PEE Moduł 12

From Studia Informatyczne

Enlarge
Podstawowe elementy półprzewodnikowe

Enlarge
Wstęp

Półprzewodnikowe elementy i przyrządy elektroniczne, stanowią jedną z najistotniejszych grup elementów, bez której byłby niemożliwy szybki rozwój elektroniki sygnałowej i energoelektroniki. W elektronice sygnałowej przełomowe znaczenie maja lata 1961, 1965, 1971 kiedy to kolejno uruchomiono na skalę przemysłową produkcję cyfrowych układów scalonych, wzmacniaczy operacyjnych oraz mikroprocesorów. Szybki rozwój energoelektroniki zainicjowało opracowanie wielowarstwowych struktur elementów półprzewodnikowych. W 1957 roku zbudowano tyrystor, a w 1982 tranzystor bipolarny z izolowana bramką (IGBT-Isulated Gate Bipolar Transistor).

Zakres tematyczny niniejszego wykładu obejmuje omówienie właściwości i charakterystyk roboczych podstawowych elementów półprzewodnikowych bezzłączowych o efekcie objętościowym i powierzchniowym oraz elementów jednozłączowych i wielozłączowych


Enlarge
Elementy bezzłączowe można podzielić na dwie grupy: elementy o efekcie objętościowym oraz elementy o efekcie powierzchniowym.

Do grupy elementów o efekcie objętościowym zalicza się między innymi:

Rezystor półprzewodnikowy

Termistory

Warystory

Fotorezystory

Piezorezystory

Magnetorezystory

Hallotrony

Rezonatory piezoelektryczne, a do grupy elementów o efekcie powierzchniowym:

Tranzystory z izolowaną bramką


Enlarge
Rezystor półprzewodnikowy. Jednym z podstawowych elementów każdego obwodu elektronicznego jest rezystor. W monolitycznych układach scalonych wytwarzanych na bazie kryształu krzemu także rezystory są wykonane z półprzewodnika. Ponieważ rezystywność półprzewodnika odpowiednio domieszkowanego jest opisana zależnością
\displaystyle \rho=\frac{1}{e(n\cdot \mu_n+p\cdot \mu_p)}

to jej wartość może być w czasie trwania procesu technologicznego odpowiednio uformowana przez dobór koncentracji i rozkładu domieszek. W ten sposób w warstwie półprzewodnika samoistnego o dużej rezystywności można wytworzyć ścieżkę o wymaganej przewodności. Jeżeli ścieżka ma wymiary długość – l, szerokość – a oraz grubość – h to rezystancja warstwowego rezystora półprzewodnikowego jest równa:

\displaystyle R=\rho \frac{l}{h\cdot a}

Grubość – h ścieżki rezystora wykonanego w konkretnym procesie technologicznym jest stała, zatem rezystancja rezystora zależy oprócz rezystywności ρ także od długości i szerokości wykonanej ścieżki.

\displaystyle R_0=\rho \frac{l}{a}

gdzie \displaystyle R_0= \frac{\rho}{h} - rezystywność powierzchniowa warstwy.

Wartość R_0\, jest stała dla danego procesu technologicznego i w zależności od domieszkowania waha się w zakresie 50 ÷ 250 \Omega\,. Istotne znaczenie praktyczne ma także kształt ścieżki. Często rezystory półprzewodnikowe wykonuje się w postaci meandra co pozwala ograniczyć powierzchnię, którą zajmują oraz zmniejszyć ich indukcyjność własną.


Enlarge
Termistor to elementami półprzewodnikowymi nieliniowymi, w których rezystancja nie jest wielkością stałą lecz zmienia się w zależności od temperatury.

Wyróżnia się trzy podstawowe typy termistorów:

  • termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji NTC (NTC – Negative Temperature Coefficent),
  • termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji PTC (PTC – Positive Temperature Coefficent) oraz
  • termistory o skokowej zmianie rezystancji CTR (CTR – Critical Temperature Resistor).

Rezystancja termistora NTC zmniejsz się ze wzrostem temperatury zgodnie z zależnością

\displaystyle R_T=A\cdot e^{\displaystyle \frac{B}{T}}

gdzie A i B stałe materiałowe, T temperatura bezwzględna (K).

W praktyce najczęściej znana jest znamionowa rezystancja termistora podana dla wzorcowej temperatury t_0 = 25^\circ C dlatego korzystniej jest wyrugować ze wzoru stałą A.

Ponieważ

\displaystyle R_{T0}=A\cdot e^{\displaystyle \frac{B}{T_0}}

to po wyliczeniu A i wstawieniu do zależności

\displaystyle R_T=A\cdot e^{\displaystyle \frac{B}{T}} otrzymujemy \displaystyle R_T=R_{T_0}\cdot e^{\displaystyle (\frac{B}{T}-\frac{B}{T_0})}

Temperaturowy współczynnik rezystancji termistora definiowany następująco

\displaystyle d_T\left[\frac{\%}{C}\right]=\frac{1}{R_T}\frac{dR_T}{dT}

jest dla termistorów typu NTC ujemny i zawiera się w przedziale wartości od -3,5 do -6.

Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora NTC jest także nieliniowa. W zakresie małych prądów przebiega liniowo (tak jak w zwykłym liniowym rezystorze), ale już dla prądów większych od I_{max}\,, pomimo zwiększenia wartości prądu płynącego przez termistor NTC napięcie na jego zaciskach zmniejsza się. Jest to efekt samo podgrzewania się elementu, które powoduje zmniejszanie się jego rezystancji.

Termistory stosuje się jako czujniki temperatury w układach termoregulacji, w klimatyzacji, chłodnictwie, wentylacji oraz układach automatycznej regulacji.


Enlarge
Warystor często nazywany jest rezystorem VDR (Voltage Dependent Resistor) zmniejsza rezystancję, gdy napięcie na jego zaciskach rośnie. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora jest opisana zależnością
U=A\cdot I^{\displaystyle\beta}

A – stałam materiałowa, \beta\, – współczynnik nieliniowości. Stałe A i \beta\, zależą od rodzaju materiału półprzewodnikowego, technologii wykonania i rodzaju warystora. W praktyce warystory mają konstrukcję walcową lub dyskową i są stosowane do ochrony przepięciowej, ograniczania i stabilizacji napięcia oraz w układach automatyczne regulacji.

Typowym parametrem warystora jest napięcie stabilizacji podawane dla typowej wartości prądu przewodzenia np. 1, 10, 100 mA. Ponadto podaje się dopuszczalną moc strat lub częściej energię impulsu przepływającego przez warystor prądu.


Enlarge
Fotorezystor nazywany także rezystorem LDR (Light Dependent Resistor) zmienia rezystancję pod wpływem światła (zarówno w zakresie promieniowania widzialnego jak i niewidzialnego). Poprzez oświetlanie fotorezystora powstają w nim dodatkowe nośniki ładunku, wskutek czego jego rezystancja maleje. Tzw. rezystancja ciemna (bez oświetlenia) jest zwykle równa kilka M\Omega\,, zaś rezystancja jasna, przy określonym natężeniu oświetlenia jest zwykle mniejsza niż 1\,k\Omega\,.

Charakterystyki prądowo-napięciowe fotorezystora to pęk prostych przechodzących przez początek układu współrzędnych o nachyleniu zależnym od wartości strumienia świetlnego \phi\,. Można je opisać równaniem

I=I_c+I_F=(G_c+\Delta G)U

gdzie

I_c\, – prąd ciemny
I_F\, – prąd fotoelektryczny
G_c\, – konduktancja ciemna
\Delta G\, – przyrost konduktancji pod wpływem oświetlenia.

Enlarge
Piezorezystor to element, którego rezystancja zależy od siły nacisku, jaki wywierany jest w osi poprzecznej elementu. Często zastępuje, w przypadku niewielkich odkształceń, klasyczny tensometr wykonany ze stopu oporowego. Czułość piezorezystora jest definiowana jako
\displaystyle k=\frac{\displaystyle\frac{R}{R_0}}{\displaystyle\frac{I}{I_0}}

gdzie

R\, – rezystancja płytki po przyłożeniu siły,
R_0\, – rezystancja początkowa (bez działania siły)
l\, – długość płytki po przyłożeniu siły
l_0\, – początkowa długość płytki (bez działania siły)

Czułość piezorezystora jest bardzo duża 20-200, podczas gdy tensometr oporowy ma czułość tylko 2-6. Piezorezystory stosuje się jako czujniki w pomiarach sił oraz naprężeń statycznych i dynamicznych.


