Elementy półprzewodnikowe

1. Omówić rodzaje modeli elementów półprzewodnikowych.

W zależności od zakresu amplitud :

- wielkosygnałowe (globalne, lokalne)

- małosygnałowe

W zależności od zakresu częstotliwości :

- stało-prądowe (D.C.) (sterowanie niezmienne w czasie)

- quasi-stałoprądowe ( sterowanie zmienne w czasie, ale sygnał odp. nadąża za syg. pobudzenia)

- zmienno-prądowe (A.C.)

2. Co to jest punkt pracy elementu i prosta robocza.

Prosta robocza -
mając dany układ możemy narysować charakterystykę i_A = f(u _AB), wyznaczając z prawa Kirchhoffa zależność i _A od u _AB i przeprowadzić prostą pomocniczą (roboczą), która określi nam punkt pracy elementu.

Punkt pracy - jest to określenie punktu spoczynkowego (I₀,U₀), czyli określenie wartości prądu i napięcia płynącego przez element w stanie spoczynku.

3. Wyjaśnić zasadę tworzenia modelu małosygnałowego elementów półprzewodnikowych.

Sposób tworzenia małosygnałowych modeli liniowych dla m.cz. na podstawie charakterystyk statycznych:

Dla małych przyrostów dla dwójnika możemy zapisać :

pochodna liczona jest w punkcie spoczynkowym (pracy) P o współrzędnych I_D,U_D . Pochodna ta ma sens konduktancji różniczkowej elementu. Skończone przyrosty ze wzoru można zastąpić małymi amplitudami przebiegu harmonicznego.

Inną metodą jest rozwinięcie funkcji opisującej model statyczny w szereg Taylora i ograniczenie tego rozwinięcie do dwóch pierwszych wyrazów.

Podobny sposób jest słuszny dla czwórnika elektrycznego (tranzystor), można korzystać z pojęcia różniczki zupełnej funkcji opisujących charakterystyki statyczne czwórnika, lub rozwinięcia tych funkcji w szereg Taylora.

Modele małosygnałowe dla w.cz. tworzy się uzupełniając modele małosygnałowe dla m.cz. elementami inercyjnymi tzn. pojemnościami, które modelują wpływ napięcia na ładunek elektryczny w danym elemencie.

4. Co to jest półprzewodnik samoistny i domieszkowany

Półprzewodnik samoistny - półprzewodnik czysty , nie zawierający żadnych zanieczyszczeń (domieszek).W półprzewodniku takim znajdującym się w temperaturze różnej od 0 K, należy oczekiwać pojawienia się swobodnych nośników ładunku, gdyż niektóre elektrony z pasma podstawowego mogą zyskać energię termiczną umożliwiającą przejście do pasma przewodnictwa. Powstały w ten sposób brak elektronu interpretuje się jako pojawienie w paśmie podstawowym swobodnego nośnika ładunku dodatniego (dziury). Pod wpływem wzrostu temperatury pojawiają się elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie podstawowym - jest to proces generacji termicznej par elektron-dziura. Jednocześnie występuje zjawisko odwrotne - „wyłapywanie” elektronów przez dziury, tzw. rekombinacja. W stanie równowagi termicznej procesy te mają zrównoważone szybkości. Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa jest równa koncentracji dziur w paśmie podstawowym (n_i = p_i). Półprzewodnik samoistny nie ma dodatkowych poziomów energetycznych w paśmie zabronionym.

Półprzewodnik domieszkowany - powstaje poprzez wprowadzenie atomów innych pierwiastków do przewodnika (domieszkowanie). Rozróżniamy domieszki:

akceptorowe (III-wartościowe : bor, gal, glin), dająca dodatkowe dziury

donorowe (V-wartościowe : fosfor, arsen, antymon), dająca dodatkowe elektrony

Wprowadzenie domieszki powoduje generację pary ruchomy nośnik - nieruchomy jon, oraz generację termiczną par nośników samoistnych. Występuje też rekombinacja.

5. Co wiesz na temat koncentracji nośników samoistnych, mniejszościowych i większościowych w materiale półprzewodnikowym.
   

Koncentracja nośników samoistnych n_i to ilość nośników generowanych termicznie w jednostce objętości.

