Przyrzdy pprzewodnikowe cz 2 Prof Zbigniew Lisik Katedra

Przyrządy półprzewodnikowe – część 2 Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 110 e-mail: zbigniew. lisik@p. lodz. pl wykład 30 godz. laboratorium 30 godz WEEIi. A E&T

Zjawiska w półprzewodnikach Procesy rekombinacyjne n 0 WC g. T r. T Stan równowagi: g. T – szybkość termicznej generacji par elektron-dziura r. T – szybkość termicznej anihilacji p 0 WV par elektron-dziura g. T = r. T Stan ustalony stała koncentracja nośników Część 2 -1

Zjawiska w półprzewodnikach Procesy rekombinacyjne n 0 + Δn h gr WC g. T r Stan nierównowagi: g. T – szybkość termicznej generacji par elektron-dziura gr – szybkość promienistej generacji p 0 + Δn WV par elektron-dziura r – szybkość termicznej anihilacji par elektron-dziura Stan równowagi gr + g. T = r stała koncentracja nośników Część 2 -2

Zjawiska w półprzewodnikach Procesy rekombinacyjne n 0 + Δn WC g. T r Stan nierównowagi: g. T – szybkość termicznej generacji par elektron-dziura r – szybkość termicznej anihilacji p 0 + Δn WV par elektron-dziura Stan przejściowy g. T < r zmienna koncentracja nośników R = r - g. T R – szybkość rekombinacji Część 2 -3

Zjawiska w półprzewodnikach Procesy rekombinacyjne n = n 0 + n - czas życia n = n 0 exp (-t/ ) n(3 ) = 0. 05 n 0 n t Część 2 -4

Zjawiska w półprzewodnikach Procesy rekombinacyjne Rekombinacja fononowa – cała energia Wg jest przejmowana przez termiczne drgania sieci, nazywane fononami (Rph , ph) Rekombinacja Augera (zderzeniowa)– cała energia Wg jest przejmowana przez trzeci nośnik, elektron lub dziurę, nazywany gorącym nośnikiem (RA , A) Rekombinacja promienista – cała energia Wg jest przejmowana przez wytworzony foton, który może opuścić kryształ np. jako widzialne promieniowanie (Rr , r) R = Rph + RA + Rr Część 2 -5

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja fononowa – model SRH Wc A 1 B 1 Wt A 2 B 2 Wv Część 2 -6

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja fononowa – model SRH ● niski poziom wstrzykiwania - Δn << max (n 0, p 0) typ n n 0 >> max( p 0, ni) typ p zwykle n 1 = p 1 = ni p 0 >> max( n 0, ni) Część 2 -7

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja fononowa – model SRH ● Wysoki poziom wstrzykiwania - Δn >> max (n 0, p 0, ni) typ n 0. 1 1 10 Część 2 -8

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja Augera (zderzeniowa) hot electron proces elektron-dziura reeh = CAnn 2 p CAn – stała rekombinacji Augera WC reeh W g WV dla procesu for e-e-h proces elektron-dziura rehh = CApnp 2 CAp – stała rekombinacji Augera dla procesu e-h-h WC rehh Wg WV hot hole Część 2 -9

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja Augera (zderzeniowa) proces elektron-dziura w stanie ustalonym : Zderzeniowa generacja i anihilacja par elektron-dziura w procesach e-e-h RAn = reeh 0 – geeh 0= 0 geeh 0 = reeh 0 = CAnn 02 p 0 proces elektron-dziura w stanie ustalonym: WC reeh 0 geeh 0 WV Zderzeniowa generacja i anihilacja par elektron-dziura w procesach e-h-h RAp = rehh 0 – gehh 0 = 0 gehh 0 = rehh 0 = CApn 0 p 02 WC rehh 0 gehh 0 WV Część 2 -10