Enlarge
Magnetorezystor nazywany także gaussotronem to rezystor o rezystancji zależnej od pola magnetycznego, w którym go umieszczono. Zależność rezystancji od indukcji magnetycznej opisana jest wzorem
\displaystyle R_B=R_0\cdot \frac{\rho_B}{\rho_0}\cdot f(\mu, B, a, b)

gdzie R_0, \rho_0 – rezystancja i rezystywność elementu przy B = 0\, T

R_B , \rho_B – rezystancja i rezystywność elementu przy B \neq 0\, T

f(\mu, B, a, b) – funkcja zależna od indukcji magnetycznej B i parametrów płytki: wymiarów a, b oraz ruchliwości nośników większościowych \mu\,.

Podstawową charakterystyką magnetorezystora jest zależność R_B = f(B). Magnetorezystory są wrażliwe na temperaturę co oznacza, że mają duży temperaturowy współczynnik rezystancji. Najczęściej nie należy przekraczać temperatury pracy płytki, 95^\circ C . Typowe zastosowanie magnetorezystorów to czujniki do pomiaru indukcji magnetycznej, mocy i skutecznej wartości prądów odkształconych.


Enlarge
Hallotrony są wykonane najczęściej w postaci płytek w kształcie krzyża z litych materiałów półprzewodnikowych lub z płytek mikowych z naparowanym półprzewodnikiem (Ge, InSb, InAs). Często wytwarza się je w technologii hybrydowych układów scalonych w jednej obudowie ze wzmacniaczem operacyjnym. Tego typu układy są szczególnie przydatne do pomiarów i badań pól magnetycznych, wielkości elektrycznych i nie elektrycznych oraz jako elementy mnożące i modulatory sygnałów wolnozmiennych. Właściwości elektryczne hallotronu opisują rodziny charakterystyk statycznych: przejściowych i wyjściowych.

Charakterystyki statyczne przejściowe to funkcje zmian napięcia Halla U_y\, od parametru sterującego: poprzecznego pola magnetycznego B_z\, lub prądu przewodzenia I_x\,. Charakterystyki statyczne wyjściowe to funkcje zmian napięcia Halla U_y\, od prądu obciążenia I_y\, przy stałych parametrach sterujących B_z\,, I_x\,.


Enlarge
Rezonatory piezoelektryczne wykorzystują zjawisko piezoelektryczne, które jest zjawiskiem odwracalnym. Polega ono na tym, że w krysztale półprzewodnikowym występują jednocześnie zjawiska elektryczne i mechaniczne. Podczas odkształcania kryształu w kierunku osi y towarzyszy pojawienie się w osi x napięcia elektrycznego i odwrotnie przyłożenie napięcia w osi elektrycznej spowoduje pojawienie się naprężenia mechanicznego i odkształcenie kryształu w osi mechanicznej. Na rysunku pokazano działanie siły ściskającej F, deformację komórki sieci krystalicznej i przesunięcie jonów powodujące powstanie dipola elektrycznego.

Podstawowym materiałem do budowy rezonatorów piezoceramicznych jest kwarc.

Jeżeli płytka kwarcowa jest zasilana napięciem zmiennym (powstaje zmienne pole elektryczne) o odpowiedniej częstotliwości to zaczyna ona drgać mechanicznie z częstotliwością rezonansową zależną od wymiarów geometrycznych i właściwości mechanicznych płytki. Amplituda drgań jest w tym wypadku znacznie większa od odkształceń jakie powstają, gdy częstotliwość napięcia zasilającego jest odstrojona od częstotliwości rezonansowej płytki. Drgający rezonator kwarcowy można traktować jak obwód rezonansowy. Poza rezonansem stanowi kondensator o pojemności zależnej od wymiarów geometrycznych płytki oraz powierzchni metalizowanych wyprowadzeń. Cechą charakterystyczną rezonatorów piezoelektrycznych jest stałość częstotliwości drgań rezonansowych w pewnym zakresie temperatur oraz powolne zmiany starzeniowe, dlatego stosuje się je często do budowy generatorów sinusoidalnych i filtrów pasmowych.


Enlarge
Elementy bezzłączowe o efekcie powierzchniowym (polowym)

Struktura MIS (Metal-Insulator-Semiconductor)

Na slajdzie przedstawiono strukturę MIS. Podłoże B (Bulk) o grubości 100-300 \mu m stanowi często krzem samoistny lub słabo domieszkowany typu n lub p. Metalem, czyli elektrodą przewodzącą jest najczęściej cienka warstwa napylonego aluminium, a dielektrykiem warstwa tlenku SiO_2\,. Elektrodę metalową nazywamy bramką G (Gate).

Załóżmy, że podłoże wykonano z półprzewodnika typu n o koncentracji elektronów n_0\,.

Pomiędzy bramkę i podłoże przykładamy napięcie UGB wytwarzające słabe pole elektryczne. Jeżeli dla uproszczenia podłoże B umieścimy na potencjale zerowym, to napięcie UGB będzie mogło mieć wartość dodatnią lub ujemną.

  1. Jeżeli U_{GB} > 0\, V to dodatnie pole elektryczne wnika do półprzewodnika i powoduje tzw. akumulację nośników tzn. przyciąganie nośników większościowych (elektronów) do warstwy przypowierzchniowej i utworzenie w niej ładunku przestrzennego ujemnego o wzbogaconej koncentracji n > n_0. Pod tą warstwą znajdują się nieruchome dodatnie jony domieszek tworzące warstwę zubożoną. Ponieważ nastąpiło rozdzielenie ładunków strukturę MIS (w tym wypadku, ponieważ dielektrykiem jest tlenek krzemu strukturę MOS, Metal-Oxide-Semiconductor) można traktować jak kondensator o pojemności C.
  2. U_{GB} \le 0\, V. Jeżeli zmniejszamy napięcie U_{GB}\, od wartości dodatnich do zera zmniejsza się ładunek indukowany w warstwie przypowierzchniowej i koncentracja elektronów powraca do wartości n_0\,. Jeżeli nadal będziemy zmniejszać napięcie U_{GB}\, i będzie spełniony warunek U_{GB} < 0\, V z warstwy przypowierzchniowej będą wypierane elektrony i pojawi się w niej ładunek mniejszościowy, czyli dziury. Nastąpi wzrost koncentracji dziur p > p_0 w tej warstwie. W momencie, gdy n < p następuje zmiana znaku ładunku przestrzennego, czyli inwersja ładunku na którym kończą się linie pola elektrycznego.

Enlarge
Głębokość wnikania pola, a zatem i grubość warstwy inwersyjnej, a także ładunek elektryczny zgromadzony w warstwie inwersyjnej zależy od wartości napięcia U_GB\,
\displaystyle C_s=\frac{dQ_S}{dU_{GB}}

W tej sytuacji pojemność C_s\, jest połączona szeregowo ze stałą pojemnością warstwy dielektryka C_i\,, zależną od rozmiarów geometrycznych struktury i stałej elektrycznej dielektryka. Wypadkowa pojemność struktury jest równa

\displaystyle C=\frac{C_i\cdot C_s(U_{GB})}{C_i + C_s(U_{GB})}

Enlarge
Tranzystor unipolarny z izolowana bramką. Jeżeli strukturę przedstawiona na slajdzie 12 uzupełnić dwoma obszarami bardzo silnie domieszkowanymi typu p^{+} to przy przypowierzchniowa warstwa inwersyjna (tutaj typu p) będzie tworzyła pomiędzy tymi obszarami tzw. kanał. Rezystancja kanału będzie w tym wypadku zależała od jego rozmiarów geometrycznych i koncentracji nośników mniejszościowych i jest znacznie mniejsza od rezystancji podłoża.

