Otázky - vypracované

Obsah
1. Vlastnosti polovodičových součástek...............................................................................................2
2. Vlastnosti polovodičů.......................................................................................................................3
3.Polovodičový přechod, dioda............................................................................................................4
4. Polovodičová dioda...........................................................................................................................5
5. Bipolární tranzistor .........................................................................................................................6
6. Bipolární tranzistor .........................................................................................................................7
7. Tranzistor řízený elektrickým polem.................................................................................................8
8. Tranzistor řízený elektrickým polem...............................................................................................10
9. Tranzistorové spínače ...................................................................................................................11
Tyristor, triak, diak..............................................................................................................................13
Optoelektronika..................................................................................................................................13
Modely bipolárního tranzistoru..........................................................................................................13
Vliv ICB0 v zapojení SE........................................................................................................................14
Nelineární modely BT.........................................................................................................................15
Linearizované modely.........................................................................................................................16
Linearizované modely vycházející ze čtyřpólových parametrů..........................................................17
Giacolettovo náhradní schéma...........................................................................................................18
Mezní kmitočty bipolárního tranzistoru.............................................................................................18
1. Vlastnosti polovodičových součástek
Otázky a příklady:
1. Dvě křemíkové diody se liší pouze plochou PN přechodu. Dioda D1 má plochu přechodu dvakrát větší, než dioda
D2. V jakém poměru budou jejich diferenciální odpory, jestliže na obou diodách bude přiloženo stejné napětí
v propustném směru. Stručně vysvětlete proč.
Proudová hustota na přechodu je ovlivněna použitým materiálem, technologií přechodu a jeho plochou –
zahrnujeme do konstany I0, označované jako saturační proud. Při daném napětí lze proud přechodem vyjádřit
pomocí Shockleyho rovnice ID = I0 [exp (UD/UT)-1] - viz skripta str. 61-64. Diodou D1 s dvojnásobnou plochou bude
při stejném napětí protékat dvojnásobný proud oproti diodě D2, neboť I01=2*I02.
Výraz pro diferenciální odpor (rd= UT / ID ) získáme derivací závislosti UD = f (ID) podle ID . Diferenciální odpor bude
tedy u diody D1 poloviční oproti diodě D2.
2. Polovodičová dioda je zapojená seriově s rezistorem R = 1k. Tato seriová kombinace je připojena na napětí UN =
3V. Známe Io = 10e-9A /25deg.C.
Vypočtěte:
a) proud protékající diodou - ID
b) napětí na diodě - UD
c) dynamický odpor diody - rD
d) napětí pro náhradní linearizovaný model.
O jakou diodu se pravděpodobně jedná?
a) b) Při daném proudu diodou je napětí na diodě určeno velikostí jejího saturačního proudu, který se může měnit
v rozsahu několika řádů. Protože závislost UD= f( ID) je logaritmická stačí v prvním přiblížení pouze řádový odhad
proudu protékajícího diodou ID= (UN - UD)/R. Úbytek napětí na diodě může být dle typu diody v rozmezí asi 0,1 –
1,5 V, jeho velkost však řádovou velikost proudu neovlivní. V prvním kroku tedy můžeme zvolit UD libovolně
v uvedeném rozmezí (nejlépe ID= 0,6 V). V dalším kroku je možné obdržet přesnější hodnoty proudu i napětí
použitím hodnoty UD získané výpočtem.
Poznámka: Typ diody lze odhadnout i z velikosti (řádu) saturačního proudu (IOSi ... 10-12A, IOGe ... 10-9A).
c) dosadíme do vztahu rd= UT / ID
d) U0 odvodíme z velikosti UD.
3. Co je to vlastní (intrinzická) koncentrace nosičů v polovodiči? Uveďte závislost na teplotě a šířce zakázaného
pásu a orientační hodnoty pro Si a Ge při pokojové teplotě.
U čistých (nedotovaných) polovodičů jsou za temna elektrony uvolňovány do vodivostního pásu pouze na základě
tepelné generace. Ke každému elektronu ve vodivostním pásu přísluší díra v pásu valenčním. Počet elektronů a děr
je tedy stejný. Tento počet vztažený na jednotku objemu označujeme jako intrinzická koncentrace - více než
exponenciálně roste s teplotou a exponenciálně klesá se šířkou zakázaného pásu. (viz. skripta str.43- 45)
4. Vysvětlete mechanismus fotovodivosti. Jak závisí fotovodivost na dopadajícím světelném záření?
Pokud je energie fotonu dopadajícího na povrch polovodiče větší než energie odpovídající šířce zakázaného pásu
může dojít ke generaci páru elektron díra. Tak se zvýší koncentrace volných nosičů v polovodiči a tedy i jeho
schopnost vést elektrický proud. Koncentrace vygenerovaných nosičů i fotovodivost jsou přímo úměrné intenzitě
dopadajícího záření. Pokud je energie fotonu záření výrazně větší než šířka zakázaného pásu zmenšuje se hloubka
vniku záření do polovodiče (odpovídá zhruba vlnové délce záření) a tím i účinnost generace.