W danej temperaturze, z dwóch różnych półprzewodników w półprzewodniku o mniejszej wartości szerokości przerwy energetycznej, wartość koncentracji samoistnej n_i jest większa. Koncentracja bardzo silnie rośnie przy wzroście temperatury.

W półprzewodniku silnie domieszkowanym typu n nośnikami większościowymi są elektrony, a mniejszościowymi dziury. Koncentracja nośników większościowych w półprzewodniku typu n to n_n, a mniejszościowych p_n. Ponieważ N_D-N_A>>n_i, więc:

W półprzewodniku silnie domieszkowanym typu p nośnikami większościowymi są dziury, a mniejszościowymi elektrony. Koncentracje dziur oznacza się jako p_p, a elektronów n_p. Ponieważ
N_A - N_D >>n_i, więc:

6. Wymień i omów parametry materiałowe

Do opisu zachowania się mniejszościowych nośników nadmiarowych służą czas życia i długość drogi dyfuzji.

Czas życia τ_p: jest to czas jaki upływa od chwili wyłączenia czynnika generującego, po którym nadmiarowa koncentracja nośników maleje e-krotnie (średni odstęp czasu między generacją i rekombinacją nośnika). Dla krzemu współczynnik ten wynosi od 10^-9s do 10^-5s.
Średnia droga dyfuzji nośników L_p to odległość po przejściu której koncentracja nadmiarowych nośników maleje e-krotnie w stosunku do wartości na oświetlanej powierzchni (średnia droga przebyta przez nośnik między jego generacją a rekombinacją). Typowa wartość dla Si w 300K: od 10^-5cm do 10^-3cm. Między czasem życia a średnią drogą dyfuzji zachodzi związek: L=(D*τ)^1/2

7. Omów temperaturowe zależności konduktywności materiału półprzewodnikowego.

Konduktywność półprzewodnika samoistnego opisuje wzór:


We wzorze tym od temperatury zależy koncentracja samoistna n_i oraz ruchliwość μ (μ ~ T^-3/2). Rośnie ona exponencjalnie przy wzroście temperatury, praktycznie identycznie jak n_i , gdyż czynnik potęgowy T^3/2 w funkcji n_i (T) jest znacznie mniej istotny niż czynnik wykładniczy. Temperaturowy współczynnik względnych zmian konduktywności krzemu samoistnego wyraża się wzorem:


Konduktywność półprzewodnika silnie domieszkowanego wyraża się zależnością:

We wzorze tym od temperatury zależy tylko ruchliwość μ (μ ~ T^-3/2). Konduktywność materiału silnie domieszkowanego maleje, przy wzroście temperatury, lecz wyraża się zależnością potęgową, znacznie słabszą od zależności wykładniczej dla materiału samoistnego.


W szerokim zakresie temperatur zależność konduktywności półprzewodnika silnie domieszkowanego od temperatury wygląda następująco:

8. Wyjaśnij pojęcie ”niski poziom wprowadzania nośników”

Jest to taki stan, w którym koncentracja nośników nadmiarowych jest dużo mniejsza od koncentracji równowagowej nośników większościowych. Aby efekt zakłócenia był widoczny, koncentracja nośników nadmiarowych, musi przewyższać koncentrację równowagową nośników mniejszościowych. Przy niskim poziomie wprowadzania koncentracja nośników większościowych nie ulega zmianie, ale zmienia się koncentracja nośników mniejszościowych.

9. Omów zasadę działania złącza nie spolaryzowanego oraz pojęcia: złącze metalurgiczne, napięcia kontaktowe, obszar ładunku przestrzennego

Zetknięcie dwóch obszarów n i p, powoduje powstanie gradientów koncentracji nośników i przepływ prądów dyfuzyjnych. Elektrony przemieszczają się z obszaru n do p, a dziury z p do n. Przepływ nośników powoduje zachwianie równowagi elektrycznej, w sąsiedztwie złącza metalurgicznego tworzy się warstwa, w której powstaje pole elektryczne. Przeciwdziałające dyfuzji nośników. Istnienie pola powoduje przepływ prądów unoszenia obu rodzajów nośników. Prądy te mają przeciwny zwrot i identyczną wartość bezwzględną w stosunku do odpowiadających im prądów dyfuzji -przy braku polaryzacji suma prądów dyfuzji i unoszenia zarówno dla elektronów i dziur musi być równa 0 [zero].

