background image

Podstawy elektroniki 

wykład 
kierunek elektrotechnika 

rok I, semestr II 

kierunek informatyka 

rok I, semestr I 

wymiar godzin: 30 

wykładowca: dr inż. Dorota Wiraszka 
d.wiraszka@tu.kielce.pl 

Projekt współfinansowany przez  

Unię Europejską w ramach  

Europejskiego Funduszu Społecznego 

Materiały dydaktyczne opracowano do realizacji projektu 

”Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach:  kształcenie na miarę sukcesu’’ 

Umowa UDA-POKL.04.01.01-00-175/08-00 

  

background image

Program wykładu (1) 

1. Informacje wstępne - zakres materiału, tryb 

zaliczenia, literatura. 

2. Budowa atomu, wiązania kowalencyjne. 

Struktura elektronowa krzemu i germanu. 
Energetyczny model pasmowy 
półprzewodnika. 

3. Założenia elektronowo-dziurowej teorii 

przewodnictwa elektrycznego 
półprzewodników. 

 

background image

Program wykładu (2) 

4. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane. 
5. Złącze p-n: mechanizm tworzenia bariery 

potencjału, polaryzacja w kierunku 
przewodzenia i zaporowym. Charakterystyka 
prądowo-napięciowa złącza p-n

6. Diody warstwowe. Podstawowe  parametry  

diod prostowniczych i uniwersalnych. 
Podstawowe zastosowania - prostowniki.  

7. Diody Zenera. Stabilizatory parametryczne. 

background image

Program wykładu (3) 

8. Diody elektroluminescencyjne i fotodiody. 

Diody metal-

półprzewodnik (Schottky’ego). 

Diody pojemnościowe. Zastosowania. 

9. Tranzystor bipolarny: budowa, zasada 

działania, podstawowe zależności. 

10. Charakterystyki tranzystora bipolarnego. 

Polaryzacja tranzystorów n-p-n i p-n-p

11. Schemat zastępczy hybrydowy tranzystora 

bipolarnego.  

background image

Program wykładu (4) 

12. Wzmacniacz na tranzystorze bipolarnym. 

Analiza małosygnałowa i stałoprądowa. 

13. Tranzystor polowy złączowy: budowa, 

zasada działania, podstawowe zależności.  

15. Charakterystyki tranzystora polowego 

złączowego. Warunki polaryzacji. 

16. Wzmacniacz na tranzystorze polowym. 

Analiza małosygnałowa i stałoprądowa. 

 

background image

Program wykładu (5) 

17. Tranzystor polowy MOS normalnie 

wyłączony. 

18. Tranzystor polowy MOS normalnie 

załączony. 

19. Wzmacniacz operacyjny: schemat blokowy, 

właściwości i parametry. Podstawowe 
zastosowania. 

 

background image

Literatura (1) 

1. W. Marciniak - 

Przyrządy 

półprzewodnikowe i układy scalone.  
WNT, Warszawa 1994. 

2. T. L. Floyd - Electronic Devices. Macmillan 

Publishing Company, New York 1998. 

3. A. Filipkowski 

– Podstawy elektroniki 

półprzewodnikowej.  
WNT, Warszawa 2003. 

background image

Literatura (2) 

4. K. Waczyński – Przyrządy 

półprzewodnikowe – podstawy działania 
diod i tranzystorów.
 Wyd. Politechniki 
Śląskiej, Gliwice 1997. 

5. U. Tietze, Ch. Schenk - 

Układy 

półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 2005. 

6. P. Horotwitz, W. Hill 

– Sztuka elektroniki

WKiŁ, Warszawa 2003. 

background image

Budowa atomu 

Atom

 - jest to najmniejsza 

cząstka pierwiastka 
chemicznego, posiadająca 
jeszcze własności 
chemiczne tego pierwiastka. 

Niels Bohr 

(1885-1962) 

background image

Postulaty Bohra 

1.  Elektrony 

mogą  krążyć  wokół  jądra 

jedynie  po 

ściśle  określonych  orbitach 

stacjonarnych.  

2. 

Przejście elektronu z niższego poziomu 

energetycznego  na  poziom 

wyższy  jest 

możliwe  tylko  wtedy,  gdy  atom  pobierze 
porcję  energii.  Natomiast  przejście  ze 
stanu  o  energii 

wyższej  do  stanu  

o  energii 

niższej  wiąże  się  z  oddaniem 

energii. 

background image

  

 

Model atomu wodoru i helu 

wodór 

hel 

background image

Liczba i masa atomowa 

 

Masa atomowa

 

– odpowiada liczbie 

wszystkich cząstek znajdujących się  
w jądrze atomu 
 

Liczba atomowa

 

– odpowiada liczbie 

elektronów w atomie elektrycznie 
obojętnym 
 

background image

Układ okresowy pierwiastków 

background image

Powłoki i orbity elektronowe 

Nr powłoki n  1   2   3   4   5   6   7  
Ozn. literowe K   L  M   N  O  P  Q  

Maksymalna liczba elektronów  
na powłoce n

2

2

n

K (n = 1): 

2 el. 

L (n = 2): 

8 el. 