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja Augera (zderzeniowa) hot electron Szybkość rekombinacji w procesie elektron-dziura: RAn = reeh – geeh 0 = = CAnn 2 p – CAnn 02 p 0 Szybkość rekombinacji w procesie elektron-dziura: RAp = rehh – gehh 0 = = CApnp 2 – CApn 0 p 02 WC reeh W g geeh 0 WV WC rehh Wg gehh 0 WV hot hole Część 2 -11

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja Augera (zderzeniowa) ● Wzór ogólny: ● niski poziom wstrzykiwania typ n n 0=ND>>max(p 0, Δn) typ p p 0=NA>>max(n 0, Δn) Część 2 -12

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja Augera (zderzeniowa) ● Wzór ogólny: ● wysoki poziom wstrzykiwania Δn>>max(n 0, p 0) Część 2 -13

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja promienista hν – foton – kwant energii promieniowania n 0 + Δn Relative emission efficiency ν – częstotliwość emitowanych fal elektromagnetycznych określająca kolor emitowanego światła In. Sb WC hν = Wg p 0 + Δn WV Rekombinacja promienista daje promieniowanie prawie monochromatyczne w kolorze zależnym od Wg Część 2 -14

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja powierzchniowa Przy powierzchni ilość centrów rekombinacyjnych odpowiedzialnych za rekombinację promienistą jest większa niż w całej objętości z powodu większej liczby defektów oraz wpływu zewnętrznych czynników. W wyniku tego, szybkość rekombinacji w brzegowej warstwie półprzewodnika R(x) wzrasta (R 2=var. ) w porównaniu do jej wartości wewnątrz struktury, gdzie zwykle jest ona stała (R 1=const. ), R 1=const. R 2=var R(x) n 0 Część 2 -15

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja powierzchniowa Kiedy w półprzewodniku występują koncentracje nadmiarowe, Δn i Δp, ich rekombinacja w warstwie przypowierzchniowej jest szybsza niż w pozostałej części struktury, zakłócając równomierny rozkład nośników nadmiarowych. W rezultacie pojawia się przepływ dyfuzyjny par elektron-dziura z wnętrza ku warstwie przypowierzchniowej. Ponieważ para elektron-dziura jest elektrycznie neutralna , jej przemieszczanie tworzy prądu elektrycznego, zmniejszając jedynie wewnętrzną koncentrację nośników nadmiarowych. R 1=const. R 2=var R(x) n = p n 0 Część 2 -16

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja powierzchniowa Warstwa przypowierzchniowa istotnie wpływa na proces rekombinacji w całej strukturze przyspieszając go, ponieważ pary dziura-elektron przemieszczają się do niej i tam rekombinują. Jeżeli rekombinacja ma być opisana poprawnie, to strumień par elektron-dziura ku powierzchni musi być uwzględniony. R 1=const. R 2=var R(x) n(x) Może to być zrobione poprzez wprowadzenie R 2= var lub poprzez wprowadzenie pojęcia rekombinacji powierzchniowej n = p n 0 Rs Część 2 -17

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja powierzchniowa Idea rekombinacji powierzchniowej polega na przyjęciu założenia, że nie ma żadnych zmian szybkości rekombinacji w warstwie przypowierzchniowej, a strumień par elektron-dziura ku powierzchni jest wywołany poprzez anihilację nadmiarowych par elektron-dziura na powierzchni. Szybkość rekombinacji powierzchniowej, Rs, reprezentuje gęstość strumienia nadmiarowych par elektron-dziura płynących ku powierzchni i przejmowanych przez nią. Jest ona traktowana jako nowy parametr opisujący własności powierzchni półprzewodnika R 1=const. R 2=var R(x) n(x) Rs n = p n 0 Δns Część 2 -18

Zjawiska w półprzewodnikach Rekombinacja powierzchniowa Szybkość rekombinacji powierzchniowej jest zdefiniowana wzorem: Rs = s ns ns – koncentracja nadmiarowych nośników na powierzchni [cm-3] s – współczynnik rekombinacji powierzchniowej [cm/s] współczynnik s może zmieniać się w szerokim zakresie w zależności od stanu powierzchni, np. w Ge: od 102 cm/s – dla powierzchni trawionej do 104 cm/s – dla powierzchni po piaskowaniu R(x) = const. n(x) Rs n = p n 0 Δns Część 2 -19

