Podstawy Elektroniki Prowadzcy Prof dr hab Zbigniew Lisik
Podstawy Elektroniki Prowadzący: Prof. dr hab. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 116 e-mail: zbigniew. lisik@p. lodz. pl Program: wykład - 15 h laboratorium - 15 h wizyta w laboratorium technologicznym - 4 h Podstawy Elektroniki Ai. R 1
Materiały półprzewodnikowe Metal Półprzewodnik T Izolator T T Podstawy Elektroniki Ai. R 2
Materiały półprzewodnikowe Podstawowe półprzewodniki: Si Ge Ga. As Si. C Ge-Si - krzem - german - arsenek galu - węglik krzemu - krzemogerman Podstawy Elektroniki Ai. R 3
Krzem (T=0 K) Si Si Si Si Si Model pasmowy: WC Wg WV Podstawy Elektroniki Ai. R 4
Krzem (T>0 K) Si Si Si Si Generacja pary dziura-elektron Model pasmowy: WC WV Podstawy Elektroniki Ai. R 5
Krzem domieszkowany Si Si Si Ga Si Si As Si Podstawy Elektroniki Ai. R Ga akceptor As donor WC WD WA WV 6
Krzem domieszkowany Si Si Si Ga- Si Si As+ Si Podstawy Elektroniki Ai. R Ga akceptor As donor WC WD WA WV 7
Koncentracja nośników Bilans ładunku: nd + N a + n T = p. T + N d + p a n 0 + N A = p 0 + N d n 0 - koncentracja równowagowa elektronów p 0 - koncentracja równowagowa dziur Typy półprzewodników: Na > Nd pp 0 > np 0 typ p Na < Nd pn 0 < nn 0 typ n Na = Nd p 0 = n i typ i Podstawy Elektroniki Ai. R 8
Koncentracja nośników ln n 0 ln p 0 Typ n n 0 = n d + n T p 0 = p T ni p 0 T Ti Ts TS – temperatura wyczerpania stanów Ti – temperatura przejścia w stan samoistny Podstawy Elektroniki Ai. R WC WD WV 9
Koncentracja nośników ln n 0 ln p 0 Typ n n 0 = n d + n T p 0 = p T ni p 0 T Ti Ts TS – temperatura wyczerpania stanów Ti – temperatura przejścia w stan samoistny Podstawy Elektroniki Ai. R ρ Ts Ti T ρ ~ (n 0 + p 0) ρ – rezystywność 10
Koncentracja nośników Koncentracje równowagowe: n 0 , p 0 n WC p WV h Koncentracje nierównowagowe: n = n 0 + n p = p 0 + p Koncentracje nadmiarowe: n , p Podstawy Elektroniki Ai. R zwykle: n = p 11
Rekombinacja Szybkość rekombinacji: WC h g n 0 R WV n n = n 0 + n n = n 0 exp (-t/ ) - czas życia t Podstawy Elektroniki Ai. R n(3 ) = 0. 05 n 0 12
Prąd unoszenia Ruch chaotyczny Pole elektryczne przyspiesza elektrony: F = q. E a = F/m E = 0 vth = f(T) v. E = at v. E v = vth + v. E Prędkość unoszenia: vu = m. E vu µ - ruchliwość Podstawy Elektroniki Ai. R t 13
Prąd unoszenia elektrony dziury vue = mn. E vuh = mp. E Jue = qnvue = qnmn. E Juh = qpvuh = qpmp. E Prawo Ohma dla półprzewodnika: Ju = Jue + Juh = q(nmn + pmp)E = s. E Podstawy Elektroniki Ai. R 14
Prąd dyfuzyjny Jde Jdh Jde = q. Dngrad n Jdh = -q. Dpgrad p Równania transportu: Je = q(nmn. E + Dngrad n) Jh = q(pmp. E - Dpgrad p) Podstawy Elektroniki Ai. R 15
Równania ciągłości Je 1 n, p Je 2 Jh 1 g, R Jh 2 x 1 D 3 D Podstawy Elektroniki Ai. R 16