Złącze metalurgiczne - płaszczyzna między obszarem p i n, na której koncentracje obu rodzajów domieszek są równe (x = x_j). Położenie tego złącza, mierzone w głąb podłoża, zależy od temperatury i czasu dyfuzji.

Napięcie kontaktowe(dyfuzyjne, bariery, wbudowane) - różnica potencjałów między obszarami p i n, spowodowana istnieniem pola elektrycznego w warstwie zaporowej. Dla Si w 300K ~ 600 - 800mV.
Dla złącza skokowego wyraża się wzorem:

Napięcie U_B zależy od koncentracji domieszek i temperatury. Wyższy potencjał występuje w obszarze

typu n.

Obszar ładunku przestrzennego (opróżniony, przejściowy, warstwa zaporowa) - warstwa nieobojętna elektrycznie, w pobliżu złącza metalurgicznego, pozbawiona nośników swobodnych, o której ładunku przestrzennym decydują jony domieszek. Pozostała część złącza, to obszary neutralne elektrycznie. Obszar opróżniony wnika głębiej w obszar słabiej domieszkowany.

10. Przedstaw i omów charakterystykę i(u) złącza idealnego (hasło: potencjał termiczny, prąd nasycenia):

Założenia upraszczające dla złącza idealnego:

• złącze skokowe

• jednowymiarowy charakter zjawisk w złączu

• niski poziom wprowadzania

• pole elektryczne występuje tylko w warstwie zaporowej

• pominięta rezystywność obszarów neutralnych

• brak procesów generacji - rekombinacji w obszarze zaporowym

• nie występują efekty przebicia

Wzór na statyczną charakterystykę i (u)złącza idealnego ma postać:

Postać graficzna modelu (skala log - lin) ch-ka odcinkowo liniowa:

W charakterystyce odcinkowo liniowej pomija się przepływ prądu dla napięć zaporowych i przewodzących do wartości napięcia U_p. Dla Si U_p wynosi od 600-800mV.

Założenia upraszczające:

Potencjał termiczny (U_T) - parametr, którego wartość zależy od wartości temperatury, jego wartość dla 300K wynosi 25,8mV:

Prąd nasycenia - parametr, którego wartość zależy od temperatury, wartość zawiera się w przedziale :

11. Omów model małosygnałowy złącza idealnego

Mały przyrost prądu I_a diody opisanej wzorem i_A=f(u_AB) wokół punktu pracy o współrzędnych (I₀; U₀) jest równy różniczce funkcji opisującej zależność i od u:

gdzie przewodność dyfuzyjna:

Rezystancja dyfuzyjna (dla małych sygnałów przyrostowa, dynamiczna)

Dla kierunku przewodzenia można w liczniku pominąć I_S wobec prądu polaryzującego. Dla polaryzacji zaporowej, gdy i = -I_S rezystancja różniczkowa jest nieskończenie duża.

Dla małych amplitud sygnałów harmonicznych m.cz. można zapisać dla złącza idealnego:

Schemat zastępczy dla modelu małosygnałowego m.cz. to rezystor, którego wartość rezystancji zależy od punktu pracy (składowej stałej).

Dla dużych częstotliwości należy uwzględnić elementy inercyjne (pojemność dyfuzyjną i bariery):

Y= g_d + jω (C_d + C_j)

I_t= I_a + I_dj = Y * U_ab

|I_t| = [ g_d² + ω² ( C_d + C_j)²]^1/2 * U_ab

12. Zdefiniować pojęcia: pojemność złączowa, pojemność dyfuzyjna złącza.

Poj. dyfuzyjna - Cd - reprezentuje zależność nośników mniejszościowych na brzegu obszarów neutralnych od wielkości napięcia na złączu

czyli Cd ~ i - prąd dyfuzyjny

τ - ma sens czasu przelotu nośników mniejszościowych przez bazę złącza (baza krótka) zaś dla bazy długiej jest czasem życia nośników mniejszościowych(τ_nτ_p )

czyli Cd ~ Io - istnieje praktycznie dla kierunków przewodzenia

Poj. złączowa - jest związana z ładunkiem nie skompresowanych jonów domieszek domieszek obszarze opóźnionym złączu. Formalnie można przypisać tej wartości pojemność identyczną jak dla kondensatora płaskiego o odległości między okładkami różnej d.