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Cieplny ruch elektronów: chaotyczny, Od zderzenia do zderzenia, Średnia prędkość = 0 Występują zderzenia z innymi elektronami oraz defektami kryształu (np. cieplnymi drganiami atomów w węzłach sieci) E = 0 vth = f(T) vth – chwilowa wartość prędkości wzrastająca z temperaturą (w Si w temperaturze pokojowej jest rzędu 107 cm/s) r – czas relaksacji – średni czas pomiędzy dwoma zderzeniami (w Si w temperaturze pokojowej jest rzędu 10 -9 s) Część 2 -20

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Ruch cieplny w obecności pola elektrycznego: - Pole elektryczne przyspiesza elektrony F = q. E a = F/m v = vth + v. E = at vu t - Pole elektryczne wywołuje unoszenie elektronów ze prędkością: v. E – składnik prędkości w kierunku pola elektrycznego E v = m. E u gdzie: m - ruchliwość vu – prędkość unoszenia – średnia prędkość w kierunku pola elektrycznego E Część 2 -21

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Prąd unoszenia elektronów: vue = mn. E Jun = qnvue = qnmn. E µn – ruchliwość elektronów ● Prąd unoszenia dziur: vuh = mp. E Jup = qpvuh = qpmp. E µp – ruchliwość dziur Część 2 -22

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Prawo Ohma dla półprzewodników: Ju = Jun + Jup = = q(nmn + pmp) E = = s E = E/ρ gdzie: σ – przewodność elektryczna ρ – rezystywność elektryczna Część 2 -23

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Prąd dyfuzyjny elektronów: Strumień elektronów Sn jest proporcjonalny do spadku koncentracji elektronów: n Jdn x Strumień elektronów Sn tworzy prąd elektryczny: 3 D Jdn = q. Dngrad n Część 2 -24

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Prąd dyfuzyjny dziur: Strumień dziur Sp jest proporcjonalny do spadku koncentracji dziur: p n Jdp x Strumień dziur Sp tworzy prąd elektryczny: 3 D Jdp = -q. Dpgrad p Część 2 -25

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Równania transportu: 3 D Jn = q(nmn. E + Dngrad n) Jp = q(pmp. E - Dpgrad p) Część 2 -26

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Równania ciągłości: Rozważmy zmiany koncentracji nośników, n i p, w czasie Δt wewnątrz obszaru Δx w obecności rekombinacji R, generacji g oraz przepływu nośników. Jn 1 n, p Jn 2 Jp 1 g, R Jp 2 x Zmiany koncentracji nośników w czasie: Część 2 -27

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Równania ciągłości: Rozważmy zmiany koncentracji nośników, n i p, w czasie Δt wewnątrz obszaru Δx w obecności rekombinacji R, generacji g oraz przepływu nośników. Jn 1 n, p Jn 2 Jp 1 g, R Jp 2 x Po podzieleniu obu stron przez Δt: Część 2 -28

Zjawiska w półprzewodnikach Ruch elektronów i dziur w krysztale ● Równania ciągłości: Przy założeniu Δx → ∞ i Δt → ∞: 3 D Część 2 -29

Zjawiska w półprzewodnikach Podstwowy układ równań struktury półprzewodnikowej ● Równania transportu: Jn = q(nmn. E + Dngrad n) Jp = q(pmp. E - Dpgrad p) ● Równania ciągłości: ● Równanie Poissona: ● Równanie Kirchhoffa: J = Jn + Jp Część 2 -30