2. Vlastnosti polovodičů
Otázky a příklady:
1. a) Co jsou polovodiče nevlastní. b) Proč je používáme. c) Jakým způsobem se vyrábějí?
a) Nevlastní polovodiče vznikají zavedením příměsí pětimocných (N) nebo trojmocných (P) atomů do struktury
polovodiče. Pětimocné atomy elektrony snadno uvolňují, trojmocné je snadno vážou, takže za běžných teplot je
koncentrace takto vzniklých nosičů určena koncentraci příměsí a je v poměrně velkém rozsahu teplot na teplotě
nezávislá (viz skripta, str. 39 - 40 ).
b) Interakcí oblastí P a N vzniká polovodičový přechod, který je základním prvkem většiny elektronických součástek.
c) Klasická technologie zavádění příměsí je difúze, modernější iontová implantace a depozice z plynné fáze.
2. a) Definujte pohyblivost nosičů. b) Jaký je její rozměr? c) Jak závisí na koncentraci příměsí?
a) Rychlost pohybu nosičů elektrického proudu v polovodiči je při malé intenzitě elektrického pole (E < 104 V/ m)
přímo úměrná intenzitě elektrického pole, které tento pohyb působí. Konstantu úměrnosti označujeme jako
pohyblivost nosičů.
b) Rozměr musí být m2V-1 s –1, po vynásobení V m-1 má výsledek rozměr ms-1.
c) Od koncentrace příměsí asi 1017cm3 výrazně klesá. Při nízkých koncentracích příměsí je na koncentraci příměsí
závislá velmi málo ( skripta str. 48 – 49).
3. Dva vzorky stejného polovodiče (Si), jeden typu P a jeden typu N jsou homogenně dotovány příměsemi, tak že
platí ND = NA. Který vzorek má větší měrný odpor? Zdůvodněte!
Vzhledem k mechanismu pohybu děr je pohyblivost děr vždy menší, než pohyblivost elektronů, u Si dokonce velmi
výrazně. Větší měrný odpor tedy bude mít vzorek s děrovou vodivostí – polovodič typu P.
4. a) Nakreslete typickou teplotní závislost koncentrace nosičů (t.j děr i elektronů) pro polovodič typu N s
koncentrací příměsí ND >> ni. Rozmezí teplot volte tak, aby se uplatnily příslušné aktivační energie. b) V jakém
vztahu k tomuto grafu jsou šířka zakázaného pásu polovodiče, poloha Fermiho hladiny (energie) a aktivační
energie příměsí ?
a) Viz obr. 1.11 na str.41. K aktivaci příměsí dochází již při nízkých teplotách nad teplotou asi 70 K jsou již všechny
příměsi aktivovány. Je patrné, že v poměrně velkém rozmezí teplot se koncentrace majoritních nosičů výrazně
nemění. V tomto rozsahu teplot lze součástku běžně používat. Při vysokých teplotách se začíná uplatňovat tepelná
generace nosičů a koncentrace nosičů – elektronů i děr prudce roste, materiál se začne chovat jako polovodič
vlastní.
b) Šířkou zakázaného pásu je určena teplota, při které se začne uplatňovat tepelná generace nosičů.
Poloha Fermiho energie vyjadřuje obsazení energetických stavů ve vodivostním a valenčním pásu. Pokud je
koncentrace elektronů a děr stejná (při velmi nízkých a velmi vysokých teplotách) leží Fermiho energie zhruba
v polovině zakázaného pásu. V rozmezí teplot, kde je koncentrace nosičů určena koncentrací příměsí se Fermiho
energie posunuje směrem k příslušnému pásu – k vodivostnímu v případě polovodiče typu N a k valenčnímu u typu
P.
Aktivační energie příměsí ovlivňuje chování v oblasti velmi nízkých teplot. U běžných příměsí typu P i N nabývá
přibližně stejné hodnoty kolem 40 meV (posun od okraje pásu).
