Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 1. Úvod, polovodiče, přechod P-N Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 1. Úvod, polovodiče, přechod P-N Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."— Transkript prezentace:

1 ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 1. Úvod, polovodiče, přechod P-N Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2 Přehled témat •Polovodiče, přechod PN •Rezistory, kondenzátory, cívky •Diody PN, Schottkyho diody •Bipolární tranzistory, tranzistory FET, IGBT •Spínací součástky: Tyristory, triaky •Optoelektronické součástky •Analogové integrované obvody a jejich aplikace •Číslicové integrované obvody a jejich aplikace

3 Plán přednášek 1.Úvod, vedení proudu v polovodičích, přechod PN 2.Diody PN, Schottkyho diody 3.Bipolární tranzistory 4.Tranzistory FET, IGBT 5.Tyristory, triaky 6.Optické součástky – detektory a generátory světla 7.Zobrazovače, obrazovky, snímání obrazu 8.Analogové IO, stavební prvky 9.Operační zesilovače a jejich aplikace 10.Číslicové IO, technologie, stavební prvky 11.Kombinační logické obvody 12.Sekvenční obvody, základní klopné obvody 13.Polovodičové paměti a paměťové obvody 14.Číslicové integrované obvody vysoké integrace

4 Plán cvičení 1.Rezistory a kondenzátory 2.Aplikace diod PN 3.Aplikace bipolárních tranzistorů 4.Laboratorní cvičení 1 - diody 5.Laboratorní cvičení 2 - usměrňovače 6.Laboratorní cvičení 3 - tranzistory 7.Laboratorní cvičení 4 - tyristory 8.Laboratorní cvičení 5 – operač. zesilovač -1 9.Laboratorní cvičení 6 – operač. zesilovač Laboratorní cvičení 7 – logic. obvody – statické param. 11.Laboratorní cvičení 8 – logic. obvody – dynam. param. 12.Laboratorní cvičení 9 – obvod Laboratorní cvičení 10 – OZ jako aktivní filtr 14.Závěr, ukončení, zápočet

5 Doporučená literatura •Burger I. Hudec L.: Elektronické prvky, ALFA Bratislava, 1989 •Ptáčková G.: Elektrické obvody, VUT Brno, 1986 •Šemberová a spol.: Elektronické a mikroelektronické součástky (cvičení), ČVUT Praha, 1994 •Uhlíř, Chyský: Mikroelektronika, ČVUT Praha, 1989 •Kvítek E.: Elektronika II, skripta DFJP v elektronické formě

6 Vedení proudu - rekapitulace •Pod vlivem elektrického pole E získají nosiče náboje rychlost v: v = μ.E •Tok nábojů vytváří hustotu proudu j: j = n.q.v = n.q.μ.E kde: n… je hustota nosičů proudu q… je náboj nosiče proudu μ… je pohyblivost nosičů •Hustota proudu procházející plochou S pak tvoří proud I:

7 Vedení proudu - pokračování •Vedení proudu v kovech: –Stálá hustota pohyblivých elektronů n – vodivost jen slabě závisí na teplotě –Hustota n u kovů je rovna hustotě atomů n  m -3 •Vedení proudu ve vlastních polovodičích: –Při T = 0 K … žádné pohyblivé elektrony –Se vzrůstající teplotou se uvolňují některé elektrony a současně se vytvářejí díry - elektronová a děrová vodivost –Hustota (a přibližně i vodivost) závisí na teplotě  exp(-ΔE/2kT), kde ΔE je šířka zakáz. pásu –Hustota n je o mnoho řádů nižší (10 20 ), než u kovů

8 Pásový diagram vlastního polovodiče •Vodivostní pás –Elektrony se mohou pohybovat a přenášet proud –Při teplotě T = 0 K zcela prázdný •Zakázaný pás •Valenční pás –Elektrony se zúčastňují vazeb mezi atomy –Při teplotě T = 0 K zcela zaplněný vodivostní pás valenční pás Fermiho hladina E F ECEC EVEV EgEg vnější prostředí

9 Nevlastní polovodiče (v rovnováze) •Polovodiče typu N: –Příměs (donor) s 5 valenčními elektrony  1 elektron je slabě vázán  uvolňuje se při nízké teplotě T (pohyblivé elektrony). Díry nejsou pohyblivé –Hustota el. u polovod. typu N je rovna hustotě donorů N D  m m -3 (o mnoho řádů nižší, než u kovů) •Polovodiče typu P: –Příměs (akceptor) se 3 valenčními elektrony  1 elektron v mřížce chybí  díra. –Hustota děr je rovna hustotě akceptorů N A =  m m -3 (o mnoho řádů nižší, než u kovů)

