background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.1 

 

Podstawy elektroniki. 

 

 ramach  wykładów  z  elektroniki  musimy  znać  wiele 
podstawowych  pojęć  z  podstaw  elektroniki.  W  tym  celu 

dokonamy  powtórki  z  tych  tematów  których  dobra  znajomość  jest 
niezbędna aby móc dobrze zrozumieć wykłady z elektroniki oraz działanie 
niektórych  elementów  półprzewodnikowych  (zwanych  też  czasem 
przyrządami  półprzewodnikowymi)  w  konkretnych  już  zastosowaniach.     
W naszym niesłychanie skróconym  wykładzie spróbujemy  możliwie łatwo 
wyjaśnić  pewne  zjawiska  zachodzące  w  półprzewodnikach,  ale  uwaga!! 
Prostota wykładu wiąże się ze znacznymi uogólnieniami pewnych zjawisk. 
Zaczniemy  od  podstaw  fizycznych  teorii  budowy  atomu  a  następnie 
przejdziemy do podstaw zasady działania elementów półprzewodnikowych. 
 

Teoria budowy atomu. 
 

Powstaje  pytanie  czy  elektronik  powinien  orientować  się                

w podstawach budowy atomu. W praktyce nie jest to może konieczne, lecz 
aby  móc  swobodnie  poruszać  się  w  zagadnieniach  technologii 
półprzewodników  niezbędne  jest  rozumienie  najbardziej  podstawowych 
praw teorii budowy materii. Stąd też niniejszy rozdział. 
 

Dla  naszych 

rozważań 

wystarczy 

przypomnienie  dwóch 

podstawowych  modeli  atomu.  Starszej  teorii  stworzonej  przez  duńskiego 
fizyka  Nielsa  Bohra  w  1913  roku  w  której  wszelkie  cząstki  wchodzące        
w  skład  atomu  są  ciałami  materialnymi,  stąd  też  podlegają  prawom 
mechaniki  kwantowej  bardzo  zbliżonej  do  tradycyjnej  mechaniki.  Drugą 
ważną  dla  zrozumienia  zjawisk  zachodzących  w  półprzewodnikach  teorią 
jest  teoria  De  Broglie’a  gdzie  elektron  nie  jest  cząstką  a  falą 
elektromagnetyczną  i  podlega  prawom  fizyki  falowej.  Obie  te  teorie 
doskonale  się  uzupełniają  i  pozwalają  opisać  większość  zjawisk 
interesujących nas przy omawianiu teorii półprzewodników. 
 

Teoria budowy atomu N.Bohra. 

 

Niels  Bohr  opracował  swoją  teorię  budowy  atomu  dla  atomu 

wodoru.  Przyjął  jako  punkt  wyjścia  wcześniejszą  teorię  Rutheforda 
(angielskiego fizyka), że atom wodoru składa się z protonu o ładunku (+e) 
oraz jednego elektronu o ładunku (-e). 
W  tej  najprostszej  sytuacji  rozważenie  dynamiki  układu  jest  stosunkowo 
proste.  Na  elektron  krążący  po  kołowej  orbicie  działają  dwie  siły;  jedna 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.2 

odśrodkowa  mająca  wymiar  zgodnie  z  zasadami  konwencjonalnej 
mechaniki: 

F

m v

r

odœr

1

2

 

druga  dośrodkowa  wynikająca  z  przyciągania  się  ładunków  o  znakach 
przeciwnych: 

F

Q Q

r

doœr

r

 

1

2

0

2

4 

 

gdzie obie te siły mają znak ujemny wynikający z faktu ich  zwrotu, tj. do 
środka okręgu. Stąd też elektron będzie miał energię: 

W = W

k

 + W

p

 

Jeżeli teraz jako energię kinetyczną  przyjmiemy: 

W

m v

k

1

2

2

- gdzie m jest masą a v prędkością cząstki 

zaś  jako  energię  potencjalną  zależną  od  położenia  cząstki  (elektronu             
o ładunku Q

1

) względem jądra atomu (o ładunku Q

2

): 

W

Q Q

r

p

r

1

2

0

4 

- gdzie r jest odległością cząstki od jądra. 

Przyrównując  do  siebie  te  siły  dla  stanu  równowagi  otrzymamy  wzór  na 
promień orbity: 

r

Q Q

m v

r

1

2

0

1

2

4 

 

Otrzymany  wzór  jest  niezwykle  istotny  i  warto  o  nim  pamiętać.  Dla 
ustalonych  wartości  ładunków  Q

1

  i  Q

2

    oraz  stałych  wartości  pozostałych 

wielkości widzimy zależność r od v oraz widzimy, że r będzie przyjmować 
pewne  określone  wartości.  Wstawiając  teraz  otrzymany  wzór  do  wzoru na 
energię kinetyczną po przekształceniu go do postaci: 

v

Q Q

m r

r

2

1

2

0

1

4

 

 

otrzymamy: 

W

W

W

Q Q

r

k

p

r

1

2

0

8 

 

Tak  więc  zmiana  energii  cząstki  pociąga  za  sobą  zmianę  jej  odległości  od 
jądra  i  odwrotnie.  Oznacza  to,  że  dostarczenie  cząstce  dodatkowej  energii 
powoduje  zmianę  jej  orbity  na  dalszą  od  jądra  atomu,  zaś  jej  powrót  na 
niższą  orbitę  wyzwala  pewną  porcję  energii  (kwant  energii).  Pytanie  teraz   
w jakiej postaci ta energia zostanie wydzielona przez atom. Jest to z reguły 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.3 

fala  elektromagnetyczna  o  pewnej  długości  (częstotliwości).  To  zjawisko 
wykorzystywane jest często do tworzenia przyrządów półprzewodnikowych 
emitujących  promieniowanie  widzialne lub  w  zakresach  podczerwieni.  Jak 
to się dzieje omówimy nieco dalej. 
Sytuację  zmiany  stanu  energetycznego  elektronu  ilustruje  poniższy 
przykład, gdzie do układu zrównoważonego jakim jest stabilny atom zostaje 
dostarczona pewna porcja energii W powodująca zmianę orbity elektronu. 

Jak  widzimy  na  rysunku  elektron  uzyskując  dodatkową  energię  zmienił 
orbitę z pierwszej na czwartą. Ale ten stan jest na ogół nietrwały, elektron 
będzie  dążył  do  powrotu  na  swoją  orbitę  stacjonarną.  Wracając  odda 
nadwyżkę 

energii 

W, 

postaci 

energii 

promieniowania 

elektromagnetycznego  czyli  fali  elektromagnetycznej.  Jakie  prawa  będą 
rządziły tymi zjawiskami? W ramach swojej teorii Niels Bohr wykorzystał 
wcześniejsze  badania    nad  promieniowaniem  ciała  doskonale  czarnego 
prowadzone  przez  M.  Plancka.  Wyniki  tych  badań  uwzględnił  w  swojej 
teorii.  Jest  ona  dla  elektroniki  niezwykle  istotna,  pozwala  zrozumieć 
mechanizmy zachodzące w półprzewodnikach.  

