E
LEMENTY
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
(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 :
D
P
D
D
D
u
du
di
i
∆
=
∆
*
|
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).
1
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
-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 (średnia droga przebyta przez nośnik
między jego generacją a rekombinacją). 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*
τ
)
1/2
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:
2
0
2
1
kT
W
dT
d
g
i
i
=
σ
σ
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.
T
dT
d
5
,
1
1
−
=
σ
σ
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.
3
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:
4
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 (I
0
; U
0
) jest
równy różniczce funkcji opisującej zależność i od u:
gdzie przewodność dyfuzyjna:
Rezystancja dyfuzyjna (dla małych sygnałów przyrostowa, dynamiczna)
5
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
ω
(C
d
+ C
j
)
I
t
= I
a
+ I
dj
= Y * U
ab
|I
t
| = [ g
d
2
+
ω
2
( 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
U
T
Is
i
Cd
+
⋅
=
τ
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
n
τ
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.
UB
U
Cjo
Cj
−
=
1
Cj= C(U=0)
Ns
Cj ~
)
(U
d
S
o
Cj
⋅
⋅
=
ε
ε
Ns –
koncentracja domieszek domieszek obszarze słabiej domieszkowanym
Zależność graficzna pojemności od napięcia na złączu
13. Omówić właściwości diod rzeczywistych.
6
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
≈
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>):
7
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
≈
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
i
0
– 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.
8
i
S
i
G
u
T
i
1
i
2
i
3
i
u
T
T
0
T>T
0
14. Omówić wpływ temperatury na właściwości diody
- charakterystyka wsteczna
( )
(
)
[
]
0
0
1
T
T
U
T
U
Z
Z
Z
−
+
=
β
β
Z
<0 – ef. Zenera; βZ>0 – ef. Lawinowy; βZ≈0 – dla u = 4÷6V
kT
W
dT
di
i
i
g
G
G
G
2
1
2
0
=
⋅
=
γ
≈8%K
-1
kT
W
dT
di
i
i
g
G
S
S
2
0
1
=
⋅
=
γ
≈16%k
-1
- kierunek przewodzenia
T
G
U
U
u
A
i
0
exp
−
=
0
ln
G
U
A
i
q
kT
u
+
=
Dopuszczalna temperatura złącza:
P
R
T
T
th
a
j
⋅
+
=
th
a
j
R
T
T
P
−
=
max
max
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.
9
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
T
E
T
BE
ES
E
EB
E
eb
eb
eb
eb
e
U
i
U
u
I
i
du
di
g
U
U
g
I
−
=
−
−
=
=
⋅
=
eb
eb
e
g
więi
,
)
1
(exp
,
:
jako
na
zdefiniowa
wejśwejśc
ja
konduktanc
-
g
E
-
B
napięapi
i
emitera
prąrąd
amplitudy
-
,
I
gdzie
,
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
T
BE
BE
C
U
u
A
u
i
exp
)
(
21
⋅
=
,więc I
c
=-g
m
* U
eb
10
Oznacza to że w obwodzie wyjściowym generator prądowy o wydajności g
m
sterowany napięciem wejściowym.
Transkonduktancja g
m
jest zdefiniowana jako
T
C
BE
C
m
U
i
du
di
g
=
=
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
T
B
be
T
BE
BS
BE
B
BE
B
be
U
i
g
U
u
I
u
i
du
di
g
=
⇒
−
⋅
=
=
)
1
(exp
)
(
Dla obwodu wyjściowego :
be
m
T
BE
BE
C
b
CE
B
B
C
U
g
U
u
A
u
i
I
I
i
i
i
⋅
=
⇒
⋅
=
⋅
=
⇒
+
⋅
=
c
21
c
0
I
exp
)
(
I
)
(
β
β
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
:
(
)
je
de
eb
je
de
eb
m
U
e
c
fb
C
C
g
f
f
j
C
C
j
g
g
I
I
h
cb
+
Π
=
⋅
+
=
+
+
=
−
=
=
2
f
gdzie
1
)
(
0
α
α
α
ω
2
1
+
=
α
α
f
f
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:
11
Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowej zmiennej h
fe
:
)
(
2
f
gdzie
1
0
jc
je
de
m
U
b
c
fe
C
C
C
g
f
f
j
I
I
h
ce
+
+
Π
=
+
=
=
=
β
β
β
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 :
2
1
+
=
β
β
f
f
h
fe
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.
( )
α
β
β
f
f
f
f
f
h
f
T
p
p
fe
T
≈
⋅
≈
⋅
=
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
12
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).
M
C
i
i
C
+
=
β
β
1
1
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.
13
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
)
6
,
2
(
)
(
1
1
)
(
0
0
∈
−
=
⋅
+
⋅
=
η
α
η
CB
CB
CB
E
C
u
u
M
M
I
i
I
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
14
M
I
M
I
M
I
I
I
CB
CE
CB
CE
CE
⋅
−
⋅
=
⇒
⋅
+
⋅
=
α
α
1
)
(
0
0
0
0
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 :
15
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
16
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;
17
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:
1
κ
T
~
B
κ
≈
−
Wartość
κ
wynika z wpływu międzypowierzchni na mechanizm rozpraszania nośników.
Napięcie progowe zależy liniowo od temperatury:
( )
( )
mV/K
kilka
gdzie
1
0
−
=
∆
⋅
+
⋅
=
dT
dU
T
dT
dU
T
U
T
U
p
p
p
p
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
18
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-SiO
2
, 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
µ
0
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
19
-
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