Podstawy elektroniki

wykład
kierunek elektrotechnika

rok I, semestr II

kierunek informatyka

rok I, semestr I

wymiar godzin: 30

wykładowca: dr inż. Dorota Wiraszka
[e-mail]

Projekt współfinansowany przez

Unię Europejską w ramach

Europejskiego Funduszu Społecznego

Materiały dydaktyczne opracowano do realizacji projektu

”Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę sukcesu’’

Umowa UDA-POKL.04.01.01-00-175/08-00

Program wykładu (1)

1. Informacje wstępne - zakres materiału, tryb

zaliczenia, literatura.

2. Budowa atomu, wiązania kowalencyjne.

Struktura elektronowa krzemu i germanu.
Energetyczny model pasmowy
półprzewodnika.

3. Założenia elektronowo-dziurowej teorii

przewodnictwa elektrycznego
półprzewodników.

Program wykładu (2)

4. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.
5. Złącze p-n: mechanizm tworzenia bariery

potencjału, polaryzacja w kierunku
przewodzenia i zaporowym. Charakterystyka
prądowo-napięciowa złącza p-n.

6. Diody warstwowe. Podstawowe parametry

diod prostowniczych i uniwersalnych.
Podstawowe zastosowania - prostowniki.

7. Diody Zenera. Stabilizatory parametryczne.

Program wykładu (3)

8. Diody elektroluminescencyjne i fotodiody.

Diody metal-

półprzewodnik (Schottky’ego).

Diody pojemnościowe. Zastosowania.

9. Tranzystor bipolarny: budowa, zasada

działania, podstawowe zależności.

10. Charakterystyki tranzystora bipolarnego.

Polaryzacja tranzystorów n-p-n i p-n-p.

11. Schemat zastępczy hybrydowy tranzystora

bipolarnego.

Program wykładu (4)

12. Wzmacniacz na tranzystorze bipolarnym.

Analiza małosygnałowa i stałoprądowa.

13. Tranzystor polowy złączowy: budowa,

zasada działania, podstawowe zależności.

15. Charakterystyki tranzystora polowego

złączowego. Warunki polaryzacji.

16. Wzmacniacz na tranzystorze polowym.

Analiza małosygnałowa i stałoprądowa.

Program wykładu (5)

17. Tranzystor polowy MOS normalnie

wyłączony.

18. Tranzystor polowy MOS normalnie

załączony.

19. Wzmacniacz operacyjny: schemat blokowy,

właściwości i parametry. Podstawowe
zastosowania.

Literatura (1)

1. W. Marciniak -

Przyrządy

półprzewodnikowe i układy scalone.
WNT, Warszawa 1994.

2. T. L. Floyd - Electronic Devices. Macmillan

Publishing Company, New York 1998.

3. A. Filipkowski

– Podstawy elektroniki

półprzewodnikowej.
WNT, Warszawa 2003.

Literatura (2)

4. K. Waczyński – Przyrządy

półprzewodnikowe – podstawy działania
diod i tranzystorów. Wyd. Politechniki
Śląskiej, Gliwice 1997.

5. U. Tietze, Ch. Schenk -

Układy

półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 2005.

6. P. Horotwitz, W. Hill

– Sztuka elektroniki.

WKiŁ, Warszawa 2003.

Budowa atomu

Atom

- jest to najmniejsza

cząstka pierwiastka
chemicznego, posiadająca
jeszcze własności
chemiczne tego pierwiastka.

Niels Bohr

(1885-1962)

Postulaty Bohra

1. Elektrony

mogą krążyć wokół jądra

jedynie po

ściśle określonych orbitach

stacjonarnych.

2.

Przejście elektronu z niższego poziomu

energetycznego na poziom

wyższy jest

możliwe tylko wtedy, gdy atom pobierze
porcję energii. Natomiast przejście ze
stanu o energii

wyższej do stanu

o energii

niższej wiąże się z oddaniem

energii.

-

-

+

+

Model atomu wodoru i helu

wodór

+

-

hel

Liczba i masa atomowa

Masa atomowa

– odpowiada liczbie

wszystkich cząstek znajdujących się
w jądrze atomu

Liczba atomowa

– odpowiada liczbie

elektronów w atomie elektrycznie
obojętnym

Układ okresowy pierwiastków

Powłoki i orbity elektronowe

Nr powłoki n 1 2 3 4 5 6 7
Ozn. literowe K L M N O P Q

Maksymalna liczba elektronów
na powłoce n:

2

2



n

K (n = 1):

2 el.