Zjawiska w półprzewodnikach Wstrzykiwanie nośników Rozważmy przepływ nośników nadmiarowych, Δn, poprzez warstwę w przy warunkach pokazanych na rysunku. n 0 R = n/ g=0 E=0 n(w)=0 n(x) = ? w Dla tych warunków podstawowy układ równań struktury półprzewodnikowej może być zredukowany do postaci: x gdzie: L = (D )0. 5 - droga dyfuzji Część 2 -31

Zjawiska w półprzewodnikach Wstrzykiwanie nośników Dla tego problemu można znaleźć rozwiązanie analityczne dające poniższe rozkłady nośników nadmiarowych. n 0 R = n/ g=0 E=0 β = j(w)/j(0) – współczynnik transportu n(x) = ? w j(x) = q D grad (Δn) 0<β<1 β≈1 n 0 j(0) j(w) L> w w n(w)=0 β=0 n 0 j(0) > j(w) L w x w j(w) = 0 L< w w Część 2 -32

Zjawiska w półprzewodnikach Wstrzykiwanie nośników Sytuacja, kiedy nośniki nadmiarowe wpływają do warstwy w wyniku wytworzenia brzegowej koncentracji nośników nadmiarowych , jest określana jako wstrzykiwanie nośników nadmiarowych. Taką sytuację mamy w rozważanej warstwie. Wstrzyknięte nośniki nadmiarowe dyfundują w głąb warstwy, a ich koncentracja maleje w wyniku procesów rekombinacyjnych. Warstwa może być dla dyfundujących nośników przezroczysta lub nie w zależności od jej grubości. W każdym punkcie warstwy występuje neutralność ładunku, co oznacza, że w każdym punkcie n = p. Całka wyznaczona dla koncentracji nośników nadmiarowych określa pewien ładunek, który zmienia się zgodnie z aktualną wartością koncentracji brzegowej n 0. Nachylenie rozkładu tej koncentracji określa wartość prądu dyfuzyjnego, a jakiekolwiek zmiany tego rozkładu wymagają odpowiedniej zmiany ładunku zmagazynowanego w warstwie. To zjawisko określamy jako pojemność dyfuzyjną. Część 2 -33

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n powstaje kiedy w monokrysztale półprzewodnikowym następuje zmiana typu półprzewodnika z n na p: A Nd p n K Nd Na złącze liniowe Na złącze skokowe Część 2 -34

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n Skokowa zmiana koncentracji nośników na granicy prowadzi do prądów dyfuzyjnych, Jdn and Jdp, poprzez powierzchnię złącza: A Jdn p n K Jdp pp >> pn np << nn A – anoda K - katoda Część 2 -35

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n Nośniki opuszczają obszar przyzłączowy pozostawiając w nim nieskompensowane jony domieszek, które tworzą obszar ładunku przestrzennego SCR obejmujący płaszczyznę złącza. W efekcie powstaje w obszarze SCR pole elektryczne E, które wywołuje prąd unoszenia kompensujący prąd dyfuzyjny: QN A QN SCR E p Jup n K Jdp Jdn Jun Część 2 -36

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n – stan równowagi Na granicach QN/SCR : - koncentracja nośników jest płaska – brak prądu dyfuzyjnego - Brak pola elektrycznego – brak prądu unoszenia QN SCR QN E UAK = 0 ID = 0 A nn 0 pp 0 np 0 p K n pn 0 b j a Część 2 -37

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n – stan równowagi W obszarze SCR : - po n-stronie Nd >> nn Qn = q(Nd + pn – nn) ≈ q. Nd - po p-stronie Na >> pp Qp = q(- Na - np + pp) ≈ - q. Na po n-stronie: QN SCR QN E dla x>a E rośnie liniowo A nn 0 pp 0 np 0 p K n pn 0 b a Część 2 -38

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n – stan równowagi W obszarze SCR : - po n-stronie Nd >> nn Qn = q(Nd + pn – nn) ≈ q. Nd - po p-stronie Na >> pp Qp = q(- Na - np + pp) ≈ - q. Na po p-stronie: QN SCR QN E for x<b E maleje liniowo A nn 0 pp 0 np 0 p K n pn 0 b a Część 2 -39