Koncentracja nośników w kanale inwersyjnym zależy od natężenia pola elektrycznego wytworzonego przez elektrodę bramkową. Zmieniając napięcie U_{GB}\, zmieniamy natężenie pola elektrycznego, a co za tym idzie także koncentrację nośników i w konsekwencji rezystancję kanału. Można zatem powiedzieć, że rezystancja kanału jest sterowana polowo (napięciowo). Ponieważ prąd płynący pomiędzy dodatkowymi elektrodami tworzą dziury to taki element nazywamy tranzystorem unipolarnym z izolowaną bramką z kanałem typu p. Oczywiście można wytworzyć także strukturę tranzystora z kanałem typu n. Tranzystory unipolarne bezzłączowe, do których zaliczamy tranzystory z izolowana bramką, oznacza się angielskim skrótem IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) lub w przypadku, kiedy dielektrykiem jest tlenek krzemu MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor). Elektrody stanowiące wyprowadzenia z dodatkowych bardzo silnie domieszkowanych obszarów nazywamy drenem D (Drain) i źródłem S (Sourcs). Taka struktura jest symetryczna i dlatego przypisanie poszczególnym elektrodom funkcji drenu i źródła jest umowne. Najczęściej źródło i podłoże są ze sobą połączone (przyjmuje się, że mają potencjał zerowy), a zatem napięciem sterującym tranzystor jest napięcie U_{GS}\,. Dla opisanej wyżej struktury tranzystora MOSFET warunkiem koniecznym do tego, aby można było sterować rezystancją kanału jest U_{GS} < 0\, V. Ponadto przyjmuje się, że napięcie U_{DS}\, jest także ujemne. W opisanym tranzystorze poprzez zmianę napięcia UGS kanał jest wzbogacany w nośniki ładunku typu p, zatem można go nazwać także tranzystorem z kanałem wzbogaconym. Napięcie UGS, przy którym kanał inwersyjny zaczyna przewodzić prąd drenu nazywa się napięciem progowym U_P\,.

Jeżeli dodatkowo poprzez dyfuzję lub implantację jonów do podłoża będzie wytworzony w tranzystorze specjalnie przewodzący kanał to taki tranzystor przy U_{DS} \neq 0\, V nawet przy napięciu U_{GS} = 0\, V będzie przewodził prąd drenu. W tym wypadku, aby wstrzymać przepływ prądu należy wprowadzić pole zubożające kanał wbudowany, a taki tranzystor będziemy nazywali tranzystorem z kanałem zubożonym. Napięcie UGS, przy którym kanał przestaje przewodzić prąd nazywa się napięciem odcięcia i dla uproszczenia oznaczmy go podobnie jak napięcie progowe symbolem U_P\,.


Enlarge
Charakterystyki prądowo-napięciowe

Do opisu tranzystora unipolarnego stosujemy dwie rodziny charakterystyk prądowo-napięciowych:

1. Charakterystyki wyjściowe
I_D=f(U_{DS}) \, dla \, U_{GS}=const
2. Charakterystyki przejściowe (bramkowe lub sterowania)
I_D=f(U_{GS}) \, dla \, U_{DS}=const

Rodzina charakterystyk wyjściowych ma taki sam przebieg dla tranzystorów z kanałem wzbogaconym jak i zubożonym. Dla małych wartości napięcia U_{DS}\, charakterystyka jest praktycznie liniowa, prąd drenu I_D\, rośnie w przybliżeniu proporcjonalnie do napięcia U_{DS}\,, a nachylenie charakterystyki tzn. wartość rezystancji kanału można zadawać napięciem U_{GS}\,. Dla napięć trochę większych, ale mniejszych od tzw. napięcia kolana │U_{DS}│ < U_K = │U_{GS} - U_P│ rodzinę charakterystyk wyjściowych można opisać równaniem

\displaystyle I_D=\frac{I_{DSS}}{U_P^2}[2\cdot |U_{GS}-U_P|\cdot |U_{DS}|-U_{DS}^2]

Ten zakres pracy nazywamy liniowym, nienasycenia lub triodowym.

Charakterystyka wyjściowa powyżej napięcia kolana obejmuje zakres pracy w stanie nasycenia lub pentodowym. W tym zakresie prąd drenu praktycznie nie zależy od napięcia nasycenia

U_{DS} i jest opisany równaniem

\displaystyle I_D=I_{DSS}\left(1-\left|\frac{U_{GS}}{U_P}\right| \right)^2

a niewielką zależność ID od napięcia UDS charakteryzuje dynamiczna rezystancja wyjściowa

\displaystyle r_{DS}=\frac{\delta U_{DS}}{\delta I_D} dla U_{GS}=const.

Prąd IDSS wyznaczyć można z charakterystyk bramkowych: dla tranzystorów z kanałem zubożonym przy U_{GS} = 0\, V, dla tranzystorów z kanałem wzbogaconym przy U_{GS} = 2U_P.

Rodzina charakterystyk bramkowych (przejściowych) tranzystorów z kanałem typu n w zakresie napięć sterujących U_{GS} > U_P oraz z kanałem typu p w zakresie napięć U_{GS} < U_P opisana jest wzorem

\displaystyle I_D=I_{DSS}\left(1-\left|\frac{U_{GS}}{U_P}\right| \right)^2

Z charakterystyki bramkowej można wyznaczyć istotny z punktu widzenia wzmacniania sygnałów elektrycznych parametr tranzystora tzw. transkonduktancję gm lub inaczej nachylenie charakterystyki bramkowej S

\displaystyle g_m=S=\frac{\delta I_D}{\delta U_{GS}} dla U_{DS}=const.

Obserwując kształt charakterystyki bramkowej można stwierdzić, wśród tranzystorów z izolowaną bramką możemy wydzielić grupę tranzystorów normalnie załączonych, tzn. takich które przy U_{DS} \neq 0\, V i U_{GS} = 0\, V, przewodzą prąd drenu i grupę tranzystory normalnie wyłączonych, tzn. takich które w tych samych warunkach (U_{DS} \neq 0\, V i U_{GS} = 0\, V) nie przewodzą prądu drenu.


Enlarge
Elementy jednozłączowe

Wyróżnia się:

Złącza półprzewodnikowe

Złącza metal-półprzewodnik


Enlarge
Złączem półprzewodnikowym p-n nazywamy obszar na styku dwóch materiałów półprzewodnikowych o różnym typie przewodnictwa:

p - dziurowego (akceptorowego) oraz

n - elektronowego (donorowego).

Technologia wykonania złącza determinuje charakterystyczne jego cechy i decyduje o właściwościach całego przyrządu półprzewodnikowego. Najczęściej przyjmuje się, że wytwarzane złącza są skokowe lub liniowe. W zależności od zewnętrznej polaryzacji złącze p-n stanowi w obwodzie przerwę izolacyjną lub przewodzi prąd.


Enlarge
Można wyróżnić trzy podstawowe stany pracy złącza półprzewodnikowego:
a) Brak polaryzacji zewnętrznej
b) Polaryzacja wsteczna
c) Polaryzacja w kierunku przewodzenia

Zmiany koncentracji nośników oraz rozkład ładunku przestrzennego, natężenia pola elektrycznego i potencjału w obszarze płaskiego dwuwymiarowego modelu złącza skokowego dla różnych stanów pracy przedstawiono na slajdzie.

Nawet przy braku polaryzacji złącza na skutek ruchów cieplnych sieci krystalicznej półprzewodnika nośniki większościowe-elektrony z obszar typu n przenikają do obszaru o przewodnictwie dziurowym typu p i stają się tam nośnikami mniejszościowymi, a nośniki większościowe-dziury z obszaru p przenikają do obszaru typu n. W obszarze złącza następuje rekombinacja par elektron-dziura i w związku z tym w obszarze tym nie występuje swobodny ładunek. W pobliżu obszaru złącza w półprzewodniku typu n pozostają praktycznie nieruchome jony dodatnie, a w materiale typu p nieruchome jony ujemne. Te ładunki powodują, że na złączu wystąpi napięcie bariery potencjału lub krótko bariera potencjału

\displaystyle U_D=\frac{k\cdot T}{e}ln\frac{N_a\cdot N_d}{n_i}=\frac{e}{2\varepsilon}\left(N_d\cdot d_n^2+N_a\cdot d_p^2\right)

która zapobiega dalszemu przenikaniu ładunków przez obszar złącza. Warstwa ta staje się warstwą zaporową. Wychodząc z warunku równowagi ładunku w obszarze złącza

N_a\cdot d_p\cdot (-e)+N_d\cdot d_n\cdot e=0

można wyznaczenia szerokość tej warstwy zaporowej (szerokości złącza)

\displaystyle d=d_p+d_n=\sqrt{\frac{2\varepsilon \cdot U_D\cdot (N_d+N_a)}{e\cdot N_d\cdot N_a}}

Warto zauważyć, że

\displaystyle \frac{d_n}{d_p}=\frac{N_a}{N_d}

co oznacza, że ładunek jonowy wnika głębiej w obszar słabiej domieszkowany.