5. Jak u polovodičů závisí velikosti Fermiho energie (její poloha oproti okrajům zakázaného pásu) :
a) na typu a koncentraci příměsí? b) na teplotě?
Viz př. 2b).
3.Polovodičový přechod, dioda
1. a) Načrtněte, jak se změní energetický pásový diagram PN přechodu (Si) při přiložení závěrného napětí (3 V).
b) Jakým směrem působí závěrné a difúzní napětí na PN přechodu?
c) Vyznačte do pásového diagramu velikost difúzního a závěrného napětí.
Pásový diagram přechodu PN viz. skripta str. 56, 61, 69. Po přiložení závěrného napětí se energetický rozdíl mezi
pásy zvětší, neboť difúzní a závěrné napětí má stejný směr.
2. a) Vysvětlete pojem doba života nosičů. Jakých hodnot nabývá u běžných polovodičů? b) Jak ovlivňuje struktura
polovodiče její velikost? c) Které parametry polovodičové diody a bipolárního tranzistoru doba života ovlivňuje?
Je to střední doba existence nosičů od generace do okamžiku rekombinace. U běžných polovodičů nabývá hodnoty
kolem 10-6 s , u velmi čistých krystalů 10-3 s.
b) U polovodičů se strukturními poruchami nebo úmyslně zavedenými rekombinačními centry může klesnout až k
10-9 s.
c) U polovodičové diody ovlivňuje rychlost rozepnutí (odstranění náboje akumulovaného v kvazineutrálních
oblastech přechodu) a velikost závěrného proud (viz.př.5.). U bipolárního tranzistoru je důležitá rekombinace v bázi
– při zavedení rekombinačních center se zrychluje rozepnutí ovšem za cenu podstatného zmenšení proudového
zesilovacího činitele a zvětšení zbytkových proudů tranzistoru.
3. Na čem závisí saturační proud diody a jak?
Závislost je zřejmá ze Shocklyho rovnice (str 62-63). Nejvýznamněji se projevuje závislost na použitém materiálu
(ni2) a koncentraci příměsí. Výzmamnou roli hraje také doba života nosičů – liší se u diod pro různé oblasi použit viz
př.2. Zvýšením koncentrace příměsí lze např. u germaniových diod dosáhnout malých závěrných proudů ovšem za
cenu podstatného snížení závěrného napětí.
4. a) Na čem a jak závisí závěrný proud polovodičové diody. b) Jaká je souvislost mezi závěrným a saturačním
proudem polovodičové diody?
a) Závěrný proud diody je v podstatě určen proudem saturačním. Uplatňuje se však vliv generace, svodových
proudů a konečné hodnoty průrazného napětí. Skutečný průběh se tedy přibližuje teoretickému pouze u
germaniové diody.
b) Viz. př.4.
5. a) Jakými parametry se obvykle liší spínací diody od běžných diod se stejným závěrným napětím a maximálním
proudem diody IDmax. b) Vysvětlete.
Pro zrychlení rozepnutí jsou do diody zavedeny příměsi (Au) způsobující zrychlení rekombinace. Menší doba života
nosičů má však za následek zvýšení saturačního a tím i závěrného proudu (IO ~ tau-1/2) viz str.62-63.
6. Dioda D1 má koncentraci příměsí ND = 1016cm -3, NA = 1016cm -3, dioda D2 má koncentraci příměsí ND =
1016cm -3 , NA = 1014cm -3. Která z diod bude mít větší průrazné napětí a která větší hodnotu saturačního
proudu? Vysvětlete proč.
Průrazné napětí závisí na šířce přechodu. Ta bude větší u diody s menší koncentrací příměsí.
Saturační proud je nepřímo úměrný koncentraci příměsí – opět bude výrazně větší u diodyD2 s menší koncentrací
příměsí v oblasti P.
4. Polovodičová dioda
1.a) Vysvětlete pojem "barierová kapacita diody".
b) Jak se projevuje u reálných součástek? c) Jak závisí její velikost na konstrukci diody a na provozních
podmínkách?
2. a) Vysvětlete pojem "difuzní kapacita diody". b) Na čem závisí difuzní kapacita diody. c) Jak se projevuje u
reálných součástek?
Vše skripta str.65 - 66
3. Vyjmenujte druhy průrazu PN přechodu v závěrném směru a stručně je definujte. Závisí průrazné napětí na
teplotě? Jak?
4. a) Vysvětlete tunelový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jaká je jeho teplotní
závislost?
5. a) Vysvětlete lavinový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jaká