Podstawowym materiałem stosowanym do budowy elementów półprzewodnikowych są krystaliczne postacie krzemu i germanu
Cechą charakterystyczną metali jest zjawisko zachodzenia na siebie pasm: walencyjnego i przewodzenia .Cechą charakterystyczną materiałów półprzewodnikowych jest wyraźny odstęp energetyczny DW pomiędzy pasmami walencyjnym i przewodzenia. Dla krzemu DW = 1,2 eV.
W półprzewodnikach mogą zaistnieć warunki do migracji elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Energia konieczna do przeniesienia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa nosi nazwę energii aktywacji. Przewodnictwo samoistne wynika z procesu generacji par dziura-elektron.
Przewodnictwo półprzewodników samoistnych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Zjawisko to jest wykorzystywane do budowy termistorów. Termistory wykorzystywane są do pomiaru lub stabilizacji temperatury. Pomiaru temperatury można dokonywać poprzez pomiar rezystancji termistora.
Procesem odwrotnym do procesu generacji pary nośników prądu jest proces rekombinacji. Polega on na zaniku pary nośników prądu i odbudowy sieci krystalicznej.
W celu poprawy właściwości półprzewodniki samoistne takie jak krzem lub german są domieszkowane.
Domieszkowanie krzemu (IV) atomami antymonu (V) prowadzi do powstania półprzewodnika typu n.
Obce atomy wzbogacające liczbę elektronów swobodnych półprzewodnika nazywa się domieszkami donorowymi. Nośnikami prądu są swobodne elektrony.
Domieszkowanie krzemu (IV) atomami indu (III) prowadzi do powstania półprzewodnika typu p.
Obce atomy absorbujące elektr. swobodne półprzewodnika nazywamy domieszkami akceptorowymi.
Nośnikami ładunku elektrycznego w półprzewodnikach typu p są dziury.
Półprzewodnictwo niesamoistne wzrasta wraz ze wzrostem koncentracji domieszek. Nie jest zależne od temperatury.
Elementy półprzewodnikowe budowane są z warstw materiałów półprzewodnikowych n, p i samoistnych.
Półprzewodniki samoistne nazywane są również półprzewodnikami I typu.
W elementach unipolarnych – prąd przepływa przez warstwę półprzewodnika o jednym typie przewodnictwa.
W elementach bipolarnych – prąd przepływa przez co najmniej dwie warstwy półprzewodnika o różnych typach przewodnictwa.
Złącze pn powstaje w obszarze styku dwóch półprzewodników typu p i n. Elektrony swobodne przenikają do strefy półprzewodnika typu p, a dziury w głąb półprzewodnika typu n.
Szerokość warstwy zaporowej może być zmieniana poprzez przyłożenie do złącza zewnętrznego napięcia.
Diody półprzewodnikowe
Dioda jest elementem półprzewodnikowym zawierającym złącze pn. Dioda wyposażona jest w dwie elektrody: anodę i katodę. Anoda jest połączona z warstwą półprzewodnika typu p, katoda z warstwą typu n.
Właściwości diody opisuje jej charakterystyka prądowo-napięciowa, tz. zależność prądu płynącego przez diodę w funkcji napięcia przyłożonego pomiędzy jej elektrody.
Napięcie progowe dla diody wykonanej z krzemu – 0,7 V.
IR – prąd wsteczny (zaporowy) zależny od temperatury złącza, wymiarów geometrycznych złącza.
Parametry diody dzielą się na parametry graniczne i parametry znamionowe.
Parametry graniczne określają zbiór dopuszczalnych wartości parametrów eksploatacyjnych zapewniających długotrwałą i bezawaryjną pracę elementu.
Parametry znamionowe określają statystyczne wartości podstawowych cech elementu półprzewodnikowego w tzw. punkcie pracy.