Enlarge
Szerokość złącza jest funkcją napięcia bariery potencjału U_D. Przyjmując, że złącze ma powierzchnię S ładunki jonowe występujące po obu stronach złącza są sobie równe

i zależą od bariery potencjału U_D

\displaystyle Q_0=S\cdot e\cdot d_n\cdot N_d=S\cdot e\cdot d_p\cdot N_a=S\cqrt{2e\frac{N_d\cdot N_a}{N_d+N_a}U_D}

Pojemność takiego niespolaryzowanego napięciem zewnętrznym złącza jest równa

\displaystyle C_{T0}=\frac{Q_0}{2U_D}

Po spolaryzowaniu złącza w kierunku zaporowym szerokość złącza zwiększa się

\displaystyle d=d_p+d_n=\sqrt{\frac{2\varepsilon \cdot( U_D+U)\cdot  (N_d+N_a)}{e\cdot N_d\cdot N_a}}

Złącze takie można traktować jak kondensator. Pojemność warstwy zaporowej jest w tym wypadku równa

\displaystyle C_T=\frac{dQ}{dU}=C_{T0}\sqrt{\frac{U_D}{U_D+U}}

Przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia bariera potencjału znacznie obniża się ponieważ oba rodzaje nośników swobodnych dziury i elektrony poruszają się w kierunku złącza. Zmniejsza się szerokość i ładunek zgromadzony w warstwie zaporowej, maleje natężenie pola elektrycznego. W tym stanie rośnie gwałtownie dyfuzja nośników. Wzrasta liczba dziur przechodzących z obszaru półprzewodnika typu p do n i elektronów z obszaru n do p. Po przejściu przez złącze nośniki te stają się nośnikami mniejszościowymi i rekombinują, ale dzięki temu, że dołączono zewnętrzne źródło napięcia do materiału półprzewodnikowego dostarczane są nowe nośniki i przepływ prądu przez złącze jest podtrzymany.

Ponieważ ładunek mniejszościowy wstrzykiwany do obszarów p i n w pobliżu złącza nie od razu rekombinuje zatem można mu przypisać pewną pojemność elektryczną zwana pojemnością dyfuzyjną. Ładunek dyfuzyjny wstrzykiwanych nośników mniejszościowych jest proporcjonalny do prądu I płynącego przez złącze, a ponieważ prąd I jest funkcja napięcia zasilania U to pojemność dyfuzyjną można obliczyć z zależności

\displaystyle C_D=\frac{dQ}{dU}=\frac{\tau}{U_D}\cdot I

gdzie \tau\, – czas życia nośników mniejszościowych (zakłada się, że czasy życia dziur i elektronów są jednakowe).


Enlarge
Złącze metal-półprzewodnik m-s (metal-semiconductor) może być wytworzone w postaci złącza m-n lub złącza m-p. Zasada działania takiego złącza jest podobna do działania złącza p-n z ta różnicą, że w zjawiskach zachodzących w złączu bierze udział tylko jeden typ ładunków mniejszościowych – elektrony.

Po zetknięciu metalu z półprzewodnikiem np. typu n elektrony przepływają swobodnie przez złącze, ale ponieważ elektrony w półprzewodniku mają mniejszą pracę wyjścia niż elektrony w metalu znacznie więcej przepłynie ich do metalu niż do półprzewodnika. Warstwa przypowierzchniowa metalu zostanie naładowana ujemnie, a w warstwie przypowierzchniowej półprzewodnika pojawi się dodatni ładunek jonowy. W ten sposób powstanie bariera potencjału, zwana barierą Schottkyego, której towarzyszy powstanie warstwy zaporowej.

Przyłożenie zewnętrznego napięcia zasilającego w kierunku polaryzacji wstecznej zwiększy barierę potencjału i poszerzy warstwę zaporową. Dodatnie napięcie przyłożone pomiędzy elektrody połączone z metalem i półprzewodnikiem zmniejsza barierę potencjału i umożliwia przepływ prądu przez złącze.


Enlarge
Diody

W zależności od technologii wykonania wyróżniamy następujące, podstawowe rodzaje diod:

  • diody sygnałowe
  • diody mocy
  • diody specjalne

Diody sygnałowe i diody mocy dzieli się na:

  • diody bipolarne (złącze p-n) oraz
  • diody Schottkyego (złącze m-s)

Do grupy diod specjalnych zaliczamy:

  • stabilistory (diody Zenera, diody lawinowe)
  • diody pojemnościowe
  • diody p-i-n
  • diody tunelowe
  • fotodiody
  • diody elektroluminescencyjne
  • magnetodiody
  • tranzystor jednozłączowy

Enlarge
Diody sygnałowe są wytwarzane dla małych wartości prądu, poniżej 1 A i niskich napięć, do 50 V. Stosuje się je w układach przetwarzających sygnały oraz prostownikach w zakresie niskich i wielkich częstotliwości. Wytwarza się je z germanu lub krzemu.Diody bipolarne są elementami ze złączem półprzewodnikowym p-n. Mają właściwości prostownicze, przewodzą prąd jednokierunkowo w zależności od zwrotu napięcia polaryzującego złącze. Napięcie progu załączenia diody bipolarnej zależy od materiału z jakiego ją wykonano. Dla krzemu jest to napięcie ok. 0,7 V, dla germanu ok. 0,4 V. Wyprowadzenia diody to anoda A i katoda K. Anoda stanowi elektrodę dodatnią (warstwa półprzewodnika typu p), katoda elektrodę ujemną (warstwa półprzewodnika typu n). Wierzchołek trójkąta w symbolu wskazuje kierunek przepływy prądu w stanie przewodzenia.

Parametry i charakterystyki statyczne. Właściwości statyczne diod w ustalonych stanach pracy tj. w stanie zaporowym i w stanie przewodzenia, przedstawia charakterystyka napięciowo - prądowa. Podstawową cechą diody jest jej działanie zaworowe co oznacza, że przewodzi prąd tylko wtedy, kiedy anoda jest spolaryzowana dodatnio względem katody. Stan ten odpowiada odcinkowi charakterystyki zawartemu w I kwadrancie układu współrzędnych. Często w katalogach ta część charakterystyki diody prezentowana jest w skali półlogarytmicznej. Umożliwia to dokładny odczyt wartości prądów i napięć w odniesieniu do dużego obejmującego kilka dekad zakresu zmian prądu przewodzenia diody.

Charakterystycznym parametrem diody w stanie przewodzenia jest I_F\, - maksymalny prąd przewodzenia.

Jeżeli anoda jest spolaryzowana ujemnie względem katody to dioda jest w stanie nie przewodzenia (złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, wstecznie). Prąd płynący przez diodę jest pomijalnie mały i jest wyłącznie spowodowany ruchem ładunków przewodnictwa samoistnego (generacja termiczna). Charakterystycznym parametrem diody w stanie polaryzacji wstecznej jest dopuszczalne napięcie wsteczne U_R\,.

Pozostałe istotne parametry diody to moc znamionowa P_{tot}\, oraz temperatura złącza tj.

Diody Schottkyego to elementy ze złączem metal – półprzewodnik m-n. Metal stanowi anodę A, półprzewodnik katodę K. Mają one podobnie jak diody bipolarne właściwości prostownicze. W obszarze złącza gromadzi się w stanie przewodzenia ładunek elektryczny, a ponieważ w złączu metal-półprzewodnik jest on bardzo mały to czas potrzebny na odprowadzenie go w czasie przejścia diody ze stanu przewodzenia do stanu zaporowego (nie przewodzenia) jest bardzo krótki rzędu kilkudziesięciu pikosekund i o kilka rzędów mniejszy niż w diodach bipolarnych. Diody Schottkyego maja ponad to mniejsze napięcia progu załączenia, ok. 0,3 V.


Enlarge
Diody mocy nazywane także diodami energetycznym są podstawowymi elementami układów energoelektronicznych, które służą do przekształcania energii elektrycznej. Podobnie jak diody sygnałowe diody energetyczne maja właściwości prostownicze. W zależności od kierunku polaryzacji napięcia anoda-katoda mogą pracować w dwóch stanach. Jeżeli potencjał anody jest wyższy niż katody dioda jest wstanie przewodzenia. W przeciwnym przypadku, kiedy potencjał anody jest niższy niż katody dioda nie przewodzi i mówimy, że jest w stanie zaworowym. Charakterystyki diod mocy przedstawiono na slajdzie. Warto zauważyć, że w zakresie prądów większych niż prąd znamionowy napięcie na przewodzącej diodzie rośnie szybciej niż dla prądów mniejszych. Straty mocy w diodzie szybko rosną.