M (n = 3):  

18 el. 

... 

background image

Poziomy energetyczne 

pojedynczego atomu 

Elektrony 

L

 

K

 

Jądro 

I  p

ow

ło

ka

 

II

  p

ow

ło

k

a

 

W 

6 

W 

5 

W 

4 

W 

3 

W 

2 

W 

1 

– energia 

– promień orbity 

r

 

5

 

r

 

6

 

r

 

1

 

r

 

3

 

r

 

2

 

r

 

4

 

Poziom 
energetyczny 

background image

Elektrony walencyjne 

Zapełnianie powłok przez 
elektrony następuje od 
powłok położonych 
najbliżej jądra, tj. powłoki 1, 
następnie 2, itd. 
Na ostatniej, zewnętrznej 
powłoce znajdują się 
elektrony słabo związane  
z jądrem atomu. Elektrony 
te nazywamy 

elektronami 

walencyjnymi

 (Mg). 

background image

Jonizacja 

Kiedy atom absorbuje energię ze źródła ciepła 
lub światła, poziomy energetyczne elektronów 
podnoszą się. Elektron pobiera energię  
i przechodzi na orbitę położoną dalej od jądra. 

Jeśli elektron walencyjny zaabsorbuje 
dostateczną ilość energii, może zostać całkowicie 
oderwany z powłoki zewnętrznej i znaleźć się 
poza wpływem atomu. Oderwanie elektronu 
walencyjnego pozostawia atom, który był 
poprzednio neutralny, z nadmiarem ładunku 
dodatniego. 

Proces utraty elektronu walencyjnego - 

jonizacja

  

background image

Struktura elektronowa atomu 

krzemu i germanu 

  

Wartościowość IV 

K: 2 

L: 8 

M: 4  

powłoka  

 

walencyjna

 

Wartościowość IV 

K: 2 

L: 8 

M: 18 

N: 4 

powłoka  

 

walencyjna

 

background image

Struktura elektronowa atomu 

krzemu i germanu 

 +14 

 + 32 

background image

Struktura elektronowa atomu 

krzemu i germanu 

Źródło grafiki:  http://commons.wikimedia.org/wiki/ 

background image

Wiązania kowalencyjne  

w krysztale krzemu 

Każdy atom związany 
jest z czterema 
sąsiednimi atomami, 
tworząc sieć 
przestrzenną typu 
czworościanu 
foremnego 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

background image

Diagram wiązań 

kowalencyjnych 

Do wyrwania elektronu  
z wiązania kowalencyjnego 
potrzebne jest dostarczenie 
odpowiedniej energii 
w dowolnej postaci.  

E = 1,1 eV dla Si  

Oderwany elektron staje się 

elektronem swobodnym

Luka powstała w wiązaniu 
kowalencyjnym to hipotetyczny 
ładunek dodatni, zwany 

dziurą

.  

 

background image

Energetyczny model pasmowy 

ciała stałego 

• Poszczególnym orbitom elektronów w atomie 
przyporządkowane są odpowiednie poziomy (stany) 
energetyczne. Energia elektronu jest tym większa, im większy 
jest promień jego orbity. W stanie normalnym wszystkie 
elektrony zajmują najniższe z możliwych poziomy 
energetyczne. 

• 

Zakaz Pauliego

 (1925) - w atomie, a tym bardziej w krysztale 

zawierającym wiele atomów, nie mogą występować dwa 
elektrony o identycznych stanach energetycznych. 

• Każdy poziom energetyczny rozszczepia się na tyle 
podpoziomów, ile atomów występuje w rozważanej strukturze. 

background image

Rozszczepienie poziomów 

energetycznych 

Pasmo przewodnictwa (elektrony swobodne) 

 

Pasmo

  

walencyjne 

Jądra 

atomów 

background image

Energetyczny model pasmowy 

ciała stałego - stan normalny 

Wg 

Pasmo 

walencyjne 

Pasmo 

przewodnictwa 

Pasmo zabronione 
(Energy gap) 

Wc 

Wv 

(Conduction band) 

(Valence band) 

background image

Energetyczny model pasmowy 

ciała stałego 

• Pasmo przewodnictwa

 

– odpowiada wartościom 

energii, przy których elektrony stają się swobodnymi  
i mogą brać udział w procesie przewodzenia prądu 
elektrycznego.  

• Pasmo zabronione

 

– obszar między pasmem 

walencyjnym a pasmem przewodnictwa o odstępie 
Wg (Wg

Ge

 =0,68 eV, Wg

Si

 

=1,08eV), którego 

elektrony nie mogą obsadzać. 

• Pasmo walencyjne

 - 

odpowiada wartościom energii 

elektronów walencyjnych.  
 
 

background image

Energetyczny model pasmowy 

ciała stałego - stan wzbudzenia 

 
 

 

elektron 

dziura 

Wg 

Wc 

Wv 

Generacja par elektron - dziura

 

Pod wpływem dostarczonej 
energii, równej co najmniej 
szerokości pasma zabronionego 
Wg, część elektronów z pasma 
walencyjnego przeskakuje do 
pasma przewodnictwa, 
pozostawiając w paśmie 
walencyjnym wolne miejsca  - 
dziury. 