Parametry graniczne – maksymalne dopuszczalne wartości:
v prądu przewodzenia IFmax
v napięcia przewodzenia UFmax,
v całkowitej mocy traconej Ptot,
v napięcia wstecznego URmax
v temperatury złącza pn Jjmax
Parametry znamionowe
Ponieważ kształt charakterystyki prądowo-napięciowej diody zależy od temperatury złącza punkt pracy diody określa się poprzez podanie trzech parametrów: wartości znamionowej prądu, napięcia w punkcie pracy oraz wartości znamionowej temperatury złącza.
Zastosowanie diody w układach prądu przemiennego wymaga zdefiniowania dodatkowo dynamicznych parametrów znamionowych, takich jak pojemność warstwy zaporowej, czas przełączania, rezystancja dynamiczna.
Parametry diody są określone poprzez:
v rodzaj stosowanego półprzewodnika,
v sposób i materiał domieszkowania,
v konstrukcję mechaniczną diody,
v technologię jej wytwarzania.
Diody Zenera są wytwarzane z silnie domieszkowanego materiału półprzewodnikowego. Są polaryzowane w kierunku zaporowym. Dioda Zenera wykorzystuje efekt Zenera i zjawisko przebicia lawinowego złącza pn.
Wartość napięcia Zenera jest ściśle związana ze stopniem domieszkowania materiału pół-przewodnikowego oraz z tem- peraturą złącza.
Zależność od temperatury charakteryzuje współczynnik temperaturowy zmiany na-pięcia Zenera.
Do podstawowych parametrów granicznych diod Zenera należą:
v współczynnik temperaturowy zmiany napięcia Zenera aZ,
v dopuszczalna moc całkowita diody Ptot,
v maksymalny dopuszczalny prąd Zenera IZmax,
v napięcie Zenera UZ,
v rezystancja statyczna,
v rezystancja dynamiczna,
Dioda Zenera stosowana jest jako źródło napięcia odniesienia w układach stabilizatorów napięcia. Do ochrony przepięciowej w układach cyfrowych, tranzystorach MOSFET.
Dioda Schottky’ego
Złącze typu pn wytwarzane jest samoistnie na granicy obszarów tego samego półprzewodnika.
Złącze wykazuje asymetryczne właściwości przewodzenia prądu zależne od polaryzacji złącza. Cecha ta określana jest jako zdolność prostowania prądu.
Diody charakteryzują się krótkim czasem przełączania ok. 100 ps niskim napięciem progowym – 0,4 V.
Laser jest urządzeniem, które w wyniku wprowadzenia energii generowanej przez pompę energii wywołuje zjawisko emisji strumienia promieniowania świetlnego w materiale aktywnym lasera. Charakterystycznymi właściwościami tego promieniowania są: monochromatyczność, stała polaryzacja, stała faza i zbieżność optyczna. Promieniowanie takie nazywamy spójnym lub koherentnym.
Laser półprzewodnikowy (dioda laserowa) jest w najprostszym przypadku diodą luminescencyjną. Warstwa typu n wykonana jest z arsenku galu, a warstwa typu p domieszkowana jest aluminium. Strumień świetlny emitowany przez diodę laserową wzrasta w przybliżeniu liniowo w funkcji prądu przewodzenia diody.
Diody laserowe stosowane są w:
v czytnikach kodów kreskowych,
v drukarkach laserowych,
v napędach CD, DVD,
v przyrządach pomiarowych,
v układach transmisji danych,
v aparaturze medycznej,
v obróbce materiałów,
v systemach alarmowych i zabezpieczających,
v wskaźnikach świetlnych,
v pompach energii do laserów bardzo dużej mocy.
Laser VCSEL (laser o emisji pionowej) – jest skonstruowany w ten sposób, że nad i pod powierzchnią emitującą promieniowanie usytuowano stos rezonatorów optycznych. Lasery te są stosowane do budowy nadajników światłowodowych układów transmisji danych cyfrowych o prędkości dochodzącej do 3 Gbit/s.
Zalety: niewielki prąd zasilania, wysoka sprawność ok. 20%.