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.4 

 
Teoria N.Bohra przyjmuje następujące założenia : 
 

1.  atom może znajdować się jedynie w ściśle określonych stanach 

stacjonarnych w których nie promieniuje energii. Inaczej rzecz 
biorąc elektron nie może krążyć po dowolnej orbicie, lecz tylko 
po  tych,  dla  których  kręt  (moment  pędu)  jest  wielokrotnością 
stałej Plancka podzielonej przez 2 

mvr = 

nh

2

 = n

h

2

 mvr = n

  gdzie:  

 

h

2

, n= 1,2,3,... 

2.  energia  atomu  nie  może  być  dowolna  lecz  jest  kwantowana        

i wynosić może tylko i wyłącznie:  

W = 

nh

  =1,2,3,......... 

 gdzie  h-jest  stałą  Plancka  o  wartości  h  = 

6

10

34

,625 

[Js]     

natomiast 

  jest  częstotliwością  fali  elektromagnetycznej 

elektronu. Oznacza to, że istnieją tylko ściśle dozwolone stany 
energetyczne  atomu.  Pozostałe  stany  są  zabronione,  atom         
(a więc i elektron nie mogą się w nich znaleźć). 

3.  warunkiem  wypromieniowania  energii  jest  przejście  atomu  ze 

stanu  o  energii  wyższej  W

2

  do  stanu  o  energii  niższej  W

1

  co 

opisuje równanie: 

W

2

 - W

1

 = 

h

 

    

  

W

W

h

2

1

 

 

Z  powyższych  założeń teorii  Bohra  wynika  wiele  wniosków,  istotnym  dla 
elektroników  jak  się  przekonamy  w  dalszej  części  jest  fakt  możliwości 
określenia  długości  fali  emitowanej  w  postaci  fotonu  gdy  atom  zmienia 
swój stan energetyczny. 

c

 

Teoria Nielsa Bohra pozwala stosować ze znacznym przybliżeniem zasady 
mechaniki  klasycznej  w  fizyce  atomowej.  Jednak  nie  wszystkie  zjawiska 
dają się tak prosto definiować. Stąd też do dokładnego opisu zjawisk fizyki 
atomu stosuje się mechanikę kwantową.  
Drugą  ważną  dla  naszych  rozważań  teorią  jest  teoria  De  Broglie’a 
powiązana  w  sposób  istotny    z  podstawowym  równaniem  mechaniki 
kwantowej - równaniem Schrödingera. 
 
 
 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.5 

 
Hipoteza De Broglie’a. 
 
 

Ponieważ  teoria  Bohra  używała  do  opisu  stanu  atomu 

podstawowych praw fizyki oraz mechaniki klasycznej występowały pewne 
odchylenia wyników pomiędzy teorią a doświadczeniem. Prawa mechaniki 
kwantowej  różnią  się  przecież  od  znanych  reguł  mechaniki  klasycznej. 
Znacznym  przybliżeniem  do  stanu rzeczywistego  była  teoria  de  Broglie’a. 
Zgodnie  z  tą  hipotezą  elektronowi  o  pędzie    m

  przypisujemy  falę           

o długości: 

h

m

 

Tak  więc  zamiast  mówić  o  ruchu  elektronu  wewnątrz  atomu  po  stałej 
orbicie rozpatrywać  będziemy ruch ciągu fal de Broglie’a przypisanych do 
tego elektronu. Jednocześnie powstaje pytanie jaki to będą fale? Gdyby na 
orbicie  powstały  fale  o  ułamkowej  długości  to  nawzajem  osłabiały  by  się      
i wygasły w krótkim czasie. Tylko fale o długości będącej wielokrotnością 
drogi  którą  przebywają  są  falami  stojącymi  a  więc  falami  stacjonarnymi. 
Tak więc wynika warunek następujący: 

2

2

2

r

n

n

h

m r

nh

 

Tak  więc  otrzymaliśmy  wcześniej  postawiony  postulat  Bohra.  Obie  więc 
teorie  są ze  sobą  zgodne i  uzupełniają  się  wzajemnie.  Postulat  postawiony 
przez de Broglie’a brzmi: 
elektron  krąży  wokół  jądra  atomu  przez  czas  nieograniczenie  długi  nie 
promieniując  przy  tym  energii  na  zewnątrz  pod  warunkiem,  że  jego orbita 
zawiera całkowitą liczbę długości fale Broglie’a związanych z elektronem.
 
Postulat ten łączy więc w sobie falowe i korpuskularne własności elektronu 
jest to więc po teorii światła drugi przykład dwoistości zjawisk fizycznych. 
 
Budowa i model pasmowy półprzewodników. 
 

Półprzewodniki z reguły są ciałami stałymi (lecz nie jest to reguła) 

których  atomy  rozmieszczone  są  w  sieci  krystalicznej.  Podstawowymi 
półprzewodnikami  naturalnymi  są:  krzem  i  german,  znajdujące  się               
w  czwartej  grupie  układu  okresowego.  Lecz  półprzewodników  istnieje 
oczywiście  o  wiele  więcej.  Zarówno  półprzewodników  naturalnych, 
występujących    w  przyrodzie  jak  i  tworzonych  w  sposób  sztuczny  
laboratoryjnie. Takimi półprzewodnikami są np. tlenki i siarczki niektórych 
metali jak Cu

2

O, ZnO, PbS oraz związki międzymetaliczne jak InSb, GaAs, 

HgTe.  

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.6 

 

Co  to  jest  półprzewodnik  i  czym  różni  się  od  przewodnika?  Aby 

wytłumaczyć  oraz  zrozumieć  tą  różnicę  zastanówmy  się  nad  zjawiskiem 
przewodzenia 

prądu 

elektrycznego. 

Zarówno 

metalach 

jak                         

i  w  półprzewodnikach  przewodzenie  prądu  ma  charakter  elektronowy. 
Oznacza  to,  że  w  przewodzeniu  prądu  udział  biorą  elektrony  obdarzone 
najmniejszą  możliwą  porcją  ładunku  elektrycznego  o  znaku  ujemnym. 
Jeżeli  nasz  półprzewodnik  lub  metal  ma  budowę  krystaliczną  to  możemy 
sobie  wyobrazić  siatkę  przestrzenną  zbudowaną  z  jonów  dodatnich  oraz 
pewnego  rodzaju  gazu  elektronowego  czyli  prawie  swobodnych 
elektronów.  Elektrony  poruszają  się  bezładnie  a  ich  ruchliwość  oraz  ilość 
zależą od temperatury, im jest wyższa temperatura tym bardziej intensywny 
ruch  elektronów.  Przyłożenie  teraz  do  naszego  przewodnika  lub 
półprzewodnika  różnicy  potencjałów  spowoduje  uporządkowanie  tego 
ruchu  czyli  ruch  elektronów  w  kierunku  potencjału  wyższego.  Jest  to 
właśnie  prąd  elektryczny.  Tak  więc  do  przewodzenia  prądu  elektrycznego 
niezbędnym  jest  istnienie  swobodnych  elektronów  znajdujących  się  w  tak 
zwanym  paśmie  przewodnictwa.  Pozostałe  elektrony  nie  biorące                 
w  przewodzeniu  prądu  udziału  pozostają  na  swoich  orbitach,  czyli  jak  to 
określamy pozostają    w paśmie podstawowym. Co to są te pasma? Aby to 
wyjaśnić sięgniemy znowu do teorii budowy atomu, czyli do poprzedniego 
rozdziału.  
 