L (n = 2):

8 el.

M (n = 3):

18 el.

...

Poziomy energetyczne

pojedynczego atomu

Elektrony

L

K

Jądro

I p

ow

ło

ka

II

p

ow

ło

k

a

W

6

W

5

W

4

W

3

W

2

W

1

W

– energia

r

– promień orbity

r

5

r

6

r

1

r

3

r

2

r

4

Poziom
energetyczny

Elektrony walencyjne

Zapełnianie powłok przez
elektrony następuje od
powłok położonych
najbliżej jądra, tj. powłoki 1,
następnie 2, itd.
Na ostatniej, zewnętrznej
powłoce znajdują się
elektrony słabo związane
z jądrem atomu. Elektrony
te nazywamy

elektronami

walencyjnymi

.

(Mg).

Jonizacja

Kiedy atom absorbuje energię ze źródła ciepła
lub światła, poziomy energetyczne elektronów
podnoszą się. Elektron pobiera energię
i przechodzi na orbitę położoną dalej od jądra.

Jeśli elektron walencyjny zaabsorbuje
dostateczną ilość energii, może zostać całkowicie
oderwany z powłoki zewnętrznej i znaleźć się
poza wpływem atomu. Oderwanie elektronu
walencyjnego pozostawia atom, który był
poprzednio neutralny, z nadmiarem ładunku
dodatniego.

Proces utraty elektronu walencyjnego -

jonizacja

Struktura elektronowa atomu

krzemu i germanu

Wartościowość IV

K: 2

L: 8

M: 4

powłoka

walencyjna

Wartościowość IV

K: 2

L: 8

M: 18

N: 4

powłoka

walencyjna

Struktura elektronowa atomu

krzemu i germanu

+14

+ 32

Struktura elektronowa atomu

krzemu i germanu

Źródło grafiki: http://commons.wikimedia.org/wiki/

Wiązania kowalencyjne

w krysztale krzemu

Każdy atom związany
jest z czterema
sąsiednimi atomami,
tworząc sieć
przestrzenną typu
czworościanu
foremnego

Si

Si

Si

Si

Si

Diagram wiązań

kowalencyjnych

Do wyrwania elektronu
z wiązania kowalencyjnego
potrzebne jest dostarczenie
odpowiedniej energii
w dowolnej postaci.

E = 1,1 eV dla Si

Oderwany elektron staje się

elektronem swobodnym

.

Luka powstała w wiązaniu
kowalencyjnym to hipotetyczny
ładunek dodatni, zwany

dziurą

.

Energetyczny model pasmowy

ciała stałego

• Poszczególnym orbitom elektronów w atomie
przyporządkowane są odpowiednie poziomy (stany)
energetyczne. Energia elektronu jest tym większa, im większy
jest promień jego orbity. W stanie normalnym wszystkie
elektrony zajmują najniższe z możliwych poziomy
energetyczne.

•

Zakaz Pauliego

(1925) - w atomie, a tym bardziej w krysztale

zawierającym wiele atomów, nie mogą występować dwa
elektrony o identycznych stanach energetycznych.

• Każdy poziom energetyczny rozszczepia się na tyle
podpoziomów, ile atomów występuje w rozważanej strukturze.

Rozszczepienie poziomów

energetycznych

Pasmo przewodnictwa (elektrony swobodne)

Pasmo

walencyjne

Jądra

atomów

Energetyczny model pasmowy

ciała stałego - stan normalny

Wg

Pasmo

walencyjne

Pasmo

przewodnictwa

Pasmo zabronione
(Energy gap)

W

Wc

Wv

(Conduction band)

(Valence band)

Energetyczny model pasmowy

ciała stałego

• Pasmo przewodnictwa

– odpowiada wartościom

energii, przy których elektrony stają się swobodnymi
i mogą brać udział w procesie przewodzenia prądu
elektrycznego.

• Pasmo zabronione

– obszar między pasmem

walencyjnym a pasmem przewodnictwa o odstępie
Wg (Wg

Ge

=0,68 eV, Wg

Si

=1,08eV), którego

elektrony nie mogą obsadzać.

• Pasmo walencyjne

-

odpowiada wartościom energii

elektronów walencyjnych.

Energetyczny model pasmowy

ciała stałego - stan wzbudzenia

W

elektron

dziura

Wg

Wc

Wv

Generacja par elektron - dziura

Pod wpływem dostarczonej
energii, równej co najmniej
szerokości pasma zabronionego
Wg, część elektronów z pasma
walencyjnego przeskakuje do
pasma przewodnictwa,
pozostawiając w paśmie
walencyjnym wolne miejsca -
dziury.