Układ równań struktury półprzewodnikowej Równania transportu: Je = q(nmn. E + Dngrad n) Jh = q(pmp. E - Dpgrad p) Równania ciągłości: Równanie Poissona: Równanie Kirchhoffa: J = Je + Jh Podstawy Elektroniki Ai. R 17
Wstrzykiwanie nośników n 0 R = n/ g=0 E=0 n(x) = ? n 0 L = (D )0. 5 droga dyfuzji n(w)=0 w x j(0) j(w) β ≈1 L> w β = j(w)/j(0) β – współczynnik transportu j(x) = q D grad (Δn) n 0 w j(0) > j(w) 0<β <1 L w Podstawy Elektroniki Ai. R n 0 w j(w) = 0 β =0 L< w w 18
Złącze p-n Bezpośrednio po „zetknięciu” dwóch półprzewodników A Jde p K n Jdh pp >> pn np << nn W stanie równowagi QN QN SCR A p E n K Juh Jde Jue Podstawy Elektroniki Ai. R 19
Złącze p-n w stanie równowagi SCR E A nn 0 pp 0 np 0 p K n pn 0 b UAK = 0 a ID = 0 UD - potencjał dyfuzyjny Podstawy Elektroniki Ai. R 20
Złącze p-n w stanie przewodzenia SCR A pp 0 nn 0 n p K pn 0 b UAK > 0 a ID = f(UAK) > 0 Podstawy Elektroniki Ai. R 21
Złącze p-n w stanie blokowania SCR E A pp 0 nn 0 n p K pn 0 a b UAK < 0 ID = f(UAK) < 0 Podstawy Elektroniki Ai. R 22
Dioda idealna SCR A pp 0 K np 0 nn 0 p K n pn 0 Obszar złącza ID Charakterystyka diody idealnej Is 0 UD Is 0 – prąd nasycenia Podstawy Elektroniki Ai. R 23
Współczynnik wstrzykiwania SCR pp 0 A np 0 nn 0 p K n Współczynnik wstrzykiwania elektronów: pn 0 J J Jej Je Jhj Jh Współczynnik wstrzykiwania dziur: Obszar złącza Podstawy Elektroniki Ai. R 24
Pojemności w diodzie Pojemność złączowa: p Q w 1 U 1 n Q w 2 U 1 + DU Q Cj = U Podstawy Elektroniki Ai. R 25
Pojemności w diodzie Pojemność dyfuzyjna: Q p 2 U 1 + DU p 1 U 1 n 2 U 1 + DU n 1 U 1 Podstawy Elektroniki Ai. R Q CD = U 26
Dioda idealna a rzeczywista Rsp DI Rsn E pp 0 n p Jl – prąd upływu Gu DI Cj Cd Rs Gl Rs – rezystancja szeregowa Gu – konduktancja upływu Cj – pojemność złączowa Cd – pojemność dyfuzyjna DI – dioda idealna Podstawy Elektroniki Ai. R 27
Dioda idealna a rzeczywista Napięcie przebicia: DI Rs Gl DI+Rs+Gl ID Rodzaje przebić: : ● lawinowe ● Zenera ● skrośne Ubr UD Podstawy Elektroniki Ai. R 28
Przełączanie diody R E t E EF D ER E IF I tf t t ER ts IR IF = EF/R Podstawy Elektroniki Ai. R IR = ER/R 29
Przegląd diod Standardowe Specjalne Optoelelektroniczne ● Prostownicza (Ubr, Ron) ● Varikap (Cj) ● LED (emisja) ● Tunelowa (typu-S) ● Impulsowa (tr, trr) ● Laser (emisja) ● Lawinowa (syg. wcz) ● Zenera (Ubr) ● FD (detekcja) ● p-i-n (sygn wcz) ● Ogniwo słoneczne Inne diody: ● Schottky’ego – wykorzystująca własności nieliniowego kontaktu metal-półprzewodnik (tr, trr) ● Gunna – wykorzystuje zależność ruchliwości od pola elektrycznego występującą w pewnych materiałach jak np. Ga. As (charakterystyka I-V typu S) Podstawy Elektroniki Ai. R 30