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n – stan równowagi W obszarze SCR : - po n-stronie Nd >> nn Qn = q(Nd + pn – nn) ≈ q. Nd - po p-stronie Na >> pp Qp = q(- Na - np + pp) ≈ - q. Na QN SCR QN napięcie pomiędzy dwoma punktami: E A nn 0 pp 0 np 0 p K n pn 0 VD - potencjał dyfuzyjny b a Część 2 -40

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n – stan równowagi N Nd Rozkład domieszkowania Na n, p nn pp SCR Rozkład nośników większościowych W q. VD WC WF Model pasmowy WV Część 2 -41

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n – polaryzacja wsteczna Na granicach QN/SCR : - koncentracja nośników mniejszościowych na granicy maleje do zera ze wzrostem blokowanego napięcia UAK → - ∞ SCR QN QN E np(b) → 0 pn(a) → 0 A nn 0 pp 0 p np 0 n K pn 0 b j a Część 2 -42

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n – polaryzacja wsteczna W obszarze SCR : - prąd dyfuzyjny << prąd unoszenia - amplituda prądu unoszenia, Jun i Jup, ograniczona przez ilość nośników SCR QN QN E Jun(b) = Jdn(b) = = q. Dn dnp(b)/dx Jup(a) = Jdp(a) = A nn 0 pp 0 p np 0 n K pn 0 = - q. Dn dnp(b)/dx Jup -Jdn -Jun b j Jdph a Część 2 -43

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n –kierunek przewodzenia n 0 Na granicach QN/SCR : - koncentracja nośników mniejszościowych na Granicach wzrasta ze wzrostem przyłożonego napięcia prowadząc do wstrzykiwania nośników mniejszościowych. QN SCR QN UAK > 0 V A np(b) > np 0 pp 0 nn 0 n p K pn 0 pn(a) > pn 0 b j a Część 2 -44

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n –kierunek przewodzenia W obszarach QN : - wstrzyknięte nośniki mniejszościowe tworzą prądy dyfuzyjne w obszarze przyległym do SCR, które zanikają w wyniku rekombinacji QN SCR QN UAK → VD Jdn(b) ≈→∞ Jdp(a) ≈→ ∞ A pp 0 nn 0 n p K pn 0 Jdp -Jdn b j a Część 2 -45

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze p-n –równanie diody idealnej Charakterystyka I-V diody idealnej : ID Is 0 UD Is 0 – prąd nasycenia Część 2 -46

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze metal-półprzewodnik Metal i półprzewodnik typu n - model pasmowy : Am>Ap Am – praca wyjścia w metalu Am<Ap AP – praca wyjścia w półprzewodniku Część 2 -47

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze metal-półprzewodnik Metal i półprzewodnik typu n - kontakt omowy Ap>Am : ID UD Część 2 -48

Zjawiska w półprzewodnikach Złącze metal-półprzewodnik Metal i półprzewodnik typu n - kontakt Schottky’ego Ap>Am : ID Isk UD Część 2 -49

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy bipolarne : ● Charakteryzują się tym, że oba typy nośników (elektrony i dziury) biorą udział w przepływie prądu. ● Ich istotą jest występowanie wstrzykiwania nośników mniejszościowych przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia. ● Prowadzi to do drastycznego wzrostu koncentracji nośników w obszarach słabodomieszkowanych i w konsekwencji do drastycznego wzrostu ich przewodności – określanego jako modulacja przewodności. ● Z uwagi na występowanie koncentracji nadmiarowych ich dynamika jest ograniczona przez procesy rekombinacyjne Część 3 -1

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy unipolarne : ● Charakteryzują się tym, że prąd tworzą w nich jedynie nośniki większościowe. ● Zwykle są one sterowane sygnałem napięciowym i dlatego często są one nazywane przyrządami sterowanymi polowo. ● Prąd płynie w nich poprzez półprzewodnik jednego typu (typu n lub typu p), tak więc nie występuje w nich wstrzykiwanie nośników. ● Koncentracje elektronów i dziur są w nich generalnie równe swoim wartościom równowagowym – nie występuje efekt modulacji przewodności. Część 3 -2

