background image

• Podstawowym materiałem, z którego wytwarza się obecnie 
elementy półprzewodnikowe, jest krzem Si.  

 

• W początkach rozwoju elementów półprzewodnikowych taką 
rolę odgrywał german Ge.  

 

• Obok krzemu i germanu istnieją też półprzewodniki złożone, 
np. arsenek galu GaAs lub antymonek indu InSb. 

 

• Szerokość pasma zabronionego wynosi: 1,12 eV dla krzemu, 
0,67 eV dla germanu i 1,43 eV dla arsenku galu 

 

• Półprzewodniki samoistne. 
• Półprzewodniki domieszkowane. 

background image

Półprzewodniki 

samoistne 

(typu 

I). 

Takimi 

półprzewodnikami  są  monokryształy  np.  krzemu,  które  w 
temperaturze 

bezwzględnego  zera  są  izolatorami,  a  ich 

pasmo  walencyjne  jest 

całkowicie  wypełnione,  a  pasmo 

przewodnictwa 

całkowicie wolne, zaś po otrzymaniu pewnej 

ilości  energii  np.  energii  cieplnej  może  nastąpić  w  nich 
lokalne  zerwanie  pewnej  liczby 

wiązań  kowalentnych  i 

przejście  niektórych  elektronów  z  pasma  walencyjnego  do 
pasma przewodnictwa 

background image

Swobodne 

elektrony 

stają  się  nośnikami  ładunku 

elektrycznego. 

Pozostałe  po  elektronach  wolne  miejsca  w 

wiązaniach, 

równo­ważne 

elementarnym 

ładunkom 

dodatnim,  nazywa 

się  dziurami.  Zjawisko  to  nazywa  się 

generacją par: elektron — dziura.  
 

Miejsce dziury w 

wiązaniu może zająć elektron z wiązania sąsiedniego atomu, 

tworząc nową dziurę w innym miejscu, w związku z czym można też mówić o 
przemieszczaniu 

się dziur. 

 

Równocześnie  z  procesem  generacji  zachodzi  zjawisko 
odwrotne,  zwane 

rekombinacją,  a  polegające  na 

wzajemnej  neutralizacji 

ładunków  dziury  i  elektronu 

powracającego do pasma walencyjnego.  
 
W  warunkach  ustalonych  liczba  generowanych  par 
elektron-dziura  jest 

równa  liczbie  par  podlegających 

rekombinacji. 

background image

Półprzewodnik  domieszkowany  typu  N  stanowi 
monokryształ 

pierwiastka 

podstawowego 

(czterowartościowego  krzemu  lub  germanu)  z  domieszką 
pierwiastka  o 

pięciu  elektronach  walencyjnych,  zwanego 

donorem (np. arsenu, antymonu lub fosforu).  

background image

Atomy donora 

zajmują węzłowe miejsca w sieci krystalicznej, 

tworząc swymi czterema elektronami wiązania kowalentne z 
atomami  pierwiastka  podstawowego. 

Piąty  nadmiarowy 

elektron  jest 

słabo  związany  z  atomami  pierwiastka 

podstawowego.  

background image

Domieszka  zmniejsza  pasmo  zabronione  W  i  wynosi  ono 
odpowiednio  0,049  eV  dla  domieszki  arsenu  i  0,044  eV  dla 
domieszki fosforu.  

związku z tym w temperaturze 100 K praktycznie wszystkie 

atomy  donora 

są  zjonizowane  i  ich  elektrony  nadmiarowe 

przechodzą do pasma przewodnictwa.  

W  normalnych  warunkach 
półprzewodnik 
domieszkowany  typu  N  ma 
więcej 

swobodnych 

elektronów 

niż 

dziur 

(powstających  np.  wskutek 
generacji 

termicznej 

par 

dziura-elektron) i elektrony 

są 

większościowymi  nośnikami 
prądu. 

background image

Półprzewodnik 

domieszkowany 

typu 

stanowi 

monokryształ  pierwiastka  podstawowego  z  domieszką 
pierwiastka  o  trzech  elektronach  walencyjnych,  zwanego 
akceptorem (np. boru, galu, glinu lub indu).  

background image

Wskutek  tego  w  otoczeniu  atomu  domieszki  jeden  z 
elektronów 

czterowartościowego 

pierwiastka 

podstawowego jest 

słabo związany z pozostałymi atomami i 

wystarczy  dostarczenie  niewielkiej 

ilości  energii  (np.  przez 

podgrzanie  do  ok.  100  K),  aby 

opuścił  on  pasmo 

walencyjne, 

pozostawiając po sobie swobodną dziurę.  

background image

Elektron  przechwytywany  jest  przez  lokalny  poziom 
energetyczny  domieszki, 

znajdujący  się  w  pobliżu  pasma 

walencyjnego:    W  wynosi  0,067  eV  dla  domieszki  glinu  i 
0,045  eV  dla  domieszki  boru.  W 

półprzewodniku  typu  P 

dziury, czyli 

ładunki dodatnie, są większościowymi nośnikami 

prądu. 

background image

Właściwości elektryczne półprzewodników domieszkowanych 
są determinowane przez domieszki w zakresie temperatur od 
100 do 400 K.  
 