Przegląd diod Charakterystyka V-I typu S: Ip ID Up – napięcie szczytowe Ip – prąd szczytowy Iv Up – napięcie dolinowe Up ujemna rezystancja Uv UD Ip – prąd dolinowy Я - ujemna rezystancja Podstawy Elektroniki Ai. R 31
Tranzystor bipolarny E JE E Jh Je Jh. C R C JC C B p-n-p B JC = Jh. C = Jh = JE Typowe warunki pracy: UBE - przewodzenie UBC - blokowanie Podstawy Elektroniki Ai. R Współczynnik wzmocnienia JC/JE 32
Tranzystor bipolarny jako czwórnik I 1 I 2 Układ U 1 WE WY U 2 elektroniczny U 1 = h 11 I 1 + h 12 U 2 I 2 = h 21 I 1 + h 22 U 2 Układ wspólnego emitera OE IC IB Współczynnik wzmocnienia IC/IB UCE UBE Podstawy Elektroniki Ai. R 33
Tranzystor bipolarny w układzie OE IC IB Charakterystyka wyjściowa IB=0 UCE Obszar nasycenia Obszar aktywny Obszar odcięcia Podstawy Elektroniki Ai. R 34
Tranzystor bipolarny jako inwerter EC IC EC/RL RL 0 RB UWE UWY 1 EC UCE Podstawy Elektroniki Ai. R 35
Tranzystor bipolarny jako inwerter Przełączanie tranzystora: EC RL IC UWE E t RB UWE UWY ICM ts IC tf t td td – czas opóźnienia tr – czas narastania tr ts – czas magazynowania tf – czas opadania Podstawy Elektroniki Ai. R 36
Tranzystor polowy D S p+ S n - kanał D G JFET G · · · Prąd płynie od źródła do drenu Złącze bramka-kanał jest spolaryzowane wstecznie Nie ma wstrzykiwania nośników Prąd przenoszą tylko nośniki większościowe Regulacja szerokości kanału napięciem bramka-kanał Podstawy Elektroniki Ai. R 37
Charakterystyka przejściowa 1 S p + D n UGS = 0 UDS – małe ID ( UD ) = I 1 1 S D 0 < UGS < Up UDS – małe ID ( UD ) < I 1 D UGS = Up UDS – małe ID ( UD ) = 0 I 1 2 G 2 ID 3 UP UGS G 3 S G Podstawy Elektroniki Ai. R UP - napięcie odcięcia 38
Charakterystyka wyjściowa JFET S 1 p + D n UGS = 0 UDS = 0 ID = 0 Obszar liniowy Obszar nasycenia G S 2 D UGS = 0 UDS < Up 0 < IDSS 3 ID 2 UGS = 0 G 3 S ●P D UGS = 0 UDS = Up ID = IDSS 1 UGS = Up UP UDS G IDSS - prąd nasycenia drenu Podstawy Elektroniki Ai. R 39
Tranzystor JFET – układ OS OS IG = y 11 SUGS + y 12 SUDS ID = y 21 SUGS + y 22 SUDS ID Transkonduktancja IDSS UP Podstawy Elektroniki Ai. R UGS 40
Struktura MIS zasada działania Jeżeli do kontaktów S i D zostanie przyłożone napięcie UDS, popłynie pomiędzy nimi prąd ID: S + UDS ID - D L n ID = UDS/RDS gdzie RDS rezystancja pomiędzy kontaktami D i S warstwy o grubości L RDS ~ 1/n. L Podstawy Elektroniki Ai. R 41
Struktura MIS zasada działania Jeżeli do kontaktów S i D zostanie przyłożone napięcie UDS, popłynie pomiędzy nimi prąd ID: S + G - D n B ID = UDS/RDS gdzie RDS rezystancja pomiędzy kontaktami D i S warstwy o grubości L RDS ~ 1/n. L Podstawy Elektroniki Ai. R 42