Tranzystory bipolarne typu npn i pnp
Tranzystor bipolarny jest elementem półprzewodnikowym zbudowanym z trzech kolejno ułożonych warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa. Na granicy styku poszczególnych warstw tworzą się samoistne złącza pn. W tranzystorach bipolarnych warstwy emitera i kolektora są silnie domieszkowane i przedzielone cienką (grubości nm) warstwą bazy. Tranzystor będzie przewodził prąd jeżeli złącze baza-emiter będzie spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor w kierunku zaporowym. Tranzystor bipolarny jest rezystorem o zmiennej rezystancji zależnej od prądu bazy.
Stosunek przyrostu prądu kolektora do przyrostu prądu bazy nazywany jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego b.
Charakterystyka tranzystorów bipolarnych
Charakterystyka wejściowa tranzystora – przedstawia zależność prądu wejścia od napięcia wejściowego – IB=f(UBE).
Punkt pracy określa się poprzez wybór określonej wartości napięcia UBE i odczytanie odpowiadającej wartości IB. Stosunek przyrostu napięcia DUBE do przyrostu prądu bazy DIB jest miarą dynamicznej rezystancji tranzystora. Wartość ta wyznaczona w punkcie pracy nosi nazwę rezystancji wejściowej tranzystora.
Charakterystyka wyjściowa tranzystora – opisuje zależność pomiędzy prądem kolektora i napięciem kolektor-emiter – IC=f(UCE). Na podstawie charakterystyk wyjściowych można wyznaczyć dynamiczną rezystancję wyjściową.
Charakterystyka wzmocnienia prądowego – zależność prądu wyjściowego tranzystora (prądu kolektora) od prądu wejściowego tranzystora (prądu bazy) – IC=f(IB) dla UCE=const. Stosunek DIC/DIB nazywany jest małosygnałowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego b. Wielkosygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego B jest stosunkiem prądu kolektora do prądu bazy. Ze względu na wartość b tranzystory podzielono na klasy A, B, C.
Charakterystyka sterowania napięciowego tranzystora – zależność prądu wyjściowego tranzystora (prądu kolektora) od napięcia wejściowego (napięcia baza-emiter) – IC=f(UBE) dla UCE=const.
Stosunek DIC/DUBE nazywany jest transkonduktancją tranzystora i oznaczany gm. W temperaturze pokojowej wartość tą wyznacza się z zależności: gm= IC/26 mV. Parametry graniczne wyznaczają na charakterystyce wyjściowej obszar dopuszczalnej pracy tranzystora. Do podstawowych parametrów granicznych tranzystora należą:
v całkowita moc strat Ptot,
v prąd kolektora IC,
v napięcie kolektor-emiter UCE,
v napięcie wsteczne złącza baza- emiter UBE,
v temperatura złącza Jj.
Parametry statystyczne są określane dla punktu pracy tranzystora. Parametry dynamiczne są określane przy przewodzeniu przez tranzystor prądu przemiennego lub przy pracy impulsowej dla ściśle określonego punktu pracy.
Do podstawowych parametrów dynamicznych zalicza się:
v dynamiczna rezystancja wejściowa i wyjściowa,
v zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego,
v pojemności złączowe,
v transkonduktancja tranzystora,
v czasy przełączania,
v częstotliwość graniczna,
v parametry czwórnikowe.
Fototranzystory
Wykorzystywany jest zewnętrzny efekt fotoelektryczny polegający na dostarczeniu elektronom wystarczającej energii do przejścia do pasma przewodzenia. Energię tę w postaci promieniowania świetlnego dostarcza się bezpośrednio w obszar złącza baza-emiter poprzez specjalnie ukształtowany światłowód. Fototranzystory charakteryzują się znacznie większym współczyn-nikiem czułości od fotodiod z uwagi na efekt wzmocnienia prądu fotoelektrycznego. Typowe zastosowania to: układy zabezpieczeń fotooptycznych, układy optycznego rozdzielenia sygnałów.
Tranzystory unipolarne
W tranzystorach unipolarnych prąd wyjściowy przepływa wyłącznie przez materiał półprzewodnikowy o tym samym typie przewo...
misiek20go