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

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

Plán přednášek Úvod, vedení proudu v polovodičích, přechod PN Diody PN, Schottkyho diody Bipolární tranzistory Tranzistory FET, IGBT Tyristory, triaky Optické součástky – detektory a generátory světla Zobrazovače, obrazovky, snímání obrazu Analogové IO, stavební prvky Operační zesilovače a jejich aplikace Číslicové IO, technologie, stavební prvky Kombinační logické obvody Sekvenční obvody, základní klopné obvody Polovodičové paměti a paměťové obvody Číslicové integrované obvody vysoké integrace

Plán cvičení Rezistory a kondenzátory Aplikace diod PN Aplikace bipolárních tranzistorů Laboratorní cvičení 1 - diody Laboratorní cvičení 2 - usměrňovače Laboratorní cvičení 3 - tranzistory Laboratorní cvičení 4 - tyristory Laboratorní cvičení 5 – operač. zesilovač -1 Laboratorní cvičení 6 – operač. zesilovač -2 Laboratorní cvičení 7 – logic. obvody – statické param. Laboratorní cvičení 8 – logic. obvody – dynam. param. Laboratorní cvičení 9 – obvod 555 Laboratorní cvičení 10 – OZ jako aktivní filtr Závěr, ukončení, zápočet

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

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:

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  1028 - 1029 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 (1020), než u kovů

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 EF EC EV Eg vnější prostředí

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 ND  1021 m-3 - 1025 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 NA =  1021 m-3 - 1025 m-3 (o mnoho řádů nižší, než u kovů)

Nevlastní polovodiče - pásový model vodivostní pás valenční pás EF EC EV ED Hladina donorů E0 Hladina akceptorů x E Polovodič typu N Polovodič typu P

Proudy v polovodičích Nosiče náboje: Příčiny vzniku proudu: Elektrony, náboj q = -1,6.10-19 C, pohyblivost μn, pohybují se ve vodivostní zóně Díry, náboj q = +1,6.10-19 C, pohyblivost μp, pohybují se ve valenční zóně Příčiny vzniku proudu: Elektrické pole (napětí) – drift, driftový proud: Gradient koncentrace – difuse, difusní proud:

Generace a rekombinace nosičů Dynamická rovnováha  počet generovaných nosičů = počet rekombinovaných nosičů Rovnovážné koncentrace nosičů (p0, n0) 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)

Nerovnovážný stav Systém s nerovnovážným stavem nosičů n, p se samovolně blíží rovnovážnému stavu p0, n0: Kde: Δn = n - n0, Δp = p - p0 τn, τp jsou tzv. doby života elektronů a děr

Přechod PN- bez předpětí Kontakty P N Difuze Neustálený stav EA ED EFP EFN Vyprázdněná oblast (bez pohyblivých nosičů) P N Ustálený stav E0 EFP = EFN = EF eD EC EV

Přechod PN s předpětím v závěrném směru Vyprázdněné oblasti se zvětší, protéká pouze velmi malý proud P N lN lP Akumulovaný náboj donorů a akceptorů na přechodu: Q = QD = eNDlN S= QA =eNAlP S 1) Velikost nahromaděného náboje se mění s napětím U  kapacita přechodu Cj 2) Vzdálenost nábojů (lN , lP) se mění s velikostí napětí  kapacita Cj závisí na napětí

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

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

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 EF lD D N P + _ EC EV

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 ISn a děr ISp 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.