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Przyrządy Bi-MOS: ● Charakteryzują się tym, że posiadają one części pracujące, odpowiednio, jak przyrządy bipolarne i unipolarne. ● Jako przyrządy dyskretne są one zwykle sterowane przez sygnał napięciowy, a więc prościej niż w przypadku przyrządów bipolarnych. ● Wykorzystują one podstawową własność przyrządów bipolarnych – modulację konduktywności. ● Są one zwykle szybsze od odpowiadających im przyrządów bipolarnych. Część 3 -3

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Zasada działania Bipolarne Tranzystory Bipolarne Diody Tyrystory GTO Bi. MOS Unipolarne Tranzystory Bipolarne z Izolowaną Bramką (IGBT) Tranzystory Polowe z Izolowaną Bramką (MOSFET) Static Induction Thyristor (SITh) Tranzystory Polowe Złączowe (JFET) Część 3 -4

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Przyrządy dyskretne - jeden przyrząd w jednej obudowie Część 3 -5

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Układy scalone - układ elektroniczny z wieloma przyrządami wykonany na jednej strukturze półprzewodnikowej 21164 Alpha die Część 3 -6

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Konstrukcja i obudowa Moduły zintegrowane - kilka przyrządów i/lub układów scalonych zmontowanych w jednej obudowie IPM MCM Część 3 -7

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy optoelektroniki - są to przyrządy sterowane światłem ( np. fototranzystory, fotodiody, fototyrystory) oraz emitujące światło (np. LEDy, lasery) jak również ogniwa słoneczne. FD LED LD Ogniwa słoneczne Część 3 -8

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy wysokich częstotliwości - są one zdolne do pracy przy bardzo dużych częstotliwościach sięgających GHz’ów zarówno jako źródła sygnału AC (np. diody Gunna lub lawinowe) jak i jako aktywne elementy obwodów wysokiej częstotliwości (np. tranzystory HJBT, HEMT czy MESFET). Przykład powszechnego zastosowania – telefonia mobilna. Space application diody HEMT klucze HF Część 3 -9

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Sensory - obejmują szerokie spektrum różnych przyrządów półprzewodnikowych, których podstawową cechą jest ich czułość na pewne parametry fizyczne lub czynniki chemiczne (np. hallotrony, termistory, czujniki wilgotności i gazów) Hallotron MEMS metan sensor Czujnik CO Czujnik wilgotności Termistory Część 3 -10

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Przyrządy mocy - przyrządy dla prądów powyżej 40 A i napięć powyżej 300 V dla „power management”. Są wykorzystywane jako elementy przełączające w energoelektronice. Część 3 -11

Przyrządy Półprzewodnikowe - przegląd Przeznaczenie Microsystemy - są połączeniem przyrządów elektrycznych i mechanicznych wykonywanych na jednej strukturze półprzewodnikowej lub wykonywane jako moduł zawierający elementy dyskretne (tzw. micromachining). Przykład – czujnik przyspieszenia sterujący poduszką powietrzną. czujnik pojemnościowy mikrofon mikrosilnik mikromedycyna mikroaktuator Część 3 -12

Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – współczynnik wstrzykiwania SCR A pp 0 np 0 Współczynnik wstrzykiwania dla elektronów: nn 0 p K n pn 0 Jej Je Jhj Jh Współczynnik wstrzykiwania dla dziur: Obszar Złącza Część 3 -13

Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – współczynnik wstrzykiwania ● złącze p-n może być emiterem elektronów: kiedy Nd >> Na ● złącze p-n może być emiterem dziur: when Na >> Nd Część 3 -14

