Aneta Prijić

Poluprovodničke komponente Studijski program: Elektrotehnika i računarstvo Modul Elektronske komponente i mikrosistemi (IV semestar) Broj ESPB: 6

Cilj i realizacija nastave 

Izučavanje principa funkcionisanja osnovnih poluprovodničkih komponenata i njihove primene u elektronskim kolima



Teorijska nastava Pokazna nastava Vežbe na računaru - 7 Laboratorijske vežbe - 6 Projektni zadatak – domaći rad u grupama Kolokvijumi – 3

    

Ocena znanja aktivnost u praktičnoj nastavi 10  kolokvijumi 3x10  projektni zadatak 10  ispit ◦ pismeni deo 25 25 ◦ usmeni deo 100 Ukupno Napomene:  Položeni kolokvijumi imaju oslobadjajući karakter za pismeni i usmeni deo ispita  Na osnovu posećenosti časova nastave profesor ima diskreciono pravo da koriguje ±5 bodova 

Literatura

Dostupna na sajtu: http://mikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/lit_sr.php  Slajdovi sa predavanja  Računske vežbe  Praktikum za vežbe na računaru  Praktikum za laboratorijske vežbe  Zoran Prijić i Aneta Prijić Uvod u POLUPROVODNIČKE KOMPONENTE i njihovu primenu – Elektronski fakultet u Nišu, 2014  Stojan Ristić,Diskretne poluprovodničke komponente, Prosveta, Niš, 2002  Dodatni materijal http://mikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/files/AC.pdf

Označavanje jednosmernih i naizmeničnih veličina Jednosmerne veličine označene su velikim slovima, kao i njihovi indeksi  Naizmenične veličine označene su malim slovima, kao i njihovi indeksi  Ukupne veličine označene su malim slovima, a njihovi indeksi velikim slovima 

Primer: VIN - jednosmerni ulazni napon vin - naizmenični ulazni napon vIN =VIN+vin- ukupni ulazni napon

Naponski i strujni izvori 

Izvori konstantne vrednosti - baterija

- naponski izvor (idealan) - strujni izvor (idealan)

- naponski izvor (realan) - strujni izvor (realan)

RS – unutrašnja otpornost izvora



Kontrolisani izvori Naponom kontrolisan naponski izvor AV - naponsko pojačanje

(AVvS)

Strujom kontrolisan strujni izvor AI - strujno pojačanje

(AIiS)

Strujom kontrolisan naponski izvor RM - transrezistansa

(RMiS)

Naponom kontrolisan strujni izvor GM - transkonduktansa

(GMvS)

Konstante 

q-naelektrisanje elektrona q=1e=1,6∙10-19 C



Energija u eV

1eV=1,6 ∙ 10-19 J



k –Bolcmanova konstanta k=1,38 ∙ 10-23 J/K=8,6 ∙ 10-5 eV/K



c-brzina svetlosti c=3 ∙ 108 m/s

 

ε0-dielektrična konstanta vakuuma ε0=8,85 ∙ 10-12 F/m εrSi-relativna dielektrična konstanta Si εrSi=11,7



εrox-relativna dielektrična konstanta SiO2 (oksid) εrox=3,9



h – Plankova konstanta h=6,62 ∙ 10-34 Js

Osnovne karakteristike poluprovodnika Najčešće korišćeni Si, Ge, GaAs  Osnovni parametri materijala: 

◦ širina zabranjene zone - EG ◦ koncentracija sopstvenih nosilaca – ni ◦ pokretljivost µ (T=300K) EG (eV)

ni (cm-3)

µn(cm2/Vs)

Si

1,12

(1÷1,5)∙1010

1500

Ge

0,67

2,5∙1010

3900

GaAs

1,43

1,7∙1010

8500

Materijal



Besprimesni (intrinsični, čist) poluprovodnik ◦ Koncentracije elektrona n i šupljina p jednake su koncentraciji sopstvenih nosilaca n=p=ni



Primesni poluprovodnici ◦ n-tip

 dopiran petovalentnim donorskim primesama (P, As, Sb) koncentracije ND  većinski nosioci elektroni čija je koncentracija n=ND  manjinski nosioci šupljine koncentracije p=ni2/n

◦ p-tip

 dopiran trovalentnim akceptorskim primesama (B, Ga, In) koncentracije NA  većinski nosioci šupljine čija je koncentracija p=NA  manjinski nosioci elektroni koncentracije n=ni2/p

Poluprovodnik je jako dopiran ukoliko je koncentracija primesa veća od 1017 cm-3 (n+, p+)  Rekombinacija nosilaca – poništavanje para elektron-šupljina 

Osnovne poluprovodničke komponente Diode – na bazi P-N spoja  Bipolarni tranzistori (BT-Bipolar Transistor)  Tranzistori sa efektom polja (FET–Field Effect Transistor)  Višeslojne poluprovodničke komponente  Ostale poluprovodničke komponente sa 2 i više izvoda 

Tipovi dioda 

Opšte namene (uglavnom ispravljačke)



Zener (stabilizatori napona)



TVS (Transient Voltage Suppression) diode



Varikap (promenljive kapacitivnosti)



Šotkijeve (brze prekidačke)



LED (Light-Emitting Diode) i IR (Infra Red)



Fotodiode (reakcija na osvetljaj)



Tunel diode (negativna otpornost)



Diode kao izvori konstantne struje

A – anoda

K - katoda

Tipovi bipolarnih tranzistora (BT) 