Cj= C(U=0)

Ns - koncentracja domieszek domieszek obszarze słabiej domieszkowanym

Zależność graficzna pojemności od napięcia na złączu

13. Omówić właściwości diod rzeczywistych.

Złącze liniowe - w diodzie idealnej występował skokowy rozkład koncentracji domieszek. W rzeczywistych złączach rozkład ten jest opisany zazwyczaj funkcją exponencjalną. Takie złącze (liniowe) różni się od skokowego inną zależnością szerokości warstwy ładunku przestrzennego i pojemności złączowej od napięcia (występują wykładnik potęgowy 1/3 a nie ½):

Wysoki poziom wprowadzania - dla dużych gęstości prądu koncentracja mniejszościowych nośników nadmiarowych w bazie diody, staje się porównywalna z równowagową koncentracją nopśników większościowych i przestaje być słuszne założenie, o niskim poziomie wprowadzania. Należy zmodyfikować charakterystyki statyczne:

Inny stosowany opis to:

Rezystancja szeregowa diody - składa się na nią rezystancja obszarów neutralnych półprzewodnika, głównie bazy, rezystancja styków metal - półprzewodnik, oraz doprowadzeń metalowych. Największą wartość przyjmuje rezystancja półprzewodnika. Rezystancję szeregową należy uwzględnić w charakterystykach statycznych i modelu małosygnałowym:

Dla przypadku stałoprądowego: dla małego sygnału:

Procesy generacji i rekombinacji w warstwie zaporowej - w złączu idealnym założono, że w warstwie ładunku przestrzennego nie występuje generacja i rekombinacja. W rzeczywistości przy polaryzacji zaporowej duże znaczenie ma generacja nośników w warstwie zaporowej. Powstaje prąd generacyjny i_G , dla Si jest on znacznie większy niż I_S ( dla 300K i_G ≈ 10³ I_S ). Prąd generacyjny decyduje o prądzie wstecznym diody i zależy od napięcia tak jak szerokość warstwy zaporowej d(u). Zależy

też od koncentracji samoistnej n_i

!!
!!

Dla kierunku przewodzenia w obszarze bariery, część przelatujących nośników rekombinuje. Powstaje dodatkowa składowa prądu, tzw. prąd rekombinacyjny ( m należy <1;2>):

Składnik ten odgrywa dużą rolę przy małych napięciach polaryzujących złącze przewodząco (uA)

Przebicie złącza - zwiększanie napięcia wstecznego na diodzie (zwiększanie natężenia pola elektrycznego w warstwie bariery) powoduje wzrost prądu wstecznego. Przy pewnej wartości napięcia wstecznego niewielkie zmiany napięcia powodują znaczny wzrost prądu obszar (zakres) przebicia złącza.

• Zjawisko Zenera - ma miejsce w złączach o silnie domieszkowanej bazie, zachodzi przy natężeniu pola elektrycznego E≈10⁶V/ cm oraz małej grubości warsty opróżnionej (typowo poniżej 4V). Zachodzi bezpośrednie przechodzenie nośników, np. dziur z pasma podstawiowego w obszarze n do pasma przewodnictwa w obszarze p, przez barierę energetyczną, którą jest warstwa zaporowa. Jest to tzw. efekt tunelowy.

• zjawisko jonizacji zderzeniowej - występuje dla złącz słabiej domieszkowanych, zachodzi przy mniejszych natężeniach pola ale grubszych warstwach opróżnionych,( typowo zachodzi powyżej 10V). Dla odpowiednio dużego napięcia przechodzi w powielanie lawinowe.

i_W- prąd wsteczny w zakresie powielania lawinowego
i₀ - prąd przy braku powielania

M - współczynnik powielania lawinowego

U_Z - napięcie przebicia, przy którym prąd dąży do nieskończoności

η - należy od 2 do 6

Napięcie przebicia zależy od domieszkowania złącza. Dla przebicia lawinowego, dla złącz skokowych jest odwrotnie proporcjonalne do koncentracji domieszek w bazie diody, a dla złącza liniowego odwrotnie proporcjonalne do gradientu koncentracji domieszek.

PODSUMOWANIE:

• kierunek zaporowy -
  Iu - prąd upływu

• kierunek przewodzenia -
  

• model małosygnałowy dla w.cz.