Bipolarne diody mocy to obecnie największe z produkowanych diod. Do ich produkcji stosuje się krzem. Diody te mają napięcia wsteczne rzędu kilku kilowoltów i prądy przewodzenia rzędu kilku kiloamperów. Charakterystyczną cechą ich budowy jest to, że w obszarze złącza, pomiędzy półprzewodniki typu p i typu n, wprowadzono dodatkową warstwę półprzewodnika bardzo słabo domieszkowanego (samoistnego). Powoduje to poszerzenie obszaru złącza i zwiększenie jego wytrzymałości na przebicie elektryczne. Dioda o takiej konstrukcji to dioda pin (i oznacza półprzewodnik samoistny). Wprowadzenie dodatkowej warstwy półprzewodnika powoduje, że napięcie progu załączania jest w tych diodach wyższe i waha się w granicach od 0,7 V do 1 V dla diod standardowych i od 1,1 V do 1,6 V dla diod szybkich.

Diody mocy Schottkyego mają w obszarze złącza, podobnie jak diody moc bipolarne, wprowadzoną dodatkową warstwę półprzewodnika słabo domieszkowanego. Warstwa ta poszerza złącze i powoduję, że napięcie zaworowe diody zwiększa się. Obecnie produkowane diody tego rodzaju mają napięcia wsteczne około 300 V i mogą przewodzić prąd rzędy kilkuset amperów (ok. 300 A). Napięcie progu załączania jest w tych diodach niskie i nie przekracza wartości 0,6 V.


Enlarge
Parametry diod w kierunku przewodzenia

I_{F(AV)}\, - wartość średnia prądu przewodzenia, określana za okres napięcia sieci (20 ms), dla sinusoidalnego przebiegu prądu,

I_{F(RMS)}\, - wartość skuteczna prądu przewodzenia za okres napięcia sieci (20 ms) dla dowolnego przebiegu prądu,

I_{FSM}\, - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia,

I_{FRM}\, - powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia,

I_{F(0V)}\, - przeciążeniowy prąd przewodzenia.

Parametry diody w stanie zaworowym

U_{RSM}\, - niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne, które może pojawić się na diodzie przypadkowo w znacznych odstępach czasu,

U_{RMAX},\ , U_{RRM}\, - powtarzalne napięcie wsteczne, które może cyklicznie pojawiać się na przyrządzie.

Właściwości dynamiczne diod. Proces przełączania diody mocy ze stanu przewodzenia do stanu zaworowego i odwrotnie nazywa się komutacją. Proces komutacji składa się z dwóch części: procesu załączania i procesu wyłączania. W obu tych procesach na przez diodę płynie prąd znacznie większy od prądu wstecznego, i jednocześnie na jej zaciskach występuje napięcie znaczne większe od napięcia przewodzenia. W efekcie impuls mocy chwilowej jaka wydziela się w diodzie ma znaczną amplitudę i przy częstych przełączeniach kumulacja energii może być tak duża, że dioda ulegnie zniszczeniu w wyniku przegrzania struktury półprzewodnikowej. W procesie załączania istotna jest także szybkość narastania prądu przewodzenia ponieważ na występującej w strukturze płytki krzemowej indukcyjności oraz na indukcyjności wyprowadzeń będą indukowały się napięcia, które dodając się do napięcia zasilania spowodują wystąpienie przepięcia i w konsekwencji uszkodzenie diody. W procesie wyłączania istotny jest natomiast prąd wsteczny diody ponieważ przewodząca wstecznie dioda może spowodować po załączeniu innego elementu niekontrolowane zwarcie w układzie przekształtnika.

Dla procesu załączania istotnymi parametrami są zatem:

\displaystyle \frac{di_F}{dt} – maksymalna stromość narastania prądu przewodzenia oraz
t_{fr} - czas ustalania się napięcia przewodzenia.

Enlarge
Diody specjalne

Stabilistory (diody Zenera i diody lawinowe) są diodami krzemowymi, które stosuje się do stabilizacji napięć stałych. Pracując jako stabilizatory stabilistory są zawsze spolaryzowane w kierunku wstecznym (III kwadrant charakterystyki). Przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym przewodzą prąd, tylko wtedy, gdy napięcie na ich zaciskach przekroczy napięcie przebicia U_{Z0}\,. Napięcie to nazywamy napięciem Zenera. Stabilistory produkuje się w szeregach o stałej mocy strat na napięcie przebicia od 1 V do 200 V. Jeżeli napięcie na zaciskach stabilistora jest mniejsze od napięcia przebicia stabilistor nie przewodzi. Jeżeli złącze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia stabilistor działa jak zwykła dioda prostownicza. Stabilistory o napięciu przebicia U_{Z0} < 6\, V mają ujemny współczynnik temperaturowy napięcia przebicia i dominującym jest w nich zjawisko Zenera, a w stabilistorach o U_{Z0} > 6\, V współczynnik temperaturowy napięcia przebicia jest dodatni i dominującym zjawiskiem jest zjawisko lawinowe. Najlepsze z punktu widzenia stabilizacji napięcia (stroma charakterystyka prądowo - napięciowa i zerowy współczynnik temperaturowy napięcia przebicia) są diody Zenera o napięciu przebicia około 6 V.

Do podstawowych parametrów stabilistorów zaliczamy:

U_{Z0} – napięcie przebicia (napięcie Zenera)

r_Z\, – rezystancję dynamiczną, gdzie \displaystyle r_Z=\frac{\Delta U_Z}{\Delta I_Z}

P_{tot}\, – moc strat

\alpha_{Uz} – temperaturowy współczynnik napięcia przebicia


Enlarge
Diody pojemnościowe

Spolaryzowane w kierunku wstecznym złącze półprzewodnikowe jest kondensatorem, w którym poprzez zmianę wstecznego napięcia polaryzującego możemy zmieniać pojemność elektryczną. Obszar złącza, pozbawiony ładunku możemy traktować jak dielektryk, a obszary półprzewodnika typu p i typu n jak okładki kondensatora. Specjalna konstrukcja diod pojemnościowych zapewnia dużą w porównaniu z diodami sygnałowymi pojemność warstwy zaporowej. Na slajdzie przedstawiono symbol graficzny i przykładowe charakterystyki C=f(U_R) diod pojemnościowych. Zwiększanie napięcia wstecznego powoduje zmniejszanie się pojemności diody. Diody, w których dla dopuszczalnego zakresu zmian napięcia polaryzacji pojemność zmienia się kilkakrotnie (np. 6-7 razy) stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych.

Diody p-i-n

Diody pin mają pomiędzy silnie domieszkowanymi, dobrze przewodzącymi obszarami półprzewodnika typu p i typu n warstwę półprzewodnika samoistnego i o bardzo dużej rezystancji. Jeżeli przyłożymy do diody napięcie o częstotliwości poniżej 1 MHz będzie się ona zachowywała jak zwykła dioda prostownicza, przez która płynie jednokierunkowy prąd pulsujący. Dla częstotliwości powyżej 1 MHz (1 – 10 MHz) dioda traci właściwości prostownicze i zachowuje się jak zwykły rezystor, którego wartość można zmieniać wymuszając w kierunku przewodzenia przepływ składowej stałej prądu. Diody pin stosuje się w układach wielkiej częstotliwości (wcz) do modulacji amplitudy lub jako elementy sterowanych dzielników napięcia i obwodów tłumiących.


Enlarge
Diody tunelowe

Diody tunelowe wykonane są z materiałów o dużej zawartości domieszek, a zatem mają bardzo wąskie złącza (rzędu nm). W tego typu złączach powstaje silne pole elektryczne, pod wpływem którego następuje rozerwanie wiązań kowalencyjnych tzn. jonizacja atomów sieci krystalicznej podobnie jak w zjawisku Zenera i złącze znajduje się w stanie przewodzenia. Efektem tego jest powstanie po obu stronach złącza ładunków mniejszościowych o energii mniejszej niż energia potrzebna do pokonania bariery potencjału. Zjawisko przenikania tych nośników przez barierę potencjału nazywamy efektem tunelowym.