Proces odwrotny - 

rekombinacja

 

background image

Energetyczne modele 

pasmowe 

Pasmo  

walencyjne 

Pasmo  

przewodnictwa 

   

Pasmo 

zabronione 
( Wg > 2 eV )

   

Pasmo  

walencyjne 

Pasmo  

przewodnictwa 

   

Pasmo 

zabronione 
( Wg <= 2 eV ) 

      

Pasmo  

przewodnictwa 

   

Pasmo 

walencyjne 

izolator

 

półprzewodnik

 

przewodnik

 

background image

Półprzewodniki samoistne  

i domieszkowane 

• Półprzewodnik samoistny

 (intrinsic semiconductor

– idealnie czysty, nie zawierający żadnych 
domieszek ani defektów sieci krystalicznej. Nośniki 
swobodne powstają tylko w wyniku generacji par 
elektron - dziura. 

• Półprzewodnik domieszkowany

 (extrinsic 

semiconductor ) 

– półprzewodnik zawierający celowo 

wprowadzone atomy innego pierwiastka  , tzw. 
domieszki. 
Wyróżnia się  2 rodzaje domieszek: 
 

- donorowe 

 

- akceptorowe

 

background image

Domieszki donorowe 

Pierwiastki V grupy układu okresowego, 

mające po 5 elektronów walencyjnych 

Źródło grafiki:  http://commons.wikimedia.org/wiki/ 

background image

Półprzewodnik typu n - model 

wiązań kowalencyjnych 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

Jeden z elektronów 
walencyjnych atomu 
fosforu nie bierze udziału 
w tworzeniu wiązania 
kowalencyjnego, dzięki 
czemu może łatwo zostać 
oderwany od 
macierzystego atomu. 

Energia jonizacji  
Wj = 0,044 eV 

background image

Półprzewodnik typu n - 

energetyczny model pasmowy 

Pasmo przewodnictwa 

Pasmo walencyjne 

Wg 

poziom donorowy 

Wc 

Wv 

Wd 

Wj 

Wj << Wg 

background image

Domieszki akceptorowe 

Pierwiastki III grupy układu okresowego, 

mające po 3 elektrony walencyjne 

Źródło grafiki:  http://commons.wikimedia.org/wiki/ 

background image

Półprzewodnik typu p - model 

wiązań kowalencyjnych 

Do utworzenia stabilnych 
wiązań kowalencyjnych 
atomowi boru brakuje 
jednego elektronu. Może 
być on łatwo uzupełniony 
po oderwaniu  
z sąsiadującego wiązania 
Si-

Si, pozostawiając  

w nim dziurę. 

Energia jonizacji  
Wj = 0,045 eV 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

Si 

background image

Półprzewodnik typu p - 

energetyczny model pasmowy 

Pasmo przewodnictwa 

Pasmo walencyjne 

Wg 

++++++++++++++++++ 

Wc 

Wv 

Wa 

poziom akceptorowy 

Wj 

Wj << Wg 

background image

Koncentracja elektronów  

i dziur w stanie równowagi 

termodynamicznej 

 

c

W

n

dW

W

f

W

N

n

)

(

)

(

Wv

dW

W

fp

W

N

p

)

(

)

(

n - 

koncentracja elektronów 

p - koncentracja dziur 

 
N(W) - 

rozkład koncentracji poziomów energetycznych  

w funkcji energii 
 
f

n

(W), f

p

(W) - 

funkcja rozkładu prawdopodobieństwa zajęcia 

poziomu o energii W odpowiednio przez elektron (n)  
lub dziurę (p

background image

Efektywna koncentracja 

stanów energetycznych 

 

)

(

c

n

c

W

f

N

n

)

(

v

p

v

W

f

N

p

N

c

 , N

v

 - 

efektywne koncentracje stanów energetycznych 

2

3

,

T

N

N

v

c

background image

Efektywna koncentracja 

stanów energetycznych 

Efektywna 

gęstość stanów 

energetycznych 

 

Si 

 

Ge 

 

GaAs 

N

c

 [m

-3

2.8*10

25

 

1.04*10

25

 

4.7*10

23

 

N

v

 [m

-3

1.04*10

25

 

6.0*10

24

 

7.0*10

24

 

 

background image

Rozkład Boltzmanna 

 



kT

W

W

f

exp

)

(

k = 1.38 * 10

-23

 J/K = 8.62 * 10

-5

 eV/K 

k - 

stała Boltzmanna 

background image

Statystyka Fermiego - Diraca 

 

 

)

(

1

)

(

exp

1

1

)

(

W

f

W

f

kT

W

W

W

f

n

p

F

n

W

F

 - 

energia (poziom) Fermiego;  jest to wartość 

energii, dla której prawdopodobieństwo 
obsadzenia stanów wynosi 0,5 dla każdej 
temperatury T > 0 K. 

background image

Statystyka Fermiego - Diraca  

- wykresy 

Wv 

W

c

 

W

F

 

elektrony 

dziury 

W

F

 

W

F

 

półprz. samoistny 

półprz. typu n 

półprz. typu