14. Omówić wpływ temperatury na właściwości diody

- charakterystyka wsteczna

β_Z<0 - ef. Zenera; βZ>0 - ef. Lawinowy; βZ≈0 - dla u = 4÷6V

≈8%K^-1

≈16%k^-1

- kierunek przewodzenia

Dopuszczalna temperatura złącza:

15. Omówić zakresy i konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego (BJT).

Zakresy pracy:

• aktywny normalny - złącze emiterowe spolaryzowane przewodząco, a kolektorowe zaporowo

• nasycenia - oba złącza spolaryzowane przewodząco

• odcięcia - oba złącza spolaryzowane zaporowo

• aktywny inwersyjny - złącze kolektorowe spolaryzowane przewodząco, a emiterowe zaporowo

Konfiguracje pracy jednoznacznie definiują sposób połączenia końcówek z układami zewnętrznymi: wejściowym (sterującym) i wyjściowym (sterowanym). W nazwie konfiguracji jest informacja o końcówce wspólnej dla wejścia i wyjścia. Znaki napięć są określone przez typ tranzystora (npn, pnp).

16. Omówić zasadę działania idealnego BJT w zakresie aktywnym normalnym.

Zakres aktywny normalny - złącze emiterowe spolaryzowane przewodząco, kolektorowe zaporowo.

W tranzystorze npn spolaryzowanym przewodząco złącze emiterowe wstrzykuje do bazy nadmiarowe elektrony, te przemieszczają się w stronę złącza kolektorowego i po przejściu przez warstwę zaporową docierają do kolektora. Baza jest „linią transmisyjną”, przez którą płyną nośniki. Aby ten przepływ był związany z możliwie małymi stratami na rekombinację, obszar bazy powinien być „krótki” w sensie używanym dla złącza pn.

17. Co to jest model Ebersa-Molla (postać i przeznaczenie)

Model ten jest słuszny dla dowolnego zakresu pracy. Umożliwia uzyskanie charakterystyk statycznych dla dowolnego zakresu pracy.

W pierwszej wersji modelu (injekcyjny) zakłada się, że prąd każdego złącza stanowi superpozycję prądu własnego oraz prądu zbieranego, wstrzykniętego przez drugie złącze.

i_EW, i_CW - prądy własne

α_N - zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla zakresu aktywnego

normalnego

α_I - zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla zakresu aktywnego

inwersyjnego

Pełna postać modelu:

Druga wersja modelu może być zapisana, jako równania admitancyjne, w których prąd emitera i kolektora uzależnione są od napięć na złączach:

Z równania i_C=... wynika postać charakterystyki przenoszenia:

18. Omówić małosygnałowy model BJT dla m.cz. w konfiguracji WB iWE.

Modele te dotyczą zakresu aktywnego normalnego, są słuszne dla m.cz.:

Konfiguracja WB:

Dla obwodu wejściowego

Prąd emitera w zakresie jest ujemny, więc konduktancja g_eb jest dodatnia.

Z charakterystyki przenoszenia i_C(i_E)= -α i_E +I_CB0 wynika, że w obwodzie wejściowym występuje generator prądowy o wydajności α sterowany prądem wejściowym :

I_c = - α I_e

Prąd wyjściowy można powiązać z napięciem wyjściowym korzystając z charakterystyki statycznej

,więc I_c=-g_m * U_eb

Oznacza to że w obwodzie wyjściowym generator prądowy o wydajności g_m sterowany napięciem wejściowym. Transkonduktancja g_m jest zdefiniowana jako

Między g_m i g_eb zachodzi zależność : g_m=g_be * α

Schemat zastępczy :

Konfiguracja WE:

Dla obwodu wejściowego I_b = g_be * U_be .

konduktancja wejściowa g_be jest zdefiniowana

Dla obwodu wyjściowego :

Transkonduktancja g_m zdefiniowana jest tak jak dla układu WB. Zachodzi związek : g_m=β * g_be

Schemat zastępczy :

19. 
    Wymień i omów częstotliwościowe parametry graniczne BJT.

WB:

Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowej zmiennej o małej amplitudzie: h_fb:

Częstotliwość f_α to tak, dla której moduł współczynnika h_fb maleje 2^1/2 -krotne (3dB) w porównaniu z wartością tego współczynnika dla małych częstotliwości.
Zależność modułu współczynnika h_fb od częstotliwości:

WE:

Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowej zmiennej h_fe :

Częstotliwość charakterystyczna f_β to taka, dla której moduł współczynnika h_fe maleje 2^1/2-krotnie w porównaniu z wartością tego współczynnika przy małych częstotliwościach.