Polaryzując złącze w kierunku przewodzenia zmniejszamy pole elektryczne w obszarze złącza i zjawisko Zenera stopniowo zanika. Dioda zaczyna zachowywać się jak zwykła dioda sygnałowa. Charakterystykę prądowo-napięciową diody tunelowej przedstawiono na rysunku. Ma ona dwa charakterystyczne punkty: punkt szczytu (IS, US) i punkt doliny (ID, UD). Pomiędzy punktami szczytu i doliny dioda tunelowa ma ujemną rezystancję dynamiczną. Jeżeli rezystancja obwodu dołączonego równolegle do diody tunelowej jest większa od ujemnej rezystancji dynamicznej diody powstały w ten sposób układ będzie niestabilny.

Tę właściwość diody tunelowej wykorzystano przy odtłumianiu obwodów rezonansowych w prostych generatorach z obwodami rezonansowymi LC w zakresie wielkich częstotliwości.


Enlarge
Fotodiody

W fotodiodach wykorzystano tzw. efekt fotoelektryczny prosty, który polega tym, że pod wpływem światła padającego na złącze w materiale półprzewodnikowym następuje jonizacja atomów sieci krystalicznej i generacja par elektron-dziura. W tym wypadku strumień fotonów oddaje swoją energię elektronom walencyjnym powodując silną jonizację atomów w obu obszarach złącza, w obszarze p i w obszarze n. Znaczny wzrost liczby nośników mniejszościowych powoduje zwiększenie prądu wstecznego w złączu. Prąd ten praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia wstecznego. Dla polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia, ponieważ liczba nośników większościowych w poszczególnych obszarach półprzewodnika typu p i typu n jest wielka oświetlenie złącza nie ma praktycznie wpływy na wartość przepływającego przez fotodiodę prądu. Symbol graficzny i charakterystykę prądowo napięciową fotodiody przedstawiono na slajdzie.


Enlarge
Diody elektroluminescencyjne

W diodach elektroluminescencyjnych wykorzystano tzw. efekt fotoelektryczny odwrotny, w którym dioda emituje światło pod wpływem przepływającego przez złącze prądu. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym dioda elektroluminescencyjna zachowuje się ja zwykła dioda sygnałowa. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia zjawisko dyfuzji nośników mniejszościowych do obszarów o określonym typie przewodnictwa jest podobne jak w diodach sygnałowych z tym, że podczas rekombinacji tych nośników z nośnikami większościowymi następuje wypromieniowanie energii w postaci fotonu, a nie jak w zwykłych diodach w postaci fononu. Długość emitowanej fali świetlnej zależy od szerokości pasma zabronionego, a zatem od materiału półprzewodnikowego z jakiego zbudowano diodę.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody elektroluminescencyjnej ma kształt podobny do charakterystyki diody sygnałowej. Napięcia przebicia są niewielkie od 3 V do 10 V. Spadek napięcia przy polaryzacji w kierunku przewodzenia (dioda świeci) leży w zakresie wartości od 1,2 V do 5 V.


Enlarge
Magnetodiody

W magnetodiodzie pod wpływem poprzecznego pola magnetycznego zmienia się rezystancja złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Pomiędzy obszarami typu p i typu n znajduje się stosunkowo szeroki obszar niejednorodnego półprzewodnika samoistnego. Umownie można ten obszar podzielić na część o dużej rezystywności oznaczoną na rysunku literą i oraz dołączoną do niej równolegle wąską część o małej rezystywności oznaczoną literą r. Nośniki mniejszościowe dyfundujące z obszarów p do n oraz n do p przechodzą przez obszary i oraz r. Tory ruchów tych ładunków zakrzywiają się tak, że większość z nich, zależnie od kierunku i natężenia pola magnetycznego, znajduje się w jednym z tych obszarów. Oznacza to, że prąd diody płynie przez mniejsza lub większą rezystancję półprzewodnika samoistnego. Efektem takiego działania diody jest zmiana charakterystyki prądowo-napięciowej. Magnetodiody są stosowane do pomiaru indukcji magnetycznej.


Enlarge
Elementy wielozłączowe

Złączowe tranzystory unipolarne

Złączowy tranzystor unipolarny JFET (Junction Field Effect Transistor) ma właściwości podobne do tranzystora unipolarnego z izolowana bramką. Na slajdzie przedstawiono model struktury takiego tranzystora. Na podłożu B np. z półprzewodnika typu p^{+}\, wytwarza się obszar o przewodnictwie typu n, w którym z kolei jest wytworzona ponownie warstwa p^{+}\,, która jest wyprowadzona na zewnątrz (bramka G). Obydwa końce kanału n są wyposażone w elektrody drenu D i źródła S. Struktura jest symetryczna, a zatem przypisanie elektrodom funkcji drenu i źródła jest umowne. Jeżeli bramka tranzystora nie jest zasilana to pod wpływem zewnętrznego źródła napięcia polaryzującego elektrody D i S w kanale popłynie prąd drenu I_D\,. Przy zwiększaniu napięcia U_{DS}\, w zakresie od zerowej do wartości U_{DS} < U_P rezystancja drenu jest praktycznie stała i prąd I_D\, jest proporcjonalny do napięcia U_{DS}\,. Dla napięcia U_{DS} \approx U_P kanał zwęża się, rezystancja zaczyna rosnąć i prąd I_D\, rośnie wolniej niż napięcie U_{DS}. Jeżeli napięcie U_{DS} będzie większe od napięcia U_P\, zwanego napięciem zaciśnięcia kanału (pinch-off) prąd drenu jest praktycznie stały i nie zależy od napięcia U_{DS}.

Kiedy pomiędzy bramkę i źródło przyłożymy napięciem U_{GS} tak, że złącze bramka-kanał będzie spolaryzowane w kierunku zaporowym szerokość i kształt kanału będzie zależał tym razem od obu napięć U_{GS} oraz U_{DS}. Silniej będzie zaciskany kanał w pobliżu tej elektrody (drenu lub źródła), której potencjał względem bramki będzie większy. Dla napięć U_{DS} > U_P, gdzie U_P = U_{DS} - U_{GS} (przy U_{GS} < 0\, V) kanał będzie całkowicie zaciśnięty. Obraz takiego kanału w symetrycznej strukturze tranzystora przedstawiono na rysunku. W tym wypadku prąd drenu zależy wyłącznie od napięcia U_{GS}.

Tranzystory unipolarne złączowe mogą mieć kanał typu n lub kanał typu p. Sterowanie tego typu tranzystorów polega zawsze na zubożeniu kanału, aż do całkowitego jego zaciśnięcia. Są to zatem tranzystory noramalnie załączone.


Enlarge
Na slajdzie przedstawiono typowe charakterystyki prądowo-napięciowe złączowego tranzystora unipolarnego:
  • charakterystykę wyjściową I_D=f(U_{DS}) dla U_{GS} = const oraz
  • charakterystykę przejściową (bramkową) I_D=f(U_{GS}) dla U_{DS} = const.

Podobnie jak dla tranzystorów z izolowana bramką występują tutaj dwa zakresy pracy: liniowy (triodowy) i nasycenia (pentodowy). Granicę obu obszarów wyznacza napięcie U_P = U_{DS} - U_{GS}.

Z charakterystyki wyjściowej można wyznaczyć rezystancją dynamiczną tranzystora

\displaystyle r_{DS}=\frac{\delta U_{DS}}{\delta I_D} dla U_{GS} = const.

a z charakterystyki bramkowej istotny z punktu widzenia wzmacniania sygnałów elektrycznych parametr tzw. transkonduktancję g_m\, lub inaczej nachylenie charakterystyki bramkowej S

\displaystyle g_m=S=\frac{\delta I_D}{\delta U_{GS}} przy U_{DS} = const.

Charakterystyka bramkowa (przejściowa) tranzystora jest opisana wzorem

I_D=I_{DSS}\left(1-\left|\frac{U_{GS}}{U_P}  \right|\right)^2

przy czym prąd I_{DSS}\, wyznacza się z charakterystyki bramkowej przy U_{GS} = 0\, V.


