-prądowa krzemowej diody złączowej rzeczywistej

12 IGR0 -zerowy prąd generacyjno-rekombinacyjny w obszarze Prąd diody rzeczywistej w kierunku przewodzenia składa się głównie z dwóch prądów: rekombinacyjnego i dyfuzyjnego (3.1) gdzie: IGR0 -zerowy prąd generacyjno-rekombinacyjny w obszarze złącza p-n przy uD=uF0, I0 - prąd rewersyjny nasycenia nośników mniejszościowych przy uRuD0, rS - rezystancja szeregowa diody, UT - potencjał termiczny elektronów: UT =kT/q ( 25,8 mV w 300 K), uD-iDrS - napięcie bezpośrednio na złączu, przeciwne napięciu dyfuzyjnemu Schemat zastępczy diody rzeczywistej: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym

13

14 Diody impulsowe Efekty dynamiczne diody impulsowej

15 Załączenie i przełączenie diody p+-n generatorem napięciowym:a) - napięcia na diodzie, b) - napięcia na bazie diody, c) - napięcia na złączu, d) - prąd płynący przez diodę

16 Procesy przejściowe w diodzie pracującej przy dużych impulsach prądowych:a)      - prąd płynący przez diodę, b)      - napięcie na rezystancji szeregowej bazy, c)      - napięcie na złączu p+-n, d)      - całkowity przebieg napięcia na diodzie

17 Diody stabilizacyjne

18 Diody tunelowe

19 Model komputerowy diody (SPICE)(3.75) gdzie: IS - prąd nasycenia w temperaturze nominalnej TNOM=27oC (IS­), N - współczynnik emisji (n) - parametry komputerowe, które mają w programie wbudowaną wartość – SPICE default . Model małosygnałowy diody w SPICE/Pspice

20 Tranzystory bipolarneStruktury n-p-n i p-n-p tranzystorów bipolarnych oraz ich symbole układowe: E - emiter, C - kolektor, B - baza

21 ) Przekrój planarnego tranzystora bipolarnego n p n, ) diagram pasm E B C bez polaryzacji qU EB = +0,6 eV b ) - CB = 10eV a c ) z polaryzacją x E B n + p n I nE nC C E C pE RG R _ _ U _ _ BE CC ) Przekrój planarnego tranzystora bipolarnego n p n, ) diagram pasm energetycznych, ) jednowymiarowy model tranzystora przy polaryzacji do pracy w układzie wzmacniającym u >0 i <0 (z zaznaczonymi strumieniami elektronów i dziur ) CO

22

23 Charakterystyki wyjściowe tranzystora dla konfiguracji wspólnej bazy

24 Trzy konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

25 Konfiguracja OE Jednowymiarowa struktura tranzystora n+-p-nw konfiguracji OE

26 Modele Ebersa-Molla dla tranzystorów n-p-n i p-n-pModel Ebersa-Molla Modele Ebersa-Molla dla tranzystorów n-p-n i p-n-p - prąd rewersyjny nasycenia złącza emiterowego przy zwartym (S – short) złączu kolektorowym (prąd zerowy przy = 0), - prąd rewersyjny nasycenia złącza kolektorowego przy zwartym złączu emiterowym (prąd zerowy przy = 0), nE i nC - współczynniki nieidealności (emisji) złącza, kolejno, emiterowego i kolektorowego, - stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji wspólnej bazy (OB) przy aktywnej pracy normalnej wg definicji (4.3), - stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla konfiguracji OB przy aktywnej pracy inwersyjnej (zwrotnej).

27 Charakterystyki wyjściowe dla konfiguracji OE- napięcie Early’ego dla pracy inwersyjnej

28 Małosygnałowy wzmacniacz na tranzystorze bipolarnym w konfiguracji OEa) Małosygnałowy stopień wzmacniania na tranzystorze n-p-n, b) układ polaryzacji stałoprądowej tranzystora Wyznacza sie maksymalną częstotliwość przenoszenia fT jako Zależności częstotliwościowe: a) - modułów małosygnałowych współczynników wzmocnienia b dla OE i dla OB, , b) – fazy q­b, oraz c) idealny diagram wektorowy amplitud zespolonych prądów tranzystora

29 Małosygnałowe parametry użytkowe tranzystorów bipolarnych w podstawowych konfiguracjach układowychOE OB OC Impedancja wejściowa Zwe średnia rbe mała rbe/bF duża rbe+(1+bF)() Impedancja wyjściowa bardzo duża Wzmocnienie prądowe duże bF <1 aF= bF /(1+ bF) bF+1 Wzmocnienie napięciowe Wzmocnienie mocy bardzo duże średnie Częstotliwości graniczne małe fb faF fb  fb