Moduł współczynnika h_fe wyraża się następująco :

Charakterystyka częstotliwościowa |h_fe| :

Dla małych częstotliwości |h_fe| jest praktycznie równy współczynnikowi β .

Dla f >>f_β jest odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości.

Częstotliwość charakterystyczna f_T to taka, dla którj |h_fe| = 1. Wartość rzędu kilkuset MHz.

20. Co wiesz na temat parametrów czwórnikowych BJT?

Impedancyjne - mierzone w warunkach rozwarcia wejścia lub wyjścia.

Admitancyjne - mierzone przy zwarciu wejścia lub wyjścia.

Hybrydowe - mierzone przy rozwarciu wejścia lub zwarciu wyjścia

21. Co to jest tranzystor rzeczywisty?

W tranzystorze rzeczywistym uwzględnia się wpływ zjawisk drugorzędnych, nieuwzględnionych w analizie tranzystora idealnego.

Rezystancje szeregowe.

Rezystywność obszarów neutralnych powoduje powstanie rezystancji szeregowych (rozproszonych), które występują między końcówkami tranzystora idealnego a rzeczywistego.

Największe znaczenie ma rezystancja szeregowa bazy r_b , która zależy od szerokości bazy. Im mniejsza szerokość bazy tym większa rezystancja. Nie jest liniowa. Wartości zawierają się w rzędzie od kilkunastu - kilkuset Ω.

Rezystancja szeregowa kolektora (r_c) jest określona przez rezystywność obu warstw typu n, tworzących kolektor. Użycie warstwy n⁺ silnie domieszkowanej zamiast warstwy n w pobliżu kontaktu kolektora zmniejsza tę rezystancję. Wartości są rzędu kilku Ω.

Rezystancja szeregowa emitera przyjmuje najmniejsze wartości gdyż jest to obszar silnie domieszkowany o niewielkiej grubości. Istotny wpływ ma rezystancja kontaktu i doprowadzeń. Wartość jest rzędu ułamka Ω.

Małe gęstości prądu.

Występuje zjawisko rekombinacji w złaczu przewodzącym ( złącze E-B - jak takie piwko).

Duże gęstości prądu.

Przy wzroście prądu kolektora w zakresie dużych prądów maleje współczynnik β oraz częstotliwość f_T - właściwości użytkowe stają się gorsze. Występuje :

- modulacja konduktywności bazy

• rozszerzanie bazy (efekt Kirke'a)

• quasi nasycenie

• samo-nagrzewanie

• zagęszczanie prądu emitera (przepływ znacznego prądu bazy powoduje niejednakową polaryzację poszczególnych części złącza emiterowego; części najbardziej oddalone od kontaktu bazy są polaryzowane najmniejszym napięciem wskutek spadku napięcia na rezystancji szeregowej bazy)

Prądy zerowe.

Są to prądy płynące przez tranzystor włączony w układzie dwójnika, tzn. przy polaryzacji 2 końcówek, bez oddzielnej polaryzacji końcówki 3-ej.

Zjawiska przebić (patrz następne pytanie)

Efekt napięciowej modulacji napięciowej bazy patrz pytanie 23.

22. Co wiesz na temat zjawisk przebicia w BJT?

Wartości napięcia przebicia obu złączy zależą od konfiguracji pracy, sposobu włączenia zacisku sterującego oraz od wartości prądu sterującego. Najważniejsze katalogowe parametry charakterystyczne dotyczą rozwarcia elektrody sterującej.

Konfiguracja WB:

• i_E=0

dla złącza kolektorowego (przebicie lawinowe U_CB0 - kilkadziesiąt - kilkaset voltów)

dla złącza emiterowego (przebicie Zenera U_EB0 - do 10V)

• i_E≠0

M - współczynnik powielania lawinowego

Wniosek: napięcie przebicia nie zależy od prądu emitera i U_BR=U_CB0

Konfiguracja WE:

Napięcia przebicia w tej konfiguracji są mniejsze niż w WB

• dla rozwartej bazy: i_B=0

• dla i_B≠0

23. Wyjaśnić efekt Early'ego.

Dla zakresu aktywnego normalnego ważna jest warstwa opróżniona złącza kolektorowego spolaryzowana zaporowo. Wnika ona w słabiej domieszkowany obszar, a wnikając w nierównomiernie domieszkowany obszar bazy, napotyka na półprzewodnik coraz silniej domieszkowany. Jest to tzw. zjawisko Early'ego.