Struktura MIS zasada działania Jeżeli napięcie UGB > 0 jest przyłożone do kondensatora CGB, na okładkach zgromadzi się ładunek QG – dodatni na G i ujemny na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej. QG = UGB CGB G + S + + + + + _ _ _ _ _ D n B - Dielektryk np. Si. O 2 W warstwie przewodzącej prąd koncentracja elektronów rosnie prowadząc do zmniejszenia się rezystancji RDS , czemu towarzyszy wzrost prądu ID przy niezmienionej wartości napięcia UDS. Podstawy Elektroniki Ai. R 43
Tranzystor polowy MOSFET S G D n+ G S D n+ n n B Tranzystor z kanałem wbudowanym p S B G n+ D n+ Tranzystor z kanałem zaindukowanym p B Podstawy Elektroniki Ai. R 44
Tranzystor polowy MOSFET G S p+ D G S p+ n+ PMOS NMOS n D n+ p B B Układ scalony S B G D S G D podłoże S G D Tranzystor MOS Podstawy Elektroniki Ai. R 45
Tranzystor polowy MOSFET zasada działania S G p+ G D p+ n B B G S p+ D p+ G + + + _ _ _ n B B QCGB = 0 UCGB = 0 QCGB 0 UCGB > 0 QCGB = Qwbudowane + Qdostarczone UCGB = UCwbudowane + UGB Podstawy Elektroniki Ai. R 46
Tranzystor z kanałem indukowanym G S p+ D p+ n G S p+ n D p+ UGS = 0 · koncentracja n przy powierzchni większa (stany powierzchniowe), · nie ma prądu drenu UGS = UT (napięcie progowe) · stan samoistny przy powierzchni (n 0=p 0), · nie ma prądu drenu UGS > UT · przy powierzchni warstwa inwersyjna typu p tworzy kanał · prąd drenu zaczyna płynąć Podstawy Elektroniki Ai. R 47
Tranzystor z kanałem indukowanym normalnie nieprzewodzący D D B G S ID ID S UGS = UT UT UDS UGS Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa Podstawy Elektroniki Ai. R 48
Tranzystor z kanałem indukowanym normalnie przewodzący D D B B G G S ID UGS = 0 Up UGS Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa Podstawy Elektroniki Ai. R UDS 49
Układy scalone Układ scalony - przyrząd półprzewodnikowy zawierający w jednej strukturze półprzewodnikowej cały obwód elektryczny z: · przyrządami półprzewodnikowymi (diody, tranzystory) · elementami biernymi (rezystory, kondensatory) · połączenia międzyelementowe (tzw. layout z Al lub Cu) 1958 - pierwszy układ scalony w Bell Lab. (Kilby) Podstawy Elektroniki Ai. R 50
Układy scalone - podziały Bipolarne - podstawowy element tranzystor bipolarny Unipolarne - podstawowy element tranzystor polowy MOS Analogowe - sygnały wejściowe i wyjściowe ciągłe Cyfrowe - sygnały wejściowe i wyjściowe Cyfrowe dyskretne (logiczne ” 0” i ” 1”) Podstawy Elektroniki Ai. R 51
Cyfrowe IC - podziały Technologie Bipolarne: TTL - Transistor-Transistor Logic ECL - Emiter Coupled Logic I 2 L - Integrated Injection Logic Technologie Unipolarne: NMOS - tylko tranzystory z kanałem typu n PMOS - tylko tranzystory z kanałem typu p CMOS - Complementary MOS, oba typy Podstawy Elektroniki Ai. R 52
Technologia CMOS P+ n+ warstwa p- n-well polikrzem podłoże p+ tlenek podbramkowy tlenek izolacyjny II Podstawy Elektroniki Ai. R metalizacja II pasywacja 53