10 Nevlastní polovodiče - pásový model Polovodič typu N Polovodič typu P vodivostní pás valenční pás EFEF ECEC EVEV EDED Hladina donorů E0E0 vodivostní pás valenční pás EFEF ECEC EVEV EDED Hladina akceptorů E0E0 x E

11 Proudy v polovodičích •Nosiče náboje: –Elektrony, náboj q = -1, C, pohyblivost μ n, pohybují se ve vodivostní zóně –Díry, náboj q = +1, C, pohyblivost μ p, pohybují se ve valenční zóně •Příčiny vzniku proudu: –Elektrické pole (napětí) – drift, driftový proud: –Gradient koncentrace – difuse, difusní proud:

12 Generace a rekombinace nosičů •Dynamická rovnováha  počet generovaných nosičů = počet rekombinovaných nosičů Rovnovážné koncentrace nosičů (p 0, n 0 ) •Mechanizmy generace nosičů: –Tepelná generace –Nárazová ionizace (lavinový efekt) –Vnitřní fotoefekt –Ionizace elektrickým polem (Zenerův jev) •Mechanizmy rekombinace nosičů: –Tepelná (s emisí fononů) •jednorázová •ve více skocích –Světelná (s emisí fotonů) •spontánní (LED) •stimulovaná (lasery, masery)

13 Nerovnovážný stav •Systém s nerovnovážným stavem nosičů n, p se samovolně blíží rovnovážnému stavu p 0, n 0 : Kde: Δn = n - n 0,Δp = p - p 0 τ n, τ p jsou tzv. doby života elektronů a děr

14 Přechod PN- bez předpětí Kontakty PN Difuze Neustálený stav PN EAEA EDED E FP E FN Vyprázdněná oblast (bez pohyblivých nosičů) PN Ustálený stav E0E0 E FP = E FN = E F eDeD ECEC EVEV

15 Přechod PN s předpětím v závěrném směru Akumulovaný náboj donorů a akceptorů na přechodu: Q = Q D = eN D l N S= Q A =eN A l P S 1) Velikost nahromaděného náboje se mění s napětím U  kapacita přechodu Cj 2) Vzdálenost nábojů (l N, l P ) se mění s velikostí napětí  kapacita Cj závisí na napětí U Vyprázdněné oblasti se zvětší, protéká pouze velmi malý proud P N lNlN lPlP

16 Přechod PN s předpětím v propustném směru U P N •Vyprázdněná vrstva zaniká •Elektrony z vrstvy N jsou přitahovány do vrstvy P, kde rekombinují s dírami a naopak •Protéká vysoký proud •Elektrony ve vrstvě P a díry ve vrstvě N (minoritní nosiče) než zrekombinují představují určitý náboj: Q N = I N.  N, Q P = I P.  P kde: I N, I P... jsou proudy elektronů a děr přes přechod  N,  P …jsou doby života nosičů •Tyto náboje představují t. zv. Difúzní kapacitu přechodu: C D = Q N /U = (I N.  N )/U, která je funkcí proudu

17 Přechod PN proud přechodem Ideální průběh: I = I S.[exp(eU/kT)-1] kde: I S … saturovaný (zbytkový) proud – teplotně silně závislý e … náboj elektronu k … Boltzmannova konstanta T … absolutní teplota U I I S ~10 -6 A Propustný směr Závěrný směr U F ~ 0,7 V

18 Průrazy přechodů v závěrném směru - Zenerův průraz •Struktura energetických pásů na tenkém přechodu bez předpětí •Tentýž přechod při vyšším předpětí v závěrném směru – elektrony z valenčního pásma vrstvy P přecházejí přímo do vodivost. pásma vrstvy N EFEF lDlD DD NP + _ N P ECEC EVEV ECEC EVEV

19 Průrazy přechodů v závěrném směru - lavinový průraz vyprázdněná oblast Drift elektronů Drift děr drift děr drift elektr. nevyprázdněná oblast N nevyprázdněná oblast P Iniciátorem jsou saturační proudy elektronů I Sn a děr I Sp Jakmile dosáhne energie elektronů a děr při driftu vyprázdněnou oblastí dostatečné hodnoty, postačující k ionizaci atomů mřížky, rozvine se lavinová ionizace Napětí zůstává při růstu proudu prakticky konstantní.


Stáhnout ppt "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 1. Úvod, polovodiče, přechod P-N Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."

Podobné prezentace


Reklamy Google