Enlarge
Tranzystory bipolarne

Bipolarny tranzystor warstwowy jest przyrządem dwuzłączowym, w którym przepływ prądu jest wynikiem ruchu dwóch rodzajów ładunków: ładunku ujemnego-elektronów i ładunku dodatniego-dziur. Wyróżnia się dwa typy struktur tranzystorów bipolarnych: typ npn i typ pnp . Symbole graficzne obu typów przedstawiono na slajdzie. W praktyce częściej stosuje się tranzystory typu npn. Zasada działania obu typów tranzystorów jest podobna przy czym zmiana typu tranzystora wymaga zmiany biegunowości napięć polaryzujących elektrody i zmiany kierunków wszystkich prądów w tranzystorze. Dwuwymiarowy płaski model struktury tranzystora bipolarnego typu npn przedstawiono na rysunku. Obszar, który jest źródłem nośników ładunku nazywa się emiterem E, środkowa warstwa nazywa się bazą B i steruje przepływem ładunku, a ostatnia warstwa to kolektor C (łac. collectus-zbieranie), który zbiera ładunki. Tranzystor bipolarny ma dwa złącza półprzewodnikowe. Złącze baza-emiter nazywa się złączem emiterowym, a złącze kolektor-baza nazywa się złączem kolektorowym. Działanie tranzystora bipolarnego opiera się na zjawiskach zachodzących w obu złączach przy udziale przepływu ładunków mniejszościowych przez cienką warstwę bazy. Należy zauważyć, że polaryzując elektrody tranzystora typu npn z zewnętrznych źródeł napięcia U_{CE} i U_{BE} (U_{CE} > U_{BE}) złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym. W tym wypadku bariera potencjału w złączu emiterowym zmniejsza się, a w złączu kolektorowym powiększa się. Na przewodzącym złączu baza-emiter występuje spadek napięcia poniżej 1 V, a na złączu kolektor-baza, w nowoczesnych tranzystorach może odkładać się napięcie nawet rzędu 1 kV.


Enlarge
Zakładając wstępnie, że baza tranzystora nie jest zasilana I_B = 0\, A sytuacja się nie zmieni nadal złącze baza-emiter będzie spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym. Oba złącza połączone są szeregowo i zasilane ze źródła zewnętrznego napięcia U_{CE}\,, przy czym należy zauważyć, że poza niewielką częścią polaryzującą złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia, praktycznie całe napięcie źródła zasilania U_{CE}\, odkłada się na wstecznie spolaryzowanym złączu kolektor-baza. Przez tranzystor płynie niewielki prąd generacji termicznej, tzw. prąd zerowy I_{CE0}\,, który składa się z dwóch części prądu zerowego I_{CB0}\, płynącego we wstecznie spolaryzowanym złączu kolektor-baza oraz części \alpha_0\cdot I_{CE0}\, wynikający z efektu tranzystorowego polegającego na przechwytywaniu przez kolektor części elektronów (ładunek mniejszościowy) wstrzykiwanych z emitera do bazy tworzących w złączu baza-emiter prąd I_{CE0}\,. Pozostała część elektronów tworzących prąd I_{CE0}\, rekombinuje w bazie równoważąc składową I_{CB0}\,. Można zatem napisać
\alpha_0\cdot I_{CE0}+I_{CB0}=I_{CE0}

Zatem prądy zerowe w tranzystorze wiąże równanie

\displaystyle I_{CE0}=I_{CB0}\frac{1}{1-\alpha_0}

Prądy zerowe w tranzystorze są efektem zjawiska generacji termicznej nośników mniejszościowych. W wypadku złącza kolektor-baza jest to prąd wsteczny tego złącza. Można go zmierzyć przy odłączonym emiterze w układzie jak na rysunku.

Kiedy baza tranzystora jest dodatkowo zasilana ze źródła napięcia U_{BE}\, w emiterze popłynie prąd o wartości znacznie większej niż prąd zerowy I_{CE0}. Część elektronów wstrzykiwanych do bazy podobnie jak poprzednio będzie rekombinowała z dziurami, a pozostała część \alpha_0\cdot I_E , która nie zdąży zrekombinować, pod wpływem silnego pola elektrycznego w złączu kolektorowym, będzie przechwycona przez kolektor. Zatem prąd jaki płynie w spolaryzowanym zaporowo złączu kolektor-baza nie jest wynikiem wstrzykiwania nośników do kolektora, lecz przechwytywania ich z bazy. Zjawisko to nosi nazwę efektu tranzystorowego i występuje tylko wtedy, gdy obszar bazy jest odpowiednio wąski.


Enlarge
Prąd kolektora jest zatem opisany równaniem
I_C=\alpha_0\cdot I_E+I_{CB0}

Współczynnik \alpha_0\, nazywamy statycznym współczynnikiem wzmocnienia prądowego w układzie wspólnej bazy.

\displaystyle \alpha_0=\frac{I_C-I_{CB0}}{I_E}\cong \frac{I_C}{I_E}

Dla układu wspólnego emitera statyczny współczynnik wzmocnienia prądowego jest definiowany jako

\displaystyle \beta_0=\frac{I_C-I_{CB0}}{I_B+I_{CB0}}=\frac{\alpha_0\cdot I_E}{I_B+I_C-\alpha_0\cdot I_E}=\frac{1}{1-\alpha_0}\cong \frac{I_C}{I_B}

a zatem

\displaystyle \beta_0+1=\frac{1}{1-\alpha_0}

Uwzględniając prąd bazy równanie prądu kolektora przyjmie postać

I_C=\beta_0\cdot I_B+(1+\beta_0)\cdot I_{CB)}=\beta_0\cdot I_B+I_{CE0}

Oprócz statycznych współczynników wzmocnienia prądowego (inaczej dla dużych sygnałów lub dla prądu stałego) stosuje się także dynamiczne (małosygnałowe, przyrostowe lub dla składowej zmiennej) współczynniki wzmocnienia prądowego

\displaystyle \alpha=\frac{i_C}{i_E}\bigg|_{\displaystyle u_{CB}=0}=\frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}\bigg|_{\displaystyle U_{CB}=const
\displaystyle \beta=\frac{i_C}{i_B}\bigg|_{\displaystyle u_{CE}=0}=\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}\bigg|_{\displaystyle U_{CE}=const



Enlarge
Podstawowe charakterystyki tranzystora. Przyjmując, że emiter jest elektrodą wspólna można wyróżnić w tranzystorze bipolarnym dwa obwody: obwód baza-emiter, zwany często wejściowym (sterującym) i obwód kolektor-emiter zwany wyjściowym.

Dla obwodu wejściowego wyznacza się charakterystykę wejściową. Jest to zależność I_B = f(U_{BE}) przy U_{CE} = const. Ponieważ wpływ napięcia U_{CE} na przebieg tej charakterystyki jest znikomy w szerokim zakresie zmienności tego napięcia rodzinę tych charakterystyk wyznacza linia przedstawiona na rysunku. Z charakterystyki tej można wyznaczyć dynamiczną rezystancję wejściową tranzystora r_{BE}

\displaystyle r_{BE}=\frac{u_{BE}}{i_B}\bigg|_{\displaystyle u_{CE}=0}=\frac{\Delta U_{BE}}{\Delta I_B}\bigg|_{\displaystyle U_{CE}=const

Dla obwodu wyjściowego wyznacza się rodzinę charakterystyk wyjściowych. Jest to zależność I_C = f(U_{CE}) przy I_B = const.

Rzadziej parametrem jest napięcie U_{BE} = const.

Z charakterystyki wyjściowej można wyznaczyć dynamiczną rezystancję wyjściową tranzystora r_{CE}

\displaystyle r_{CE}=\frac{u_{CE}}{i_C}\bigg|_{\displaystyle i_B=0}=\frac{\Delta U_{CE}}{\Delta I_C}\bigg|_{\displaystyle I_B=const

Zależność I_C = f(I_B) przy </math>U_{CE} = const</math> przedstawia charakterystykę przejściową tranzystora. Z tej charakterystyki można wyznaczyć statyczny i dynamiczny współczynnik wzmocnienia prądowego.