Strujom kontrolisane komponente (indirektno preko naponskog izvora i otpornika)



Na bazi silicijumskih spojeva (BJT - Bipolar Junction Transistor) NPN



PNP

Na bazi heterospojeva – obično SiGe (HBT - Heterojunction Bipolar Transistor) Primena za veoma visoke frekvencije



Sa polisilicijumskim emitorom Poseduju vrlo veliko strujno pojačanje

E – emitor (emitter) B – baza (base) C – kolektor (collector)

Tipovi tranzistora sa efektom polja (FET) 

Naponski kontrolisane komponente

       

IGFET - Insulated-Gate FET JFET - Junction FET MESFET - Metal-Semiconductor FET MOSFET - Metal-Oxide-Semiconductor FET MISFET - Metal-Insulator-Semiconductor FET HFET - Heterojunction FET MODFET - Modulation-Doped FET HIGFET − Heterojunction Insulated-Gate FET

JFET tranzistori (Q) •

FET tranzistori sa p-n spojem N-kanalni

P-kanalni

S – sors (source) G – gejt (gate) D – drejn (drain)

MOSFET tranzistori Sa indukovanim kanalom

Sa ugrađenim kanalom

N-kanalni (NMOS)

P-kanalni (PMOS) S – sors (source) G – gejt (gate) D – drejn (drain) B –supstrat (bulk)

Višeslojne poluprovodničke komponente 

Tiristor (Thyristor) ili SCR (Silicon-Controled Rectifier)



SCS (Silicon-Controled Switch)



Programabilni jednospojni tranzistor (PUT – Programmabile Unijunction Transistor)



GTO (Gate Turn-Off Switch)



LASCR (Light Activated SCR)



Šoklijeva dioda ili BOD (Break-Over Diode)

Dijak  Trijak  RCT (Reverse Conducting Thyristor) 



GATT (Gate Assisted Turn-off Thyristor)

Ostale poluprovodničke komponente 

 



Sa 2 izvoda ◦ Fotootpornik (promena otpornosti sa osvetljajem) ◦ Solarne ćelije ◦ Termistor (temperaturno osetljivi otpornik) Jednospojni tranzistor (UJT – Uni-Junction Transistor) Fototranzistor (reaguje na osvetljaj) Optokapler (optoizolator) uključuje IR LED i fotodetektor (fotodioda, fototranzistor, foto-SCR)

Testiranje poluprovodničkih komponenata 

Traser električnih karakteristika



Analizator parametara



Digitalni multimetar sa funkcijom testiranja dioda Ommetar



DIODE 

p-n spoj sa odgovarajućim kontaktima i izvodima čini diodu anoda

katoda



Funkcionisanje zasnovano na usmeračkim svojstvima p-n spoja.



Realizacija u planarnoj tehnologiji sa ili bez epitaksijalnog sloja.

p-n spoj 



 





Bliski kontakt poluprovodnika p-tipa sa koncentracijom primesa NA i poluprovodnika n-tipa sa koncentracijom primesa ND Obično je jedna strana visoko dopirana (p+-n ili n+-p spoj), a sam prelaz je skokovit (nagli prelaz između n i p strane) ili linearan (postepeni prelaz između n i p strane) u zavisnosti od realizacije diode Zamišljena granica između 2 tipa poluprovodnika naziva se metalurški spoj Oko metalurškog spoja obostrano dolazi do difuzije većinskih nosilaca naelektrisanja sa jedne strane spoja na drugu i njihove rekombinacije do uspostavljanja ravnoteže Kao posledica ostaju nekompenzovani joni primesa u tzv. prelaznoj oblasti (oblasti osiromašenja, barijernoj oblasti, oblasti prostornog naelektrisanja) U prelaznoj oblasti nema slobodnih nosilaca (elektrona i šupljina), ali postoji električno polje koje se naziva ugrađeno električno polje

p-n spoj u ravnotežnom stanju

Skokovit p-n spoj 

U ravnotežnom stanju Fermijev nivo ima konstantnu vrednost unutar p-n spoja



širina prelazne oblasti – w, ugrađeno električno polje – E, tj. ugrađeni napon na prelaznoj oblasti - Vbi zavise od tipa poluprovodnika, koncentracije primesa u n i p tipu (ND i NA) i temperature ND N A kT Vbi = ln ( ) 2 q ni

= w



x p + xn =

2ε oε rSiVbi ND + N A q ND ⋅ N A

Prelazna oblast je šira na strani sa nižom koncentracijom primesa i važi: x p N A = xn ND

Polarizacija diode 

Bez polarizacije VD=0 V

◦ Ukupan protok naelektrisanja u jednom smeru jednak je 0 ◦ Kroz diodu ne protiče struja



Inverzna polarizacija

Napajanje - pozitivan pol na strani katode - negativnan pol na strani anode VD=VA-VK0V

◦ Prelazna oblast se sužava ◦ Električno polje u njoj se smanjuje ◦ Struju čine struja difuzije većinskih nosilaca (prelaz šupljina iz p-tipa preko prelazne oblasti u n-tip ka katodnom izvodu i prelaz elektrona iz n-tipa preko prelazne oblasti u p-tip ka anodnom izvodu) i struja rekombinacije (međusobnog poništavanja slobodnih nosilaca)

Osobine provođenja diode Propušta struju pri direktnoj polarizaciji VD=VA-VK>0V ⇒ ID>0

Praktično ne propušta struju pri inverznoj polarizaciji VD=VA-VK