Proces odwrotny -

rekombinacja

Energetyczne modele

pasmowe

Pasmo

walencyjne

Pasmo

przewodnictwa

Pasmo

zabronione
( Wg > 2 eV )

Pasmo

walencyjne

Pasmo

przewodnictwa

Pasmo

zabronione
( Wg <= 2 eV )

Pasmo

przewodnictwa

Pasmo

walencyjne

W

W

W

izolator

półprzewodnik

przewodnik

Półprzewodniki samoistne

i domieszkowane

• Półprzewodnik samoistny

(intrinsic semiconductor)

– idealnie czysty, nie zawierający żadnych
domieszek ani defektów sieci krystalicznej. Nośniki
swobodne powstają tylko w wyniku generacji par
elektron - dziura.

• Półprzewodnik domieszkowany

(extrinsic

semiconductor )

– półprzewodnik zawierający celowo

wprowadzone atomy innego pierwiastka , tzw.
domieszki.
Wyróżnia się 2 rodzaje domieszek:

- donorowe

- akceptorowe

Domieszki donorowe

Pierwiastki V grupy układu okresowego,

mające po 5 elektronów walencyjnych

Źródło grafiki: http://commons.wikimedia.org/wiki/

Półprzewodnik typu n - model

wiązań kowalencyjnych

Si

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Jeden z elektronów
walencyjnych atomu
fosforu nie bierze udziału
w tworzeniu wiązania
kowalencyjnego, dzięki
czemu może łatwo zostać
oderwany od
macierzystego atomu.

Energia jonizacji
Wj = 0,044 eV

Półprzewodnik typu n -

energetyczny model pasmowy

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Wg

poziom donorowy

W

Wc

Wv

Wd

Wj

Wj << Wg

Domieszki akceptorowe

Pierwiastki III grupy układu okresowego,

mające po 3 elektrony walencyjne

Źródło grafiki: http://commons.wikimedia.org/wiki/

Półprzewodnik typu p - model

wiązań kowalencyjnych

Do utworzenia stabilnych
wiązań kowalencyjnych
atomowi boru brakuje
jednego elektronu. Może
być on łatwo uzupełniony
po oderwaniu
z sąsiadującego wiązania
Si-

Si, pozostawiając

w nim dziurę.

Energia jonizacji
Wj = 0,045 eV

Si

Si

Si

Si

Si

B

Si

Si

Si

Półprzewodnik typu p -

energetyczny model pasmowy

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Wg

++++++++++++++++++

W

Wc

Wv

Wa

poziom akceptorowy

Wj

Wj << Wg

Koncentracja elektronów

i dziur w stanie równowagi

termodynamicznej









c

W

n

dW

W

f

W

N

n

)

(

)

(









Wv

dW

W

fp

W

N

p

)

(

)

(

n -

koncentracja elektronów

p - koncentracja dziur

N(W) -

rozkład koncentracji poziomów energetycznych

w funkcji energii

f

n

(W), f

p

(W) -

funkcja rozkładu prawdopodobieństwa zajęcia

poziomu o energii W odpowiednio przez elektron (n)
lub dziurę (p)

Efektywna koncentracja

stanów energetycznych

)

(

c

n

c

W

f

N

n





)

(

v

p

v

W

f

N

p





N

c

, N

v

-

efektywne koncentracje stanów energetycznych

2

3

,

T

N

N

v

c



Efektywna koncentracja

stanów energetycznych

Efektywna

gęstość stanów

energetycznych

Si

Ge

GaAs

N

c

[m

-3

]

2.8*10

25

1.04*10

25

4.7*10

23

N

v

[m

-3

]

1.04*10

25

6.0*10

24

7.0*10

24

Rozkład Boltzmanna















kT

W

W

f

exp

)

(

k = 1.38 * 10

-23

J/K = 8.62 * 10

-5

eV/K

k -

stała Boltzmanna

Statystyka Fermiego - Diraca

)

(

1

)

(

exp

1

1

)

(

W

f

W

f

kT

W

W

W

f

n

p

F

n











W

F

-

energia (poziom) Fermiego; jest to wartość

energii, dla której prawdopodobieństwo
obsadzenia stanów wynosi 0,5 dla każdej
temperatury T > 0 K.

Statystyka Fermiego - Diraca

- wykresy

Wv

W

c

W

F

elektrony

dziury

W

W

W

W

F

W

F

półprz. samoistny

półprz. typu n

półprz. typu p