Układy logiczne - Inwerter EC E Element obciążający Uwe Element sterujący RL UWY UWE Uwy Schemat blokowy Symbol Uwe Podstawy Elektroniki Ai. R Uwy 54
Inwertery - bramka NMOS UDD Charakterystyka przejściowa Uwy TL UGG UDD Uwy TD Uwe zwykle: UGG=UDD CL UT(TD) Uwe CL - pojemność obciążenia (kolejne bramki oraz doprowadzenia) Dla logicznego Wwy = ” 0” płynie stały prąd obciążenia Podstawy Elektroniki Ai. R 55
Inwertery - bramka CMOS UDD Charakterystyka prądowa ID TL Uwy Uwe TD CL UTn Uinv Uwe UDD-UTp Prąd płynie tylko przy przełączaniu Podstawy Elektroniki Ai. R 56
Przyrządy mocy - przegląd Podstawowe cechy : ● główne zastosowania – klucze w obwodach DC i AC ● duże wymiary ● wymagają chłodzenia ● duża jednostkowa cena Podstawy Elektroniki Ai. R 57
Przyrządy mocy - przegląd Podstawowe wymagania : ● duży prąd przewodzenia : typowo 40 - 1000 A, max. 6 k. A ● duże napięcie blokowania : typowo 300 V - 2 k. V, max. 10 k. V ● duża częstotliwość przełączania : dla bipolarnych > 10 k. Hz dla unipolarnych > 100 k. Hz ● małe straty mocy (Uon. Ion) w stanie przewodzenia ● proste sterowanie Podstawy Elektroniki Ai. R 58
Przyrządy mocy - przegląd Bipolarne Tranzystory bipolarne Bi. MOS Unipolarne Tranzystory z izolowaną bramką (IGBT) Tranzystory MOSFET Static Induction Thyristor (SITh) Tranzystory JFET Diody Tyrystory GTO Podstawy Elektroniki Ai. R 59
Przyrządy mocy - tyrystor zasada działania Jest to przyrząd 3 -złączowy pochodzący od znanego układu dwutranzystorowego, tzw. łącznika TT: ● struktura n-p-n-p ● trzy złącza ● trzy elektrody: A – anoda K – katoda G – bramka A A ● cztery warstwy IA p T 2 n G p n K Podstawy Elektroniki Ai. R G T 1 IG IK = IA + I G K 60
Przyrządy mocy - SIT zasada działania Wywodzący się z idei JFET ● Static Induction Transistor SIT (unipolarny) S n+ G p+ Konstrukcja bramki zagrzebanej n- Konstrukcja SIT jest wzorowana na idei lampy elektronowej „triody” n+ D Podstawy Elektroniki Ai. R 61
Przyrządy mocy - VDMOS zasada działania Wywodzący się z idei MOSFET ● Vertical Double Diffusion VDMOS (unipolarny) G S p n Pojedyncza komórka przyrząd składa się z tysięcy takich komórek S n n- n+ D Identyczność komórek MOS jest uzyskiwana dzięki jednorodności procesu podwójnej dyfuzji (jedna maska dla wysp n i p) Podstawy Elektroniki Ai. R 62
Przyrządy mocy - IGBT zasada działania Wywodzący się z idei MOSFET ● Integrated Gate Bipolal Transistor IGBT (Bi-MOS) G n Wyjściowa struktura MOS G S n D p+ G S nn+ D Podstawy Elektroniki Ai. R 63
Przyrządy mocy - IGBT zasada działania Wywodzący się z idei MOSFET ● Integrated Gate Bipolal Transistor IGBT (Bi-MOS) G E n n p+ Zmodyfikowana struktura MOS G struktura IGBT E G n- C p+ C Podstawy Elektroniki Ai. R 64
- Slides: 64