Enlarge
Parametry graniczne. Do parametrów granicznych zlicza się te wartości prądów i napięć, które nie mogą być przekraczane bez ryzyka uszkodzenia tranzystora. Zaliczamy do nich:
  • P_C lub P_{tot} – maksymalną moc strat w kolektorze lub tranzystorze
  • U_{CEmax} – maksymalne napięcie kolektor-emiter (wartość zależy od sposobu wysterowania tranzystora)
  • I_{Cmax} – maksymalny prąd kolektora
  • U_{BEmax} – maksymalne napięcie wsteczne baza-emiter
  • I_{Bmax} - maksymalny prąd przewodzenia złącza baza-emiter

Do parametrów granicznych zalicza się także częstotliwości graniczne tranzystora

  • częstotliwość f_{\alpha} – częstotliwość przy której wartość współczynnika \alpha zmniejszy się o 3 dB w stosunku do wartości \alpha_0
  • częstotliwość f_{\beta} – częstotliwość przy której wartość współczynnika \beta zmniejszy się o 3 dB w stosunku do wartości \beta_0
  • częstotliwość f_T\, – częstotliwość przy której wartość współczynnika \beta zmniejszy się do wartości 1

Dla częstotliwości granicznych zachodzi nierówność

f_{\alpha}>f_T>f_{\beta}

a związki między nimi opisują zależności

f_{\alpha}=(1+\beta_0)\cdot f_{\beta}
f_T=\beta_0 \cdot f_{\beta}

Enlarge
Wpływ temperatury na parametry tranzystora. Prądy zerowe w tranzystorze bipolarnym rosną wraz z temperaturą T_j\, struktury półprzewodnikowej
I_{CB0}(T)=I_{CB0}(T_j)\cdot e^{\displaystyle b\cdot (T-T_j)}

gdzie b = 0,07 dla Ge, b = 0,12 dla Si

Ponieważ prądy zerowe podwajają swoja wartość w germanie co 10 K, a w krzemie co 6 K można to zapisać w postaci:

dla germany

I_{CB0}(T)=I_{CB0}(T_j)\cdot 2^{\displaystyle \frac{(T-T_j)}{6}}

lub dla krzemu

I_{CB0}(T)=I_{CB0}(T_j)\cdot 2^{\displaystyle \frac{(T-T_j)}{10}}

Także napięcie na złączu baza-emiter zmienia się w funkcji temperatury. Współczynnik temperaturowy tego napięcia jest ujemny (napięcie maleje ze wzrostem temperatury) i ma wartość 2,3 mV/ K.

Temperatura struktury półprzewodnikowej (złącza) T_j\, zależy od trzech czynników:

  • mocy traconej w tranzystorze P_C = U_{CE}\cdot I_C + U_{BE}\cdot I_B \approx U_{CE}\cdot I_C
  • temperatury otoczenia T_0\,
  • rezystancji termicznej Rth przejścia złącze-obudowa-radiator-otoczenie
T_j=T_0+P_C\cdot R_{th}

Enlarge
Tyrystory

Tyrystory stanowią grupę przyrządów półprzewodnikowych wielowarstwowych składających się co najmniej z czterech warstw półprzewodnika, np. struktura pnpn. Jednym z najpopularniejszych tyrystorów jest tyrystor triodowy blokujący wstecznie często nazywany także tyrystorem konwencjonalnym. Obecnie stosowane tyrystory mają napięcia wsteczne od 50 V do 8000 V i prądy robocze od ułamka ampera do około 5 kA dlatego znalazły zastosowanie do budowy przekształtników energoelektronicznych największych mocy (rzędu MW). Elektroda wyprowadzenia zewnętrznej warstwy półprzewodnika p nazywa się anodą A, a elektroda wyprowadzenia zewnętrzna warstwa półprzewodnika n, katodą K. Ponadto, najczęściej na zewnątrz wyprowadzona jest elektroda z wewnętrznej warstwy p, która stanowi bramkę G. Poza tym rodzajem tyrystorów, w których bramka jest sterowana względem katody, produkuje się także tyrystory w których bramka jest wyprowadzona z warstwy n i jest sterowna względem anody.


Enlarge
Wewnętrzna struktura tyrystora zawiera trzy złącza półprzewodnikowe. Jeżeli pomiędzy anodę i katodę przyłoży się napięcie to zawsze któreś złącze będzie spolaryzowane w kierunku zaporowym i przez tyrystor nie będzie płynął prąd. Gdy napięcie U_{AK} > 0\, V, tzn. anoda ma wyższy potencjał niż katoda, tylko jedno złącze jest spolaryzowane zaporowo i stan w którym znajduje się tyrystor nazywamy stanem blokowania. W tym stanie, po wymuszeniu w obwodzie bramkowym prądu o odpowiedniej wartości można załączyć tyrystor i wymusić w obwodzie anoda-katoda prąd roboczy I_F\,. Przy polaryzacji przeciwnej tj. U_{AK} < 0\, V dwa złącza są spolaryzowane w kierunku zaporowym i stan w którym znajduje się tyrystor nazywamy stanem zaworowym. Tyrystor zachowuje się zatem jak sterowana dioda półprzewodnikowa dlatego można je zastosować w układach prostowników sterowanych lub łącznikach bezstykowych. Po załączeniu tyrystora, żeby przerwać przepływ prądu głównego (obciążenia) i odzyskać własności zaworowe przyrządu należy zmienić kierunek przepływu prądu głównego. Tyrystor wyłączy się tzn. odzyska właściwości zaworowe wtedy kiedy prąd główny zmniejszy swoją wartość poniżej prądu podtrzymania I_H\,. Jeżeli tyrystor pracuje w obwodzie prądu przemiennego to przy końcu każdej dodatniej półfali napięcia zasilającego prąd przewodzenia w sposób naturalny jest mniejszy od prądu I_H\, i tyrystor wyłączy się. W obwodach, w których nie występuje komutacja naturalna należy zastosować specjalne obwody zwane obwodami komutacyjnymi, które wymuszają przez odpowiednio długi czas przepływ prądu wstecznego w tyrystorze i w ten sposób zmniejszają prąd przewodzenia poniżej wartości prądu podtrzymania i wyłączają tyrystor. Czas wyłączania tyrystora potrzebny na odprowadzenie ładunku z wewnętrznego złącza przyrządu jest stosunkowo długi od 100\, \mu s do 300\, \mu s. W tyrystorach szybkich może być mniejszy rzędu 5\, \mu s.

Podczas narastania napięcia blokowania przez tyrystor płynie prąd ładujący pojemność złącza. Prąd ten jest tym większy im szybciej narasta napięcie blokowania. Wewnętrzne złącze może być tak silnie wzbogacane ładunkiem, że tyrystor bez udziału prądu bramki samoczynnie załączy się. Aby temu zapobiec szybkość narastania napięcia blokowania nie może być większa od wartości dopuszczalnej. Wartość ta leży w zakresie od 50 V/ {\mu s} do 1000 V/ {\mu s}. Podczas załączania prąd główny (anodowy) tyrystora również nie może narastać zbyt szybko, np. przy złączaniu obciążenia o charakterze pojemnościowym lub rezystancyjnym, ponieważ w tym wypadku pastylka krzemowa może ulec uszkodzeniu przez punktowe przegrzanie struktury. Dopuszczalne wartości prędkości narastania prądu anodowego w zależności od typu tyrystora zmieniają się w zakresie od 100 A/ {\mu s} do 1000 A/ {\mu s}.

Dla tyrystorów podaje się dwie podstawowe charakterystyki prądowo-napięciowe: charakterystykę obwodu głównego I_F = f(U_{AK}) przy I_G = const oraz charakterystykę obwodu bramki zwaną krótko bramkową U_{GK} = f (I_G).

Zwiększanie wartości prądu bramki powoduje zmniejszanie się napięcia, przy którym następuje załączenie tyrystora UB0, zwanego krótko napięciem przełączania.

Charakterystyka bramkowa tyrystora obejmuje pewną powierzchnię ograniczoną rozrzutem technologicznym parametrów obwodu bramki dla tego samego typu przyrządu na którym zaznaczone są obszary, w których:

A – nie jest możliwe załączenia tyrystora

B – załączenie tyrystora jest możliwe

C – załączenie tyrystora jest pewne


Enlarge
Diaki

Diak jest elementem dwuzłączowym o symetrycznej strukturze pnp. Ma symetryczną charakterystykę prądowo-napięciową. Można go traktować jak dwa połączone odwrotnie równolegle łączniki progowe. Schemat ideowy diaka z zastosowaniem tranzystorów bipolarnych przedstawiono na rysunku. Podstawowymi parametrami diaka są: napięcie przełączania U_{B0}, skok napięcia po przełączeniu \Delta U oraz różnica napięć przełączania U_{B0+} - U_{B0-}, która jest miarą asymetrii charakterystyki prądowo-napięciowej. Typowe wartości tych parametrów U_{B0} = 32\pm 4\, V, \Delta U = 8\, V (przy I_F = 10\, mA).


Literatura

M. P. Kaźmierkowski, J. T. Matysik: Wprowadzenie do elektroniki i energoelektroniki, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2005

J. Jaczewski, A. Opolski, J. Stolz: Podstawy elektroniki i energoelektroniki, WNT, Warszawa 1981

P. E. Gray, C. L. Searle: Podstawy elektroniki, PWN, Warszawa 1976