PEE Moduł 12

Wykład 12. Podstawowe elementy półprzewodnikowe

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

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

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

ρ = \frac{1}{e (n \cdot μ_{n} + p \cdot μ_{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:

R = ρ \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.

R_{0} = ρ \frac{l}{a}

gdzie $R_{0} = \frac{ρ}{h}$ - rezystywność powierzchniowa warstwy.

Wartość $R_{0}$ jest stała dla danego procesu technologicznego i w zależności od domieszkowania waha się w zakresie 50 ÷ 250 $Ω$ . 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.

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

R_{T} = A \cdot e^{\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 $t_{0} = 2 5^{\circ} C$ dlatego korzystniej jest wyrugować ze wzoru stałą A.

Ponieważ

R_{T 0} = A \cdot e^{\frac{B}{T_{0}}}

to po wyliczeniu A i wstawieniu do zależności

$R_{T} = A \cdot e^{\frac{B}{T}}$ otrzymujemy $R_{T} = R_{T_{0}} \cdot e^{(\frac{B}{T} - \frac{B}{T_{0}})}$

Temperaturowy współczynnik rezystancji termistora definiowany następująco

d_{T} [\frac{%}{C}] = \frac{1}{R_{T}} \frac{d R_{T}}{d T}

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 $I_{m a x}$ , 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.

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^{β}

A – stałam materiałowa, $β$ – współczynnik nieliniowości. Stałe A i $β$ 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.

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 Ω

, zaś rezystancja jasna, przy określonym natężeniu oświetlenia jest zwykle mniejsza niż

1 k Ω

.

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