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – rezystancja szeregowa Obszar złącza nn 0 pp 0 n p np 0 DI Rs DI+Rs ID pn 0 Rsp Rsn DI Is 0 DI UD Rs Część 3 -15

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – konduktancja upływu SCR E pp 0 n p DI Rs Gl DI+Rs+Gl ID Jl – prąd upływu Gl Is 0 UD Gl DI Rs Część 3 -16

Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – pojemność złączowa p Q w 1 U 1 n Q w 2 U 2=U 1 + DU Q Cj = U Część 3 -17

Przyrządy bipolarne - Diody Złącze p-n – pojemność dyfuzyjna pp 0 np 0 Q p Q nn 0 p n pn 0 p 2 U 2=U 1 + DU p 1 U 1 n 2 U 2=U 1 + DU n 1 U 1 Q CD = U Część 3 -18

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – model diody rzeczywistej DI Rs Gl DI+Rs+Gl ID Gl DI Cj Cd Rs Is 0 UD Część 3 -19

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – napięcie przebicia DI Rs Gl DI+Rs+Gl ID Rodzaje przebić: : ● lawinowe ● Zenera ● skrośne Ubr UD Część 3 -20

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie lawinowe Elektron jest przyspieszany w SCR przez siłę: WC Wkin Wg WV i jego energia kinetyczna rośnie: E SCR l – droga swobodna pomiędzy dwoma zderzeniami Elektron może oddać nadmiarową energię na dwa sposoby: - w zderzeniach z siecią – fononami - w zderzeniach z innymi nośnikami (elektrony lub dziury) Część 3 -21

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie lawinowe WC Wkin WV Jeżeli energia kinetyczna jest wystarczająco duża , w wyniku zderzenia z elektronem pasma walencyjnego może być wygenerowana para dziura-elektron. Wymaga to: : gdzie Wion – energia joniacji Ponieważ uzyskanie takiej energii wymaga różnych dróg swobodnych przy różnych natężeniach pola elektrycznego, zdefiniowano średnią drogę jonizacji zależną od pola elektrycznego: Część 3 -22

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie lawinowe Powielanie lawinowe prowadzące do przebicia lawinowego ma miejsce kiedy: WC Wkin WV ● dla konkretnego natężenia pola E lph- średnia droga swobodna dla rozpraszania na fononach Si 78 Ǻ Ge Ga. As 105 Ǻ 58 Ǻ ● zderzenie z nosnikami jest bardziej prawdopodobne niż z fononami: Część 3 -23

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n model przebicia lawinowego w diodzie rzeczywistej Wspóczynnik powielania: ID - całkowity prąd diody Ubr - prąd diody bez powielania UD Prąd całkowity diody w modelu: gdzie M określane eksperymentalnie: Część 3 -24

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie Zenera Przebicie Zenera jest związane z efektem nazywanym polowa generacja par dziuraelektron, który ma charakter kwantowy. Ma on miejsce w obszarze o dużym natężeniu pola elektrycznego, kiedy nachylenie krawędzi pasma przewodnictwa i walencyjnego jest bardzo duże, np. w silnie domieszkowanym złączu p-n. Jeżeli domieszkowanie jest tak duże, że odległość pomiędzy punktami A i B jest wystarczająco mała aby oba punkty znalazły się wewnątrz dzwonu prawdopodobieństwa, wynikającego z zasady nieoznaczoności Heisenberga, to ten sam elektron może pojawiać się w każdym z nich z określonym prawdopodobieństwem. Część 3 -25

Przyrządy bipolarne - Diody Dioda p-n – przebicie skrośne wn wp p n w. SCR(n) WC WV w. SCR(p) Przebicie skrośne jest efektem przestrzennym wynikającym z faktu, że grubość warstw tworzących diodę p-n, wn and wp, jest ograniczona. Rozważmy asymetryczna diodę p-n, w której: Nd >> Na W takiej diodzie w. SCR(p) >> w. SCR(n), oznacza to, że obszar SCR występuje głównie w warstwie p. Część 3 -26