Efekt ten powoduje, że w zależnosciach statycznych prąd kolektora oraz bazy , jak również współczynnik β zależą od napięcia kolektor - emiter. Statyczna charakterystyka wyjściowa z uwzględnieniem efektu Early'ego dla zakresu aktywnego normalnego (z pominięciem I_CE0):

24. Omówić charakterystyki statyczne BJT.

Charakterystykami statycznymi nazywamy wykresy przedstawiające zależności między prądami i napięciami na różnych elektrodach tranzystora uzyskane przy doprowadzeniu do elektrod regulowanych napięć stałych. W zależności od tego które z napięć i prądów przyjmujemy jako zmienne niezależnie można otrzymać różnorodne charakterystyki tranzystora :

Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami: I_E , I_C , I_B i napięciami: U_BE U_CE , U_CB , stałymi lub wolnozmiennymi. Rozróżnia się charakterystyki: wyjściowe, wejściowe, prądowe (przejściowe) i sprzężenia zwrotnego.

Charakterystyki wyjściowe przedstawiają związek między I_C i U_CE. Przebieg ich zależy od I_B , który jest parametrem rodziny krzywych. Na charakterystykach wyjściowych można wyróżnić kilka zakresów związanych z polaryzacją złączy emiter-baza i kolektor-baza. Najczęściej wykorzystuje się zakres aktywny, w którym złącze emiter-baza jest spolaryzowany w kierunku przewodzenia (potencjał bazy wyższy od potencjału emitera), zaś złącze kolektor-baza w kierunku wstecznym (potencjał kolektora wyższy od potencjału bazy). Tranzystor ma właściwości wzmacniające.

Prądy zerowe tranzystora wynikają z prądów wstecznych złączy kolektorowego i emiterowego. W tranzystorach krzemowych małej mocy jest on rzędu nA.

25. Zdefiniować obszar bezpiecznej pracy BJT (SOA).

Jest to obszar wyróżniony przez dopuszczalne parametry katalogowe:

• moc admisyjna P_a

• prąd max. I_Cmax

• Prąd zerowy I_CE0

• Napięcie max. U_CE0

• Napięcie nasycenia U_CESat

26. Omówić wpływ temperatury na właściwości BJT.

Temperatura wpływa na prądy zerowe:

• wpływ temp. na współczynnik β (od ułamka do ok. 1 %/ K ).

• wpływ temp na napięcie przebicia

27. Zdefiniować parametry związane z pracą wielkosygnałową dynamiczną BJT.

28. Przedstawić podział tranzystorów FET.

Podział ze względu na 3 parametry: sposób izolacji, rodzaj kanału, technologia kanału:

29. Podać zależności stanowiące model stałoprądowy MOS.

30. Wyjaśnić pojęcia: tranzystor z kanałem wbudowanym, tranzystor pracujący ze zubożaniem, tranzystor normalnie wyłączony, tranzystor z kanałem n, napięcie progowe.

tranzystor z kanałem wbudowanym - kanał istnieje w postaci wbudowanej warstwy półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże;

tranzystor pracujący ze zubożaniem (depletion mode) - płynie w nim prąd przy napięciu u_GS=0; może to być tranzystor z kanałem wbudowanym lub indukowanym; DMOS

tranzystor normalnie wyłączony - nie płynie w nim prąd przy napięciu u_GS=0; tranzystor pracujący ze wzbogacaniem ( enhancemnet mode); może to być tylko tranzystor z kanałem indukowanym; EMOS

tranzystor z kanałem n - przewodnictwo typu n w kanale;

napięcie progowe (threshold voltage, U_p) - określa sytuację kiedy powstaje kanał i zaczyna płynąć prąd drenu; napięcie bramka - źródło (u_GS) przy którym koncentracja nośników mniejszościowych pod elektrodą bramki jest równa równowagowej koncentracji nośników większościowych w podłożu;

31. Narysować charakterystyki wyjściowe i przejściowe (przenoszenia) dla wybranego typu tranzystora MOS.

1. wyjściowa i_D(u_DS)

2. przejściowa i_D(u_GS)

32. Omówić wpływ temperatury na charakterystyki tranzystora MOS.

Temperatura wpływa na parametr materiałowy B. Wynika to z zależności tego parametru od ruchliwości μ(T). Wpływa to więc na charakterystyki wyjściowe:

Wartość κ wynika z wpływu międzypowierzchni na mechanizm rozpraszania nośników.

Napięcie progowe zależy liniowo od temperatury:

Wpływ temperatury na statyczną charakterystyke i_D(u_GS):

W zakresie małych prądów drenu przy ustalonym napięciu u_GS prąd drenu rośnie przy wzroście temperatury, natomiast w zakresie dużych prądów - maleje. Istnieje punkt autokompresji termicznej, w którym temperatura nie wpływa na prąd drenu. Malenie prądu drenu przy wzroście temperatury widoczne dla dużych prądów, jest bardzo korzystną cechą tranzystora MOS.

33. Jakie dodatkowe efekty i w jaki sposób uwzględnia się w modelu rzeczywistego tranzystora MOS.

Modulacja ruchliwości nośników - nośniki poruszające się w stronę drenu zderzają się z międzypowierzchnią Si-SiO₂, co wpływa na ich ruchliwość; na częstość zderzeń wpływa napięcie u_GS decydujące o polu elektrycznym poprzecznym do kanału; modyfikuje się charakterystyki statyczne poprzez zmianę parametru B (zastąpienie μ₀ przez μ); uwzględniając wpływ u_GS na ruchliwość mamy (θ - parametr modelu):

Modulacja długości kanału (zakres pentodowy) - w zakresie pentodowym w tranzystorze idealnym kanał jest odcięty przy drenie; w tranzystorze rzeczywistym odcięcie nie jest punktowe - przy wzroście napięcia u_DS odcięcie kanału ma miejsce na coraz większym odcinku; występuje więc modulacja napięciowa długości kanału - w miarę wzrosty u_DS maleje rezystancja kanału, więc prąd drenu rośnie (γ- parametr modelu, 1/γ- sens tak jak napięcie Early'ego w BJT):

Praca w zakresie podprogowym (odcięcia) - założono że w zakresie odcięcia prąd drenu nie płynie; w rzeczywistości przy braku kanału między drenem i podłożem istnieje złącze pn spolaryzowane zaporowo (drugie złącze podłoże - źródło jest zwarte); płynie więc prąd drenu o wartości zbliżonej do prądu wstecznego złącza; prąd ten silnie rośnie przy wzroście temperatury;

W tranzystorze rzeczywistym może wystąpić przebicie zaporowo spolaryzowanego złącza pn dren podłoże.Z powodu charakteru domieszkowania podłoża przebicie ma charakter lawinowy. W katalogu określa się to napięcie przy określonym napięciu bramki np. u_GS=0.

Przebicie między bramką a podłożem to przebicie warstwy izolatora, gdy natężenie pola elektrycznego w izolatorze osiąga krytyczną wartość. Występuje przy kilkudziesięciu voltach, przeważnie niszczy strukturę(w izolatorze powstają kanaliki zwierające bramkę i podłoże).

34. Omówić typową strukturę tranzystora MOS.

35. Jak tworzy się model małosygnałowy tranzystora MOS - narysować taki model dla m.cz. sygnału.

W przypadku modelu m.cz, model małosygnałowy tranzystora MOS (sposób tworzenia w pytaniu 3) należy uzupełnić o pojemności:

• pojemność bramki: Cg

• poj. Warstwy opróżnionej dren - podłoże: Cdb

• pojemności pasożytnicze wynikające z nakładki powierzchni bramki nad źródło i dren: C_gse, C_gde

36. Omówić zasadę działania tranzystora JFET.

37. Omówić zasadę działania właściwości i podstawowe zależności dla termistora.

38. Omówić charakterystyki i właściwości innych znanych ci półprzewodników bezzłączowych elementów dwójnikowych.

39. Omówić dane katalogowe wybranego elementu półprzewodnikowego.

40. Co wiesz na temat modelu termicznego elementu półprzewodnikowego (hasła: temperatura wnętrza, moc maksymalna, rezystancja oraz przejściowa impedancyjna termiczna).

20

i_S

i_G

i

u

T

T₀

T>T₀

u

T

i₁

i₂

i₃

---