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
(I
0
,U
0
), 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.
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. 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
. . 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,
W półprzewodniku silnie domieszkowanym typu p nośnikami
większościowymi są dziury,
6. Wymień i omów parametry materiałowe
Czas życia
p
: jest to czas jaki upływa od chwili wyłączenia
czynnika generującego, po którym nadmiarowa koncentracja
nośników maleje e-krotnie . Dla krzemu współczynnik ten
wynosi od 10
-9
s do 10
-5
s.
Średnia droga dyfuzji nośników L
p
to odległość po przejściu
której koncentracja nadmiarowych nośników maleje e-
krotnie w stosunku do wartości na oświetlanej powierzchni .
Typowa wartość dla Si w 300K: od 10
-5
cm do 10
-3
cm. Między
czasem życia a średnią drogą dyfuzji zachodzi związek:
L=(D* )
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 ( ~ 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 (
~ T
-3/2
). Konduktywność materiału silnie domieszkowanego
maleje, przy wzroście temperatury, lecz wyraża się
zależnością potęgową, znacznie słabszą od zależności
wykładniczej dla materiału samoistnego.
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.
10Przedstaw 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.
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 (I
0
; U
0
) 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
+ j (C
d
+ C
j
)
I
t
= I
a
+ I
dj
= Y * U
ab
|I
t
| = [ g
d
2
+
2
( C
d
+ C
j
)
2
]
1/2
* U
ab
12. Zdefiniować pojęcia: pojemność złączowa, pojemność
dyfuzyjna złącza.
Poj. dyfuzyjna – C
d
– reprezentuje zależność nośników
mniejszościowych na brzegu obszarów neutralnych od
wielkości napięcia na złączu
czyli Cd ~ i – prąd dyfuzyjny
τ – czasu przelotu nośników mniejszościowych przez bazę
złącza
czyli C
d
~ 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.
13. Omówić właściwości diod rzeczywistych.
Złącze liniowe
W rzeczywistych złączach rozkład domieszek
opisany zazwyczaj jest 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 1/2):
(Wzór jak dla Cj tylko ze 3 przy piweriwastku)
Wysoki poziom wprowadzania
– dla dużych gęstości prądu
koncentracja mniejszościowych nośników nadmiarowych w
bazie diody, staje się porównywalna z równowagową
koncentracją nopśników większościowych
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:rys to dioda i rs...
dla małego sygnału:
Procesy generacji i rekombinacji w warstwie zaporowej
. W
rzeczywistości przy polaryzacji zaporowej duże znaczenie ma
generacja nośników w warstwie zaporowej. Powstaje p
rąd
generacyjny
i
G
, dla Si jest on znacznie większy niż I
S
( dla
300K i
G
10
3
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>):
Przebicie złącza
– zwiększanie napięcia wstecznego na
diodzie 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 10
6
V/ 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
Iw=M*i0
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
-
- 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 – E i C przewodząco
odcięcia – oba zaporowo
aktywny inwersyjny – E zaporowo C przewodzaco
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).(WB WC WE)
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.
iew icw - prądy własne
N
– zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla
zakresu aktywnego normalnego, i dla 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 i WE.
Modele te dotyczą zakresu aktywnego normalnego, są
słuszne dla m.cz.:
Konfiguracja WB:
Dla obwodu wejściowego:
gdzie:
Więc:
Prąd emitera w zakresie jest ujemny, więc konduktancja g
eb
jest dodatnia.
Z charakterystyki przenoszenia i
C
(i
E
)= - i
E
+I
CB0
wynika, że w
obwodzie wejściowym występuje generator prądowy o
wydajności sterowany prądem wejściowym :Ic=-alfa *Ie
Transkonduktancja g
m
jest zdefiniowana jako
i
Między g
m
i g
eb
zachodzi zależność : g
m
=g
be
*
Schemat zastępczy :
Konfiguracja WE:
Dla obwodu wejściowego
konduktancja wejściowa g
be
jest zdefiniowana
Dla obwodu wyjściowego :
oraz
Transkonduktancja g
m
zdefiniowana jest tak jak dla układu
WB. Zachodzi związek : g
m
= * g
be
Schemat
zastępczy :
20. Co wiesz na temat parametrów czwórnikowych BJT
Impedancyjne – mierzone w warunkach rozwarcia wejścia
lub wyjścia.
lub
Admitancyjne – mierzone przy zwarciu wejścia lub wyjścia
lub
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 .
Rezystancja szeregowa kolektora (r
c
) Wartości są rzędu kilku
.
Rezystancja szeregowa emitera przyjmuje najmniejsze
wartości gdyż jest to obszar silnie domieszkowany o
niewielkiej grubości. Wartość jest rzędu ułamka .
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 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
Prądy zerowe.
Są to prądy płynące przez tranzystor włączony w układzie
dwójnika, tzn. przy polaryzacji 2 końcówek, bez oddzielnej
polaryzacji końcówki 3-ej.
O – rozwarcie
S – zwarcie
R – rezystor
Przykłady:
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
stąd:
dla i
B
0