30 Odpowiedzi tranzystora na idealny (prostokątny) impuls załączenia i przełączenia ze źródła napięciowego od UF do -UR: a) - napięcia na złączu emiterowym, b) - prądu bazy, c) - prądu kolektora z zaznaczonym ładunkiem przesterowania bazy QS d) - napięcia na tranzystorze

31 Typowe zależności współczynnika szumów tranzystora: a) od prądu emitera,b) od napięcia na kolektorze, c) od częstotliwości

32 TRANZYSTORY POLOWE Przekroje, symbole graficzne, sposób polaryzacji oraz charakterystyki przejściowe i wyjściowe tranzystorów polowych złączowych (JFET)

33 Przekroje, symbole graficzne, sposób polaryzacji oraz charakterystyki przejściowe i wyjściowe tranzystorów polowych z izolowana bramką z kanałem zubożanym (MOSFET)

34 Przekroje, symbole graficzne, sposób polaryzacji oraz charakterystyki przejściowe i wyjściowe tranzystorów polowych z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym (MOSFET)

35

36 a) Monolityczny n-JFET w układzie scalonym wykonany w technologii BiFET, b) – i jego małosygnałowy schemat zastępczy z dwoma źródłami prądowymi

37 MODEL KOMPUTEROWY JFET W SPICE/PSpice

38 TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ (MOSFET)

39

40

41 PRZYRZĄDY OPTOELEKTRONICZNEFotorezystor Fotodioda

42 Fototranzystor

43

44 Kompaktowy transoptor składający się z LED i fotodiody krzemowej zalanych w żywicy polimerowej i jego symbol graficzny Złącze p-n diody laserowej z lustrzanymi płaszczyznami tworzącymi rezonator optyczny Fabry-Perota

45 TERYSTORY

46

47 ELEMENTY CCD (Charge-Coupled Devices, czyli przyrządy sprzężone ładunkowo)

48 PRZYRZĄDY TERMOELEKTRYCZNEUnoszenie ciepła przez strumień dziur i strumień elektronów w chłodziarce Peltiere’a Schemat termoelementu półprzewodnikowego z rezystancją obciążenia RL

49

50 UKŁADY SCALONE

51 Przekrój i topografia CMOS-owego inwertera

52 Różne topografie CMOS-owych inwerterów

53 Topografia padu I/O

54 Przykładowa topografia z padami

55 Przykładowa cela standardowa jako podsystem modułu scalonego

56 Wybrany procesor z bondingiem

57 Mikrofotografia 6 - bitowego A/D konwertera

58 Procesor Motorola 6809

59 Topografia 1Mb DRAM

60 Procesor Motorola 68030 (logika strukturalna)

61 Przykładowy projekt studencki

62 Wzmacniacze tranzystorowe sygnałów zmiennychSchematy ideowe wzmacniaczy sygnałów zmiennych a) na bazie tranzystora bipolarnego b) na bazie tranzystora polowego Dobór elementów RC i tranzystorów

63 Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza sygnałów zmiennych

64 Wzmacniacz w konfiguracji wspólnego kolektora (wtórnik emiterowy)Cechy charakterystyczne Dobór wartości elementów RC

65 Wzmacniacze prądu stałegoWzmacniacz różnicowy – schemat Własności Dobór elementów (symetria)

66 Charakterystyki przejściowe wzmacniacza różnicowego

67 Podstawowe układy wzmacniaczyróżnicowych na bazie tranzystorów nMOS na bazie źródeł prądowych na tranzystorach pMOS c) z lustrem prądowym z tranz. pMOS

68 Wzmacniacze operacyjneWzmacniacz operacyjny. Oznaczenie i charakterystyka przejściowa

69 Przykładowy wzmacniacz operacyjny wykonany w technologii CMOS

70 Dwustopniowy wzmacniacz operacyjny BiCMOS- Zalety technologii BiCMOS

71 Filtry Charakterystyki filtrów a) dolnoprzepustowego, b) górnoprzepustowego, c) środkowoprzepustowego, d) pasmowozaporowego

72 Filtr dolnoprzepustowy Sallen-Keya

73 Górnoprzepustowy filtr Sallen-Keya

74 Środkowoprzepustowy filtr Sallen-Keya

75 Środkowoprzepustowy filtr Sallen-Keya

76 Wzmacniacze mocy Charakterystyki tranzystora bipolarnego zaznaczonym obszarem użytecznym wzmacniacza mocy

77 Klasy pracy wzmacniaczy mocy

78 Uproszczony schemat wzmacniacza przeciwsobnegoProsta pracy i przebiegi czasowe prądów kolektorów tranzystorów przeciwsobnego wzmacniacza klasy B

79 Schemat wzmacniacza mocy w klasie AB z tranzystorami VDMOS