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

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 12.01115 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

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

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

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=8,857.10-5 eV/K. Funkcje Fermiego-Diraca dla elektronów fn(E) i dziur fp(E) w różnych temperaturach

1.2.                    PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE

SZUMY W PÓŁPRZEWODNIKACH   W 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.

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.

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

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

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

Diody impulsowe Efekty dynamiczne diody impulsowej

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

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

Diody stabilizacyjne

Diody tunelowe

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

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

) 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

Charakterystyki wyjściowe tranzystora dla konfiguracji wspólnej bazy

Trzy konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

Konfiguracja OE Jednowymiarowa struktura tranzystora n+-p-n w konfiguracji OE

Modele Ebersa-Molla dla tranzystorów n-p-n i p-n-p Model 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).

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

Małosygnałowy wzmacniacz na tranzystorze bipolarnym w konfiguracji OE a) 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

Małosygnałowe parametry użytkowe tranzystorów bipolarnych w podstawowych konfiguracjach układowych   OE 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

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

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

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

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

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

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

MODEL KOMPUTEROWY JFET W SPICE/PSpice

TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ (MOSFET)

PRZYRZĄDY OPTOELEKTRONICZNE Fotorezystor Fotodioda

Fototranzystor

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

TERYSTORY

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

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

UKŁADY SCALONE

Przekrój i topografia CMOS-owego inwertera

Różne topografie CMOS-owych inwerterów

Topografia padu I/O

Przykładowa topografia z padami

Przykładowa cela standardowa jako podsystem modułu scalonego

Wybrany procesor z bondingiem

Mikrofotografia 6 - bitowego A/D konwertera

Procesor Motorola 6809

Topografia 1Mb DRAM

Procesor Motorola 68030 (logika strukturalna)

Przykładowy projekt studencki

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

Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza sygnałów zmiennych

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

Wzmacniacze prądu stałego Wzmacniacz różnicowy – schemat Własności Dobór elementów (symetria)

Charakterystyki przejściowe wzmacniacza różnicowego

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

Wzmacniacze operacyjne Wzmacniacz operacyjny. Oznaczenie i charakterystyka przejściowa

Przykładowy wzmacniacz operacyjny wykonany w technologii CMOS

Dwustopniowy wzmacniacz operacyjny BiCMOS - Zalety technologii BiCMOS

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

Filtr dolnoprzepustowy Sallen-Keya

Górnoprzepustowy filtr Sallen-Keya

Środkowoprzepustowy filtr Sallen-Keya

Środkowoprzepustowy filtr Sallen-Keya

Wzmacniacze mocy Charakterystyki tranzystora bipolarnego zaznaczonym obszarem użytecznym wzmacniacza mocy

Klasy pracy wzmacniaczy mocy

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

Schemat wzmacniacza mocy w klasie AB z tranzystorami VDMOS