Zależna 

od 

temperatury 

koncentracja 

nośników 

samoistnych  (tzn.  par  dziura-elektron)  w  temperaturze 
300  K  wynosi 

przykładowo  dla  krzemu  15  •  10

10

  par  w  1 

cm

3

,  to  koncentracja 

nośników  nadmiarowych  (tzn. 

elektronów  w  półprzewodniku  typu  N  lub  dziur  w 
półprzewodniku  typu  P)  jest  o  kilka  rzędów  większa  i 
zależnie od zawartości domieszek wynosi od 10

14

 do 10

18

 

nośników nadmiarowych w 1 cm

3

background image

Złącza 
 
Elementy 

układów  elektronicznych  budowane  są  jako 

złączowe i bezzłączowe.  

 
Złączem  nazywa  się  wąski  obszar  (o  szerokości  rzędu  10

-7

 

m),  w 

którym  zachodzi  zmiana  koncentracji  nośników 

swobodnych 

kilka 

rzędów 

wielkości.  Praktycznie 

najważniejsze  jest  złącze  PN,  w  którym  zmianie  koncentracji 
towarzyszy 

także zmiana rodzaju domieszki (akceptor-donor).  

background image

• Rezystancjami 

niesterowanymi 

są 

rezystory 

półprzewodnikowe, warystory i termistory. 
• Rezystory półprzewodnikowe wykonuje się zwykle jako 
ścieżki  z  półprzewodnika  N+  na  podłożu  N  lub  P+  na 
podłożu P.  
• Warystory  są  rezystorami  nieliniowymi  o  rezystancji 
zależnej od przyłożonego napięcia.  
• Termistory  są  rezystorami  nieliniowymi  o  rezystancji 
zależnej od temperatury. 
•  Rezystancjami 

sterowanymi 

są 

piezorezystor, 

fotorezystor i magnetorezystor (gaussotron).  
• Hallotron  jest  elementem,  w  którym  generowane  jest 
napięcie  Halla  pod  wpływem  indukcji  magnetycznej  w 
płytce hallotronu. 
• Tranzystor  unipolarny  bezzłączowy  z  izolowaną 
bramką  jest  rezystancją  sterowaną  natężeniem  pola 
elektrycznego  

background image

Złącze  PN  stanowi  ważną  część  składową  wszystkich 
elementów złączowych. 
Jest  to 

monokryształ  półprzewodnika,  który  z  jednej  strony 

zawiera 

domieszkę  donorową  (obszar  N),  a  z  drugiej 

domieszkę  akceptora  (obszar  P),  co  schematycznie 
przedstawiono na rysunku.  

Stan 

równowagi  występuje 

wtedy, gdy  wypadkowy 

prąd w 

złączu  jest  równy  zeru,  tzn. 
gdy  liczba  przemieszczanych 
nośników 

mniejszościowych 

jest 

równa 

liczbie 

dyfundujących 

nośników 

większościowych. 

background image

Napięcia 

bariery 

potencjału 

złącza  nie  daje  się  zmierzyć 
bezpośrednio 

(np. 

woltomierzem), 

gdyż 

na 

połączeniach 

metalowych 

elektrod 

półprzewodnikiem 

powstają 

kontaktowe 

siły 

elektromotoryczne,  na  skutek 
czego 

różnica 

potencjałów 

między  elektrodami  jest  równa 
zeru  

•Różnicę potencjałów obszarów typu N oraz typu P nazywa 
się napięciem bariery potencjału Ubp. Napięcie to zależy od 
rodzaju 

materiału  monokryształu,  koncentracji  domieszek  i 

temperatury. Dla 

złącz germanowych wynosi ono ok. 0,5 V, a 

dla krzemowych ok. 1 V, 

malejąc przy wzroście temperatury 

o ok. 2,5 mV na 1 K. 

background image
background image

Charakterystyka 

napięciowo-prądowa złącza PN: U

F

I

F

— napięcie i prąd przewodzenia, U

R

,I

R

 

— napięcie i 

prąd przy polaryzacji zaporowej 

 

 

background image

Diody 

półprzewodnikowe dzieli się na: 

 
•diody  prostownicze  -  przeznaczone  do  prostowania  prądu 
zmiennego, 

 

•sygnałowe - przeznaczone do pracy w układach przetwarzania 
sygnałów elektrycznych, 

 

• specjalne. 
 

background image

Diody  prostownicze 

pracują  przy  zmieniającej  się 

cyklicznie polaryzacji w kierunku przewodzenia i polaryzacji 
w kierunku zaporowym.  
Z    praktycznego  punktu  widzenia 

głównymi  parametrami 

diody 

prostowniczej, 

określonych  znamionowych 

warunkach cieplnych, 

będzie dopuszczalna wartość średnia 

prądu  wyprostowanego  i  dopuszczalne  napięcie  wsteczne 
pracy. 
 

Przykładowo diodę o prądzie dopuszczalnym 10 A i napięciu  100 V 
 

background image

1.

Dopuszczalną  temperaturą  złącz  germanowych  jest 
około 360 K, a złącz krzemowych — około 430 K.  

2. Diody  prostownicze  o 

dużej  mocy  są  zwykle 

zaopatrzone  w  radiatory, 

chłodzone  z  wymuszonym 

obiegiem powietrza. 

3. Diody  prostownicze  warstwowe 

używane  są  do 

prostowania 

prądu 

częstotliwości 

nie 

przekraczającej na ogół 400 Hz.  

background image

Diody 

sygnałowe  -  diody  detekcyjne  wykonywane  ze 

złączem  PN  typu  ostrzowego  i  charakteryzujące  się  w 
związku  z  tym  niewielką  pojemnością,  a  stosowane  w 
układach detekcji sygnałów wysokich częstotliwości, 
 
diody  impulsowe 

charakteryzujące  się  krótkim  czasem 

przejścia  ze  stanu  przewodzenia  do  zaporowego,  a 
stosowane w 

układach cyfrowych. 

 
Diody  specjalne:  Zenera 

(stabilizacyjną),  pojemnościową, 

tunelową, fotodiodę i diodę luminescencyjną.  

background image

Diodą  Zenera  jest  specjalna  dioda  krzemowa,  w  której 

pod 

wpływem  określonego  napięcia  wstecznego  następuje 

tzw. przebicie tunelowe (Zenera). 

Następuje wtedy tunelowe 

przejście  elektronów  z  pasma  walencyjnego,  do  pasma 
przewodnictwa. 

Napięcie  wsteczne  U

z

,  przy 

którym  następuje  gwałtowne 

zakrzywienie  charakterystyki 

napięciowo-prądowej  diody, 

nazywa 

się napięciem Zenera. Diody Zenera używane są do 

stabilizacji 

napięcia stałego. 

background image

Dioda  tunelowa  ma 

charakterystykę  napięciowo-

prądową  wskazującą  na  występowanie  przebicia 
tunelowego 

zarówno  przy  polaryzacji  zaporowej,  jak  i 

przy niewielkich 

napięciach w kierunku przewodzenia.  

 
Diody  tunelowe  wykorzystywane 

są  w  układach 

generacyjnych i  

przełączających. 

background image

Fotodiodę  stanowi  złącze  PN,  w  którym  wykorzystuje  się 
zjawisko  generowania 

mniejszościowych  nośników  prądu 

pod 

wpływem 

energii 

promieniowania 

świetlnego. 

Fotodioda  pracuje  przy  polaryzacji  zaporowej,  a  jej 

prąd 

wsteczny 

zależy  od  padającego  na  złącze  strumienia 

świetlnego. 

background image

•Fotodiody  wykorzystuje  się  jako  przetworniki  natężenia 
oświetlenia na sygnał elektryczny  

 

•jako  elementy  przetwarzające  energię  promieniowania 
optycznego na 

energię elektryczną, zwane fotoogniwami. 

 

Działanie  fotoogniwa  uzasadnione  jest  tym,  że  jego 
charakterystyka 

napięciowo-prądowa  przy  U  =  0  nie 

przechodzi przez 

początek układu współrzędnych. Po zwarciu 

fotodiody 

może  w  związku  z  tym  płynąć  prąd  zwarcia,  czyli 

staje 

się  ona  źródłem  prądu.  Zjawisko  to  bywa 

wykorzystywane w ogniwach 

słonecznych. 

 

 

background image

Energoelektronika  jest 

jedną  z  podstawowych  gałęzi 

elektroniki, 

obejmującą 

zagadnienia 

układów 

przekształtnikowych: 

 
• układów 

przeznaczonych 

do 

przekształcania 

energii 

elektrycznej 

napięcia 

przemiennego 

na 

stałe 

(w 

prostownikach), 

• napięcia  przemiennego  na  napięcie  przemienne  o  innej 

częstotliwości (w przemiennikach częstotliwości), 

• napięcia stałego na przemienne (w falownikach), 
• napięcia  stałego  na  napięcie  stałe  o  innej  wartości  (w 

przekształtnikach prądu stałego). 

background image

Układy  prostownicze  stosuje  się  wtedy,  gdy  do  zasilania 

jakiegoś  urządzenia  potrzebny  jest  prąd  stały,  a  mamy  do 
dyspozycji 

źródło lub sieć prądu zmiennego. 

 
Rozróżnia się prostowniki: 

• niesterowane,  
• sterowane. 

 
Prostowniki  niesterowane  nie 

umożliwiają  nastawienia 

wartości stałego napięcia lub prądu wyjściowego. 

Prostownik  niesterowany 

składa  się  z  jednego  lub  kilku 

prostowniczych 

zaworów  elektrycznych  (diod),  przyłączonych 

do 

źródła 

napięcia 

przemiennego 

(zazwyczaj 

transformatorem). 

background image

Wartość  skuteczna  napięcia 
wyprostowanego,  
dla 

całego 

okresu, obliczona z 

zależności 

Średnia wartość napięcia 
wyprostowanego 
wynosi:  

m

W

T

w

U

U

dt

u

T

U

2

2

0

2

2

2

5

,

0

1

2

0

2

2

32

,

0

1

T

m

wśś

U

dt

u

T

U

background image

Składowa zmienna napięcia wyprostowanego, określana jako 

U

w

 = u

w

 - U

wśr

 

nazywa się tętnieniem, a jej wartość skuteczna wynosi: 

2

2

wśś

W

W

U

U

U

Stopień wygładzenia napięcia wyprostowanego określa się za 
pomocą  współczynnika  tętnień,  równego  stosunkowi 
wartości  skutecznej  składowej  zmiennej  ∆U

w

  do 

składowej 

stałej U

wsr 

1

)

(

2

wśś

w

wśś

w

t

U

U

U

U

k

background image

Jednofazowy jednokierunkowy 

Jednofazowy pełnookresowy (tzw. układ Graetza) 

background image

Układ prostowniczy 

trójfazowy 
jednokierunkowy: 

a) schemat, 
b)

wykres czasowy napięć 
i prądów  

background image

Trójfazowy jednokierunkowy 

Trójfazowy mostkowy 

background image

Tylko 

niektóre  odbiorniki  mogą  pracować  przy  dość 

znacznych 

tętnieniach  napięcia  wyprostowanego;  należą  do 

nich m.in. silniki 

prądu stałego i ładowane akumulatory.  

 
Inne 

odbiorniki 

nie 

dopuszczają  natomiast  tętnień 

przekraczających dopuszczalne wartości. Należą do nich np. 
wszystkie 

układy  elektroniczne,  układy  pomiarowe  i  układy 

automatyki. 

Do 

zmniejszenia 

tętnień 

napięcia 

wyprostowanego stosuje 

się filtry

 

background image

Do  utrzymania  w 

przybliżeniu  stałej  wartości  napięcia 

wyjściowego prostownika i uniezależnienia jej od zmian 
napięcia  zasilającego  prostownik  lub  zmian  rezystancji 
odbiornika 

służą stabilizatory napięcia. 

 
Filtry w 

układach prostowniczych.  

Do  najprostszych 

filtrów  należą  m.in. filtry  indukcyjne  i 

pojemnościowe. 

background image

Cewka  indukcyjna  o 

indukcyjności  L  stanowi  dużą  reaktancję 

dla 

składowej  zmiennej  prądu  wyprostowanego,  na  skutek 

czego 

następuje zmniejszenie tej składowej, oraz zmniejszenie 

maksymalnej 

wartości  prądu  wyprostowanego.  Występuje  też 

zjawisko 

przepływu  prądu  przez  czas  dłuższy  niż  pół  okresu

spowodowane oddawaniem energii zmagazynowanej w cewce 
w czasie narastania 

prądu. Skuteczność filtru jest tym większa, 

im 

większa  jest  indukcyjność  cewki.  Filtry  indukcyjne  stosuje 

się zwykle w układach dużej mocy (R

O

 <<< 

L). 

background image

Układ prostownika jednopołówkowego z filtrem pojemnościowym. 

 

W czasie  przewodzenia  diody  w  obwodzie 

płynie prąd  będący 

sumą  prądów  odbiornika  i  kondensatora.  W  chwili  t

1

  dioda 

przestaje 

przewodzić  i  rozpoczyna  się  wyładowanie 

kondensatora  przez  odbiornik  R

o

.  Proces  ten  trwa  do  chwili  t

2

kiedy 

następuje  zrównanie  napięcia  na  kondensatorze  z 

napięciem źródła. Dioda zaczyna wtedy ponownie przewodzić i 
proces  powtarza 

się.  Skuteczność  działania  filtru  jest  tym 

większa, im większy iloczyn R

0

C. Filtry takie 

najczęściej stosuje 

się w układach małej mocy ( R

O

 >1/(

C)