Model energetyczny półprzewodników. 

 

W  naszym  modelu  atomu  germanu  elektrony  krążą  po  orbitach  wokół 
dodatnio  naładowanego  jądra.  Zajmują  one  odpowiednie  orbity  a  więc         
i  poziomy  energetyczne,  oddzielone  od  siebie  przedziałami  energii             
w  których  elektrony  nie  mogą  się znaleźć  (przedziały,  pasma zabronione). 
Położenie  elektronu na  danym  poziomie  określone  jest  przez  cztery  liczby 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.7 

kwantowe  i  zgodnie  z  zasadą  Pauliego  jakiekolwiek  dwa  elektrony 
wchodzące  w  skład  atomu  nie  mogą  mieć  wszystkich  liczb  kwantowych 
takich  samych.  Im  dalej  od  jądra  znajduje  się  warstwa  elektronów  tym 
większą  ma  ona  energię.  Poszczególne  warstwy  zastały  oznaczone 
kolejnymi  literami:  K,  L,  M,...itd.  Ostatnia  warstwa  decyduje  głównie         
o  właściwościach  chemicznych  atomu  oraz  o  jego  widmie  optycznym. 
Elektrony  tej  warstwy  nazywamy  elektronami  walencyjnymi  i  one  właśnie 
są odpowiedzialne za przewodzenie prądu elektrycznego. 
Jeżeli  teraz  dokonamy  analizy  graficznej  położenia  warstw  elektronów        
o  jednakowej  energii  oraz  przyporządkujemy  je  odległości  od  jądra  atomu 
to otrzymamy następujący wykres: 
 

 

 
Jest to wykres energetyczny pojedynczego atomu. Co jednak się dzieje gdy 
mamy  do  czynienia  z  kryształem  germanu,  czyli  atomami  umieszczonymi   
w  siatce  krystalicznej.  Okazuje  się  mianowicie,  że  w  przypadku  takiego 
kryształu  mamy  do  czynienia  z  siatką  dodatnich  jonów  oraz  chmurą 
elektronów  warstwy  walencyjnej  w której znajdują się wszystkie elektrony 
ostatniej  warstwy.  Ta  chmura  elektronowa  zapewni  nam  właśnie 
przewodnictwo elektryczne.  
Jest  to  właśnie  pasmo  podstawowe  powyżej  którego  (energetycznie) 
znajduje się pasmo przewodnictwa. Czyli do zapewnienia przepływu prądu 
elektrycznego  musimy  dostarczyć  do  kryształu  a  więc  i  atomu  dodatkową 
energię, najczęściej  jest  to  energia  cieplna  przenosząca  elektrony  z  pasma 
podstawowego
 do wyższego pasma przewodnictwa

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.8 

Na wykresie energetycznym będzie to wyglądało w sposób następujący: 
 

 

 

Jednowymiarowy model pasmowy ciała stałego 

 

Teraz mając gotowy model pasmowy w oparciu o niego możemy rozważyć 
co  będziemy  nazywali  półprzewodnikiem,  co  izolatorem  i  wreszcie 
metalem  (przewodnikiem).  Podział  ten  jest  całkowicie  umowny  i  nie  do 
końca  prawdziwy.  Lecz  przyjęto  stosowanie  określonych  pojęć  stosując 
jako  punkt  odniesienia  szerokość  pasma  zabronionego  w  temperaturze 
0

0

[K]. 

 
 

 
 
Jak rozumieć  pojęcie  pasma  zabronionego  mniejszego  od  2  [eV]  wyjaśnia 
poniższy rysunek na którym zostały zebrane różne półprzewodniki i metale. 

 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.9 

 

Jak widzimy sztywna reguła 2 [eV] nie jest zachowana w przypadku węgla 
gdzie pasmo zabronione ma ponad 5 [eV], a jednak węgiel wykazuje cechy 
półprzewodnika.  Podobnie  jest  także  z  wieloma  innymi  związkami 
chemicznymi, zwłaszcza stosowanymi w nowoczesnych technologiach. Co 
jednak dzieje się, że półprzewodniki mające podobnie jak izolatory pasmo 
przewodnictwa  puste  przy  temperaturze  O  [K]  przewodzą  prąd  i  mają 
pewne określone właściwości. 
 

Otóż  kluczem  jest  właśnie  mała  szerokość  pasma  zabronionego. 

Pod  wpływem  niewielkiej  ilości  energii  elektrony  z  pasma  podstawowego 
mogą  być  przeniesione  do  pasma  przewodnictwa,  wystarcza  do  tego  celu 
podniesienie  temperatury  powyżej  0  [K].  Oznacza  to,  że  na  przykład            
w  temperaturze  pokojowej  znaczna  ilość  elektronów  uzyskuje  możliwość 
takiego  przejścia.  Przechodząc  do  pasma  przewodnictwa  pozostawiają        
w pasmie podstawowym jon naładowany dodatnio zwany dziurą. Efekt ten 
nazywamy  generacją  pary  elektron  -  dziura.  Jednak  elektron  taki  po 
pewnym  czasie  traci  swoją  nadwyżkę  energii  (np.  na  skutek  zderzeń             
z innymi elektronami) i wraca do pasma podstawowego. Zachodzi wówczas 
tzw.  rekombinacja  pary  elektron  -  dziura.  Tak  więc  ilość  elektronów 
znajdujących  się  w  pasmie  przewodnictwa  zależy  od  ciągłej  generacji 
cieplnej
  par  elektron  -  dziura.  Taka  sytuacja  zachodzi  w  przypadku 
półprzewodników samoistnych gdzie generacja zachodzi pomiędzy pasmem 
podstawowym a pasmem przewodnictwa. 
Schematycznie  możemy  tą  sytuację  wyobrazić  sobie  jak  na  rysunku 
zamieszczonym poniżej. Pokazana jest generacja pary  elektron dziura oraz 
układ  sieci  krystalicznej  germanu  w  takiej  sytuacji  (dla  ułatwienia  jako 
schemat dwuwymiarowy. 
 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.10 

 

 
 
Przedstawiona  powyżej  sytuacja  zachodzi  o  wiele  łatwiej  gdy  mamy  do 
czynienia ze zniekształconą siecią krystaliczną. W przyrodzie sieci idealne 
nie  występują,  a  więc  półprzewodniki  samoistne  występujące  w  stanie 
naturalnym mają z reguły sieć krystaliczną odkształconą. 
 

Jednak nie  zawsze  możemy  liczyć  tylko  na  zjawiska  występujące 

w  półprzewodnikach  samoistnych.  Ich  energetyczna  sprawność  jest 
stosunkowo  niska  (niewielka  ilość  swobodnych  nośników),  oznacza  to 
stosunkowo  dużą  rezystywność  takiego  półprzewodnika.  Dlatego  też 
modyfikuje  się  półprzewodniki  samoistne  wprowadzając  w  ich  siatkę 
krystaliczną  inne  pierwiastki  pozwalające  na  poprawienie  sprawności 
energetycznej 

półprzewodnika. 

Taki 

właśnie 

proces 

nazywamy 

domieszkowaniem
 

Na 

czym 

polega 

ulepszenie 

półprzewodnika 

poprzez 

domieszkowanie? Jak wspomniałem poprzednio o wiele łatwiej jest uzyskać 
swobodne  nośniki  przy  deformacji  sieci  krystalicznej,  wymagają  one 
mniejszej  energii  przy  przeniesieniu  do  pasma  przewodzenia.  Są  one  już 
wyrwane ze swoich pozycji  w łączeniach atomowych. Jeżeli teraz do sieci 
kryształu wprowadzę atom posiadający więcej elektronów niż wymaga tego 
proces  wiązania  w  sieci  (konieczne  są  tylko  cztery  elektrony!)  i  będzie  to 
np. atom fosforu (antymonu, bizmutu itp. z piątej grupy układu okresowego 
Mendelejewa)  mający  pięć  elektronów  na  ostatniej  orbicie  to  zostaje  nam 
jeden  swobodny  elektron.  Aby  go  przenieść  do  pasma  przewodzenia 
musimy  dostarczyć  znacznie  mniejszej  energii  niż  w  wypadku  gdy  taki 
elektron  wyrywamy  z  sieci  krystalicznej.  Schematycznie  taką  sytuację 
możemy sobie tak wyobrazić: 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.11 

 

Półprzewodnik  tak  domieszkowany  będzie  miał  więcej  swobodnych 
elektronów,  stąd  też  będziemy  mówili  o  nadmiarowych  nośnikach 
ujemnych  -  elektronach  i  prądzie  elektronowym  płynącym  w  takim 
półprzewodniku.  Na  schemacie  energetycznym  widzimy  wyraźnie,  że 
poziom energetyczny donorów czyli naszych elektronów jest bardzo blisko 
dna pasma przewodzenia. Stąd też i energia niezbędna do ich przeniesienia 
do  pasma  przewodzenia  jest  znacznie  mniejsza  od  energii  niezbędnej  do 
przeniesienia  takiego  samego  elektronu  z  pasma  podstawowego  do  pasma 
przewodzenia.  

Tego  rodzaju  domieszkowanie  nazywamy  domieszkowaniem 

donorowym  -  podkreśliłem  wyraźnie  słyszalną  literę  n”  co  ułatwia 
zapamiętanie,  że  tego  typu  półprzewodnik  jest  określany  jako 
półprzewodnik typu -n. 
 

Możemy sobie wyobrazić również sytuację odwrotną  , tj. taką gdy 

do  półprzewodnika  samoistnego  wprowadzimy  pierwiastek  o  liczbie 
elektronów  na  ostatniej  orbicie  mniejszej  niż  cztery.  Niech  to  będzie 
pierwiastek  z  grupy  trzeciej  układu  okresowego-Ind  (In,  mający 
wartościowość +3). 

 

Tak otrzymany półprzewodnik jest określany jako półprzewodnik typu „p” 
czyli  nośnikami  nadmiarowymi  są  dziury  -  czyli  nośniki  dodatnie,  zaś 
wprowadzone poziomy nazywamy poziomami akceptorowymi- i znowu dla 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.12 

ułatwienia  pamiętamy  „p”  słyszane  wyraźnie  w  słowie  akceptor. 
Akceptorami  czyli  pierwiastkami  wprowadzającymi  poziomy  akceptorowe 
są wszystkie pierwiastki grupy trzeciej tj. ind(In), aluminium (Al), gal (Ga) 
i bizmut (B). 
 

Ale  czy  w  półprzewodnikach  mamy  do  czynienia  tylko                   

z  nośnikami  większościowymi?.  Otóż  musimy  pamiętać,  że  zawsze             
w  naszym  półprzewodniku  zachodzą  zjawiska  generacji  par  elektron  - 
dziura  w  obrębie  półprzewodnika  samoistnego,  wywołane  na  ogół 
temperaturą  półprzewodnika.  Powoduje  to  zjawisko  istnienia  nośników 
odmiennych  od  większościowych        z  czym  musimy  się  zawsze  liczyć. 
Nośniki  te  zwane  mniejszościowymi  będą  oddziaływały  na  omawiane         
w części dalszej działanie przyrządów półprzewodnikowych. Gdy mówimy 
o  występujących  w  półprzewodnikach  poziomach  energetycznych  nie 
możemy  pominąć  niezwykle  istotnego  w  charakteryzowaniu  własności 
danego  półprzewodnika  poziomu  energetycznego  Fermiego.  Co  to  jest  ten 
poziom Fermiego? Najogólniej rzecz biorąc nie wdając się  w szczegółowe 
wyprowadzenia możemy powiedzieć, że: 
 poziomem    Fermiego    nazywamy    taki  poziom    energetyczny    którego  
obsadzenie   przez  elektron  w  temperaturze  T  >  0 [K]  wynosi  1/2.
 
Poziom  ten  jest  o  tyle  istotny,  że  charakteryzuje  on  przede  wszystkim 
koncentracje swobodnych nośników ładunku w półprzewodniku przy danej 
temperaturze.  Na  wykresie  pasmowym  będzie  to  wyglądało  w  sposób 
następujący: 

 

Jak  widzimy  położenie  poziomu  Fermiego  w  półprzewodnikach 
domieszkowanych  wskazuje  na  typ  domieszkowania,  dla  półprzewodnika 
typu „n” poziom Fermiego F

n

 jest bliżej pasma przewodnictwa, dla typu „p” 

poziom  F

p

  bliżej  pasma  podstawowego;  i  tym  bliżej  danego  pasma  im 

wyższy  poziom  domieszkowania,  czyli  więcej  atomów  domieszki               
w  półprzewodniku  samoistnym.  Jednocześnie  położenie  tego  poziomu 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.13 

mówi nam o ilości niezbędnej energii aby  wytworzyć nośniki nadmiarowe 
pozwalające na przewodzenie prądu elektrycznego. 
 
Złącze p - n i jego parametry. 
 

W  tym  miejscu  należy  przypomnieć,  że  półprzewodnik  jako  taki 

nie  jest  elementem  mającym  właściwości  prostownika  lub  jakiegokolwiek 
elementu  aktywnego.  Jest  materiałem  przewodzącym  prąd,  o  określonej 
rezystywności zależnej od domieszkowania. Dopiero gdy powstanie złącze 
półprzewodnika  z  innym  półprzewodnikiem  lub  metalem  możemy 
spodziewać  się,  że  jako  wynik  takiego  oddziaływania  uzyskamy  przyrząd 
półprzewodnikowy w postaci diody, tranzystora, tyrystora itp. 
 

Wiemy  już,  że  istnieją  dwa  podstawowe  typu  półprzewodników 

domieszkowanych. 

Jeżeli 

teraz 

spowodujemy 

powstanie 

złącza 

zbudowanego  z  tych  półprzewodników  mówimy,  że  powstało  złącze  p-n. 
Model pasmowy takiego złącza wygląda następująco: 

 

 

 Złącze p-n niespolaryzowane 

 

Charakterystycznymi  punktami  naszego  modelu  są  poziomy  energetyczne 
uwidocznione na rysunku. Podstawowym punktem odniesienia jest poziom 
Fermiego  przebiegający  jako  linia  prosta,  bliżej  pasma  podstawowego       
w półprzewodniku typu „p” oraz pasma przewodnictwa dla półprzewodnika 
typu „n”. Drugim ważnym punktem jest różnica poziomów energetycznych 
pomiędzy półprzewodnikami „p” i „n”. Wynosi ona:  W = 

q U

d

. Gdzie 

przez  U

d

  oznaczono  napięcie  dyfuzyjne  występujące  pomiędzy  obszarami 

„p” i „n”.  

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.14 

W obszarach domieszkowanych  widzimy nośniki większościowe, dodatnie 
w  półprzewodniku  typu  „p”  zaś  ujemne  w  typu  „n”.  Jednak  oprócz  tych 
nośników  widzimy  pochodzące  głównie    z  generacji  termicznej                  
w  półprzewodniku  par  elektron  -  dziura,  nośniki  mniejszościowe 
występujące  zawsze  dla  temperatur  większych  od  T  =  0  [K].  Nośniki 
mniejszościowe  występują  jak  widzimy  dodatnie  w  półprzewodniku  typu 
„n”  i  ujemne  w  „p”.  Oczywiście  w  wyniku  generacji  par  elektron  dziura 
powstały  także  odpowiednie  nośniki  mniejszościowe  o  przeciwnych 
znakach, ale tworzą one wraz z nośnikami większościowymi wspólną grupę 
i  nie  wyodrębniają  się  od  pozostałych.  Nie  możemy    o  nośnikach 
mniejszościowych  zapominać,  odgrywają  one  znaczącą  rolę  w  pracy 
naszego przyrządu i to negatywną 
 

Jeżeli  teraz  do  naszego  złącza  doprowadzimy  napięcie  stałe            

i  złącze zostanie  spolaryzowane  to  wówczas  stwierdzimy,  że  w  zależności 
od kierunku tej polaryzacji prąd popłynie przez złącze lub też nie. 
 

 

                
 

Złącze p-n spolaryzowane                 Złącze p-n spolaryzowane 

   w kierunku zaporowym                   w  kierunku przewodzenia 

 

Gdy  złącze  p-n  spolaryzujemy  w  kierunku  zaporowym,  nośniki 
większościowe  w  obszarach  domieszkowanych  zostaną  przeniesione 
zgodnie  z  polaryzacją,  czyli  z  obszaru  „p”  w  kierunku  bieguna  ujemnego 
zasilania a z obszaru „n” w kierunku bieguna dodatniego. W złączu tworzy 
się  szeroka  warstwa  zaporowa  o  dużej  różnicy  poziomów  energii  (co 
widzimy  na  modelu  pasmowym)  uniemożliwiająca  przepływ  prądu 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.15 

elektrycznego.  Różnica  poziomów    energetycznych  warstwy    zaporowej 
wynosi  W  =  qU

d

  +  U.  Tak  duża  różnica  poziomów  uniemożliwia  ruch 

elektronów  w  inną  stronę  niż  polaryzacja  złącza.  Jak  widzimy  w  paśmie 
przewodzenia  na  modelu  pasmowym  istnieje  wyraźnie  bardzo  wysoki 
„schodek” przez który elektrony nie mogą przejść. Podobnie jest w paśmie 
podstawowym  z  nośnikami  ładunku  dodatniego  jakimi  są  dziury.  Ale 
właśnie  teraz  widać  skutki  istnienia  w  półprzewodniku  nośników 
mniejszościowych.  
 

W obszarze „p” na skutek generacji termicznej par elektron-dziura 

wytworzyły  się  ujemne  nośniki  mniejszościowe,  tj.  elektrony  w  paśmie 
przewodzenia.  Zgodnie  z  polaryzacją  złącza  nośniki  te  zmierzać  będą  do 
dodatniego  bieguna  zasilania,  płynąc  przy  tym  przez  obszar  warstwy 
zaporowej złącza. Identyczna sytuacja powstaje w obszarze typu „n”, gdzie 
powstają  generowane  mniejszościowe  dziury,  kierujące  się  następnie  do 
bieguna  ujemnego  poprzez  obszar  złącza.  Tak  więc  widzimy,  że  przez 
złącze  spolaryzowane  zaporowo  jakiś  niewielki  prąd  jednak  popłynie. 
Wielkość  tego  prądu  zależy  od  ilości  nośników  mniejszościowych  a  ta 
ogólnie  rzecz  biorąc  zależy  od  temperatury.  Im  wyższa  temperatura 
półprzewodnika  tym  więcej  mamy  generowanych  par  elektron  -  dziura,       
a więc i większy prąd płynący przez złącze w kierunku zaporowym. 
 

Gdy  złącze  p-n  spolaryzujemy  w  kierunku  przewodzenia,  nośniki 

większościowe  razem  z  generowanymi  nośnikami  mniejszościowymi 
poruszają  się  zgodnie z  kierunkiem  polaryzacji,  przepływając  przez złącze 
w którym  warstwa zaporowa jest mała. Podobnie jest z różnicą poziomów 
energetycznych.  Jak  widzimy  na  modelu  pasmowym  różnica  poziomów 
wynosi:  W  =  qU

d

  -  U.  Jest  więc  znacznie  mniejsza  niż  w  kierunku 

zaporowym.  Pozwala  to  na  swobodny  ruch  nośników,  a  więc  i  swobodny 
przepływ  prądu  elektrycznego.  Oczywiście  nasz  półprzewodnik  jest 
elementem  posiadającym  określoną  rezystancję  co  uwidoczni  się  na 
charakterystykach  naszego  złącza.  Jak  będą  one  wyglądały.  Najpierw 
zobaczmy charakterystykę złącza idealnego. 
 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.16 

Przedstawiona charakterystyka idealnego złącza p-n wyraźnie ukazuje nam 
zasadnicze  różnice  w  prądach  i  napięciach  w  złączu  przy  różnych 
polaryzacjach  tego  złącza.  W  kierunku  przewodzenia  mamy  do  czynienia      
z szybkim narastaniem prądu w miarę wzrostu napięcia, gdzie maksymalny 
spadek  napięcia  na  złączu  w  kierunku  przewodzenia  jest  mniejszy  od          
1  [V].  Przyjmuje  się  dla  większości  złącz  p-n,  że  w  przypadku  złącza 
wykonanego  z  krzemu  spadek  napięcia  w  kierunku  przewodzenia  wynosi 
około  0,7  [V],  dla  germanu  około  0,4  [V].  Dla  zaporowego  kierunku 
polaryzacji  prąd  płynący  przez  złącze  jest  minimalny,  jako  wynik  ruchu 
nośników  mniejszościowych  i  jego  wartość  praktycznie  nie  zależy  od 
napięcia,  do  pewnych  granic.  Złącza p-n mogą  wytrzymywać  bardzo  duże 
napięcia  w  kierunku  zaporowym,  od  kilkudziesięciu  woltów  aż  do  kilku 
kilowoltów  w  zależności  od  technologii  wykonania  złącza.  Jedynym 
czynnikiem  wpływającym  na  wartość  prądu  w  kierunku  zaporowym  jest 
temperatura  złącza.  Jak  wygląda  zależność  charakterystyki  złącza  p-n  od 
temperatury przedstawia poniższy rysunek. 
 
 

 
Jak  widzimy  wpływ  temperatury  złącza  na  jego  parametry  jest  znaczny. 
Szczególnie wyraźnie widać to na charakterystykach kierunku zaporowego. 
Dla  kierunku  przewodzenia  zmiany  są  mniej  wyraźne  i  zarazem  mniej 
znaczące  w  zastosowaniach  praktycznych.  Czy  tylko  wpływ  temperatury 
będzie nas interesował jako  czynnik działający na złącze i jego parametry. 
Rozpatrując  stan  polaryzacji  w  kierunku  zaporowym  stwierdzamy,  że  dla 
pewnej wartości napięcia wstecznego prąd płynący przez złącze gwałtownie 
rośnie po czym następuje uszkodzenie złącza. Co dzieje się w tym obszarze. 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.17 

Wracając  do  modelu  pasmowego  możemy  sobie  wyobrazić  tę  sytuację 
następująco: 
 

 

 

Wzrost  napięcia  polaryzującego  złącze  przy  pewnej  wartości  powoduje 
obniżenie  się  dna  pasma  przewodnictwa  obszaru  „n”  do  poziomu 
wierzchołka pasma podstawowego obszaru półprzewodnika typu „p”. W tej 
sytuacji  co  widać  na  naszym  modelu  pasmowym;  przejście  elektronu           
z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa nie wymaga dodatkowej 
energii.  Przejście  to  odbywa  się  na  tym  samym  poziomie  energetycznym, 
zgodnie  z  kierunkiem  polaryzacji  złącza  p-n.  Tego  rodzaju  przejście 
elektronu  nazywamy  przejściem  tunelowym.  Zjawisko  to  nazywa  się 
zjawiskiem jonizacji elektrostatycznej lub częściej zjawiskiem Zenera, prąd 
płynący  w  złączu  nazywamy  prądem  Zenera.  Przyjmuje  się,  że  zjawisko 
Zenera  występuje  gdy  w  półprzewodniku  występują  natężenia  pola 
elektrycznego  rzędu  10

6

  [V/cm].  Rozpatrując  nasz  przykład  należy 

wspomnieć,  że  dalszy  wzrost  napięcia  polaryzującego  zwiększa  wielkość 
prądu  Zenera,  czyli  coraz  więcej  elektronów  dokonuje  przejścia 
tunelowego.  Na  swojej  drodze  elektrony  te  napotykają  atomy  sieci 
krystalicznej  półprzewodnika  i  powodują  na  skutek  zderzeń  wybijanie 
następnych  elektronów.  Zjawisko  przekształca  się  szybko  w  lawinowe 
narastanie  ilości  elektronów  tunelujących  i  gwałtowny  wzrost  prądu 
płynącego przez złącze. Pojawia się wówczas tzw. powielanie lawinowe co 
powoduje na ogół zniszczenie złącza. 
 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.18 

Złącza półprzewodnikowe o specjalnych właściwościach. 
Złącza o dużych koncentracjach domieszek. 
 
W  ramach  tworzenia  złącz  p-n  wytwarza  się  również  złącza  o  bardzo 
dużych  koncentracjach  domieszek.  Działania  tego  typu  powodują 
powstawanie  złącz  o  specyficznych  właściwościach.  Konieczność  tego 
rodzaju  działalności  pojawiła  się  już  w  chwili  gdy  zostało  zbadane               
i  wykorzystane  zjawisko  Zenera do  budowy  diod  stabilizujących  napięcie. 
Typowe  złącze  p-n  jak  już  wiemy  wytrzymuje  w  kierunku  zaporowym 
dosyć  znaczne  napięcia.  Praktyka  zmusza  nas  do  tworzenia  przyrządów 
półprzewodnikowych  pracujących  w  znacznie  niższym  zakresie  napięć. 
Jednocześnie okazuje się, że złącza o podwyższonej koncentracji domieszek 
posiadają  właściwości  przydatne  również  do  innych  celów.  Jak  wygląda 
takie złącze? 
 

Zacznijmy  od  modelu  pasmowego  złącza  przedomieszkowanego. 

Jak  widzieliśmy  poprzednio  domieszkowanie  złącza  powodowało  pewną 
różnicę  poziomów  energetycznych  tworzących  się  w  półprzewodniku. 
Jeżeli  teraz  wprowadzimy  do  półprzewodnika  znacznie  więcej  domieszek 
okaże  się,  że  ta  różnica  poziomów  będzie  znacznie  większa.  Poziom 
Fermiego  będzie  przebiegał  nie  w  obszarze  pasma  zabronionego  lecz         
w  paśmie  podstawowym  półprzewodnika  typu  „p”  oraz  w  paśmie 
przewodzenia półprzewodnika typu „n”. 

Przedstawiony  model  pasmowy  dotyczy,  jak  widać  po  prostoliniowym 
przebiegu  poziomu  Fermiego  złącza  niespolaryzowanego,  a  więc 
pozostającego w warunkach równowagi termodynamicznej. 
W tych warunkach poprzez złącze płyną prądy: z pasma podstawowego do 
pasma  przewodnictwa  znany  już  nam  prąd  Zenera,  będący  wynikiem 
tunelowego przejścia elektronów. Jednocześnie obserwujemy prąd płynący 
w  kierunku  przeciwnym,  gdzie  elektrony  przechodzą  z  pasma 
przewodnictwa  do  pasma  podstawowego  i  co  jest  ważne  w  górnej  części 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.19 

pasma podstawowego. Prąd ten zwany jest prądem Esakiego. W warunkach 
równowagi termodynamicznej prądy te są sobie równe, lecz mają przeciwne 
zwroty.  Ilość  nośników  jest  więc  stała  i  na  zewnątrz  złącza  nie 
obserwujemy  żadnych  zmian.  Co  jednak  stanie  się  po  spolaryzowaniu 
złącza? 

 
 
Jak  widzimy  na  kolejnych  rysunkach  modelu  pasmowego  złącza 
przedomieszkowanego  przy  wzroście  napięcia  polaryzującego  w  kierunku 
przewodzenia  najpierw  zanika  prąd  Zenera  ale  rośnie  w  ten  sposób  prąd 
Esakiego z pasma przewodzenia do podstawowego. Dalszy wzrost napięcia 
zmniejsza  prąd Esakiego  do  zera  (prąd  Zenera  dawno  już  przestał  płynąć)      
i  złącze  zaczyna  zachowywać  się  jak  typowe  złącze  p-n.  W  ten  sposób 
możemy narysować charakterystykę takiego złącza. 
 
 
 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.20 

 

 
Jak  widzimy  charakterystyka  prądowo  -  napięciowa  złącza  jest  sumą 
charakterystyk  prądu  Esakiego  (I

E

)  oraz  prądu  Zenera  (I

Z

),  po  czym 

przechodzi  w  typową  charakterystykę  złącza.  Co  istotne  w  tej 
charakterystyce  to  fakt,  że na pewnym  odcinku  charakterystyka  wykazuje, 
że  złącze  posiada  właściwości  rezystancji  ujemnej,  czyli  pomimo  wzrostu 
napięcia na złączu prąd maleje. Właściwość tą będziemy wykorzystywali do 
pewnych  specjalnych  zastosowań,  ale  powiemy  o  tym  później.  Zwróćmy 
również uwagę na fakt, że w kierunku zaporowym prąd złącza gwałtownie 
rośnie  co  wyklucza  możliwość  stosowania  tego  złącza  w  kierunku 
zaporowym. 
 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.21 

 
Złącze l - h. 
 

Do  tej  pory  omawialiśmy  złącza  tworzone  z  półprzewodników 

różnych  typów.  Co  jednak  stanie  się  gdy  stworzymy  złącze                           
z  półprzewodnika  tego  samego  typu,  lecz  o  różnych  stopniach 
domieszkowania  (różnej  koncentracji  nośników).  Złącza  takie  tworzyć 
można zarówno w półprzewodniku typu „p” jak i „n”. Nazwa wywodzi się 
z angielskiego określenia obszarów słabiej domieszkowanego; lightly doped 
region
 oraz silniej domieszkowanego: heavily doped region. Co      w takim 
złączu się dzieje zobaczmy na wykresie rozkładu nośników. 

 
Na 

powyższym 

rysunku 

widzimy 

złącze 

„l-h” 

zrealizowane                         

w półprzewodniku typu „n”. Polaryzując nasze złącze najpierw w kierunku 
zaporowym  stwierdzamy,  że  nośniki  mniejszościowe  (a  więc  dla  naszego 
półprzewodnika  -  dziury)  w  okolicy  złącza  mają  różne  koncentracje  co 
zresztą  wynika  z  domieszkowania.  Lecz  w  samym  złączu  występuje 
zjawisko 

braku 

tych 

nośników 

spowodowane 

możliwościami 

odprowadzenia  ich  przez  poszczególne  obszary.  Obszar  półprzewodnika 
typu „n” może znacznie więcej tych nośników odprowadzić aniżeli napłynie 
ich  z  obszaru  n

+

.  W  samym  złączu  mamy  więc  brak  tych  nośników,  co 

oznacza brak możliwości przepływu prądu w kierunku zaporowym. W ten 
sposób zwiększyliśmy znacząco rezystancje złącza  w kierunku zaporowym 
i  ograniczyliśmy  prąd  wsteczny  złącza.  Zjawisko  to  nazywamy  ekskluzją 
nośników mniejszościowych

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.22 

Polaryzując  złącze  w  kierunku  przewodzenia  mamy  sytuacje  odwrotną.      
W  obszarze  „n”  mamy  więcej  nośników  aniżeli  w  obszarze  n

+

  co  daje        

w efekcie zjawisko spiętrzenia się nośników na obszarze złącza, łatwiejszy 
ich  przepływ  a  więc  zmniejszenie  rezystancji  w  kierunku  przewodzenia.     
W tym wypadku mówimy o akumulacji nośników mniejszościowych. 
Takie  oddziaływanie  pozwala  stworzyć  złącze  o  charakterystyce  zbliżonej 
do  idealnej.  Oczywiście  musimy  pamiętać,  że  tworzenie  dodatkowego 
złącza  w  przyrządzie  półprzewodnikowym  zwiększa  spadki  napięć             
w kierunku przewodzenia. 
Typowe  zastosowanie  tego  rodzaju  technologii  przedstawiamy  poniżej 
gdzie widzimy układ typowej diody mocy. 

 
 
Oczywiście 

może 

również 

występować 

inna 

kolejność 

warstw 

półprzewodnika  (np.  n

+

-p-p

+

).  Charakterystyka  takiej  diody  porównana       

z charakterystyką diody składającej się tylko ze złącza typu p-n będzie się 
różniła i to szczególnie wyraźnie w części polaryzacji wstecznej. 

 

 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.23 

Wyraźnie  widzimy  różnice  w  charakterystykach  typowego  złącza p-n  oraz 
złącza  „ulepszonego”.  Po  stronie  polaryzacji  kierunku  zaporowego  prąd 
wsteczny  diody  wielokrotnie  maleje,  zaś  po  stronie  polaryzacji  kierunku 
przewodzenia  wyraźnie  widać  zmniejszenie  się  rezystancji  dynamicznej 
złącza (bardziej stroma charakterystyka). 
 
Złącze metal - półprzewodnik. 
 

Kolejnym 

ciekawym 

złączem 

stosowanym 

technice 

półprzewodnikowej  jest  złącze  półprzewodnika  z  metalem.  Jest  to 
niezwykle 

często 

spotykane 

złącze, 

gdyż 

każde 

zastosowanie 

półprzewodnika  pociąga za  sobą  konieczność  wykonania  połączeń,  a te  są 
przecież  z  metalu.  Dlatego  też  rozważania  na  temat  wpływu  metalu  na 
półprzewodnik są niezwykle istotne.  
 

Podstawowym  problemem  nad  którym  należy  się  zastanowić  jest 

różnica w pracy wyjścia elektronów z metalu i z półprzewodnika. I tu mogą 
wystąpić  dwie  możliwości:  jedną  jest  przypadek  gdy  praca  wyjścia 
elektronów  z  metalu  jest  większa  od  pracy  wyjścia  elektronów                     
z  półprzewodnika,  drugim  gdy  sytuacja  jest  odwrotna  i  praca  wyjścia 
elektronów   z metalu jest mniejsza od pracy wyjścia z półprzewodnika.  
 
 

 

 
Nasze  wykresy  ilustrują  dwa  przypadki  zachodzące  w  złączu  metal  - 
półprzewodnik.  Po  stronie  lewej  mamy  do  czynienia  z  sytuacją  gdy  praca 
wyjścia elektronu z metalu jest większa od pracy wyjścia z półprzewodnika. 
Jednocześnie  przedstawiona  została  sytuacja  gdy  dochodzi  do  zetknięcia 
metalu  i  półprzewodnika  (rysunek  górny)  a  następnie  wzajemne 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.24 

oddziaływania  złącza.  Jak  widzimy  wyraźnie  na  modelach  pasmowych      
w chwili zetknięcia metalu oraz  półprzewodnika, poziomy Fermiego są na 
różnych  poziomach.  Po  zetknięciu  następuje  wyrównanie  poziomów 
Fermiego  metalu  i  półprzewodnika.  Jednocześnie  obserwujemy    co  widać 
wyraźnie  na  rysunku  zmiana  przebiegu  poziomu  pasm  przewodnictwa          
i  podstawowego.  Ten  efekt  w  zależności  od  jego  nasilenia  może 
powodować 

zjawiska 

pozwalające 

na 

konstrukcję 

przyrządów 

półprzewodnikowych o dosyć specyficznych właściwościach. 
 

Jednym  z  takich  zastosowań  jest  wykorzystanie  zjawiska 

polegającego  na  tym,  że  gdy  złącze  metal  -  półprzewodnik  spolaryzujemy   
w  kierunku  przewodzenia  to  elektrony  przechodzące  z  półprzewodnika  do 
metalu  w  pierwszej  chwili  obsadzają  poziomy  wysoko  położone.  Stąd  też 
zwane  są  elektronami  gorącymi.  Następnie  szybko  oddają  swoją  energię 
stając  się  częścią  elektronów  swobodnych  występujących  normalnie           
w  metalu.  Zjawisko  to  daje  nam  możliwość  szybkiego  zaniku  tych 
nośników, w czasie wielokrotnie mniejszym niż dla złącze p-n (nie mamy tu 
zjawiska  wstrzykiwania nośników)  i  nosi  to  nazwę  zjawiska  Schottky’ego. 
Jego wykorzystanie to oczywiście szybkie diody tzw. diody Schottky’ego.  
 

Innym  zastosowaniem  zjawisk  zachodzących  w  złączu  metal  - 

półprzewodnik zajmiemy  się trochę dokładniej. Ale aby to  móc zrozumieć 
musimy  powiedzieć  parę  słów  o  zjawiskach zachodzących  na  powierzchni 
półprzewodnika. 
 
Gęstość stanów powierzchniowych. 
 

Pojęcie  gęstości  stanów  powierzchniowych  zostało  wprowadzone 

dla  ułatwienia  opisu  stanu  powierzchni  półprzewodnika,  która  przecież 
nigdy  nie  jest  idealna.  Na  powierzchni  półprzewodnika  (każdego!) 
występują 

różnego 

rodzaju 

zniekształcenia 

sieci 

krystalicznej, 

zanieczyszczenia  powierzchni  itp.  Duży  wpływ  na  te  zjawiska  mają 
czynniki zewnętrzne jak ciśnienie, temperatura, obce domieszki lub też styk 
z  innym  materiałem.  Ogólnie  wielkość  tych  zaburzeń  nazwano  właśnie 
gęstością  stanów  powierzchniowych.  Dlaczego  o  tym  wspominamy.  Otóż 
dla  dużych  gęstości  stanów  powierzchniowych  półprzewodnika  występuje 
na  jego    powierzchni  zjawisko  gromadzenia  ładunków  elektrycznych 
dodatnich  lub  ujemnych.  Przyczyną  tego  zjawiska  jest  wyłapywanie 
elektronów przez stany powierzchniowe lub też ich usuwanie.  
 

Teraz powrócimy do naszego styku metal - półprzewodnik. Jak już 

wiemy  styk  taki  będzie  zaburzał  stan  powierzchni  półprzewodnika  czyli 
spowoduje  dużą  gęstość  stanów  powierzchniowych.  Co  to  oznacza 
praktycznie i co spowoduje? Na rysunku pokażemy teraz jak rozwarstwi się 
ładunek w półprzewodniku dla styku metal - półprzewodnik. 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.25 

 
 

 

 
Jak  widzimy  dla  pewnych  sytuacji  tzn.  różnicy  pracy  wyjścia  pojawia  się      

półprzewodniku 

stan 

inwersyjny, 

co 

oznacza 

zmianę 

typu 

półprzewodnika w obszarze styku z metalem. Efektem jest powstanie złącza 
o  parametrach  zbliżonych  do  złącza  p-n.  Ta  właściwość  pozwala  na 
konstruowanie  diod  na  bazie  dowolnego  półprzewodnika  jednego  typu 
połączonego  z  metalem,  jest  to  zwykle  ostrze  metalowe  (niewielka 
powierzchnia styku). Stąd też pochodzi nazwa tych diod -  diody ostrzowe
Lecz oprócz diod ostrzowych  i Schottky’ego zjawiska związane z gęstością 
stanów  powierzchniowych  znajdują  zastosowanie  i  w  innych  przyrządach 
półprzewodnikowych które będziemy omawiali w dalszej części. 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.26 

Podstawowe wiadomości o przyrządach półprzewodnikowych. 
Diody półprzewodnikowe.
 
 

Diody  półprzewodnikowe  należą  do  najczęściej  spotykanych 

przyrządów  półprzewodnikowych.  Ze  względu  na  ich  wszechstronne 
zastosowanie  budowane  są  tak  aby  spełniały  oczekiwania  użytkownika,        
a więc produkowane są do określonych celów. Tak więc ich podział wynika 
z ich zastosowania. I tak diody dzielimy na: 
 

a)  Diody  prostownicze  –  jest  to  najliczniejsza  grupa  diod 

stosowana w układach prostowniczych urządzeń zasilających. 

b)  Diody  impulsowe  –  znajdujące  zastosowanie  w  układach 

impulsowych. 

c)  Diody stabilizacyjne – stosowane w różnego rodzaju układach 

stabilizujących napięcie, lub jako układy formujące. 

d)  Diody  pojemnościowe  –  stosowane  w  układach  generatorów 

jako element strojeniowy. 

e)  Diody  generacyjne  –  stosowane  jako  element  generacyjny 

głównie w generatorach najwyższych częstotliwości. 

f)  Diody  detekcyjne  i  mieszające  –  stosowane  w  układach 

mieszaczy sygnałów oraz układach detekcji sygnałów. 

g)  Diody przełączające – stosowane w układach mikrofalowych. 

 
Ten podział jak widać pokazuje zastosowanie poszczególnych diod. Innym 
podziałem będzie podział oparty o technologię wykonania danej diody. I tak 
mówimy  o  diodach;  warstwowych,  ostrzowych,  stopowych,  dyfuzyjnych 
oraz  rozróżniamy  diody  unipolarne  i  bipolarne.  Teraz  omówimy 
poszczególne rodzaje i ich podstawowe cechy. 
 
Diody prostownicze. 
 
 

Ze  względu  na  swoje  zastosowanie  mają  specyficzną  budowę. 

Ponieważ  stosowane  są  z  reguły  dla  znacznych  prądów  złącze  musi  mieć 
znaczną  powierzchnię.  Oczywiście  im  większe  prądy  płynące  przez  diodę 
tym  większa  musi  być  powierzchnia złącza.  Budowane  są  na  bazie  złącza  
p-n  jako  dioda  warstwowa,  lub  też  w  wersji  unipolarnej  na  bazie  złącza 
metal-półprzewodnik (tzw.diody Schottky’ego). Specyficzną odmianą diod 
prostowniczych  są  diody  szybkie  wykonywane  jako  diody  bipolarne  lecz      
w  technologii  epitaksjalnej,  gdzie  na  podłożu  epitaksjalnym  osadzane  są 
metale  takie  jak  platyna,  chrom  i  inne  materiały.  Rozwój  i  zastosowanie 
poszczególnych  technik  produkcji  diod  półprzewodnikowych  można 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.27 

zobrazować  na  wykresie  odzwierciedlającym  wartości  parametrów 
poszczególnych rodzajów diod. 
 
 

 

Wartości parametrów granicznych diod prostowniczych. 

 
Parametry graniczne diod zależą w głównej mierze od czasu odzyskiwania 
przez  nie  zdolności  zaworowych  przy  dużych  prądach  przewodzenia             
i znacznych napięciach wstecznych.  
 

Zrozumienie  poszczególnych  faz  pracy  diody  pozwala  na  wybór 

najlepszego jej zastosowania. Najprościej jest zacząć od parametrów diody 
opartej  na  idealnym  złączu  „p-n”  a następnie  omówimy  działanie  bardziej 
rozwiniętych technologicznie diod prostowniczych. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Dodatek do układów analogowych. Podstawy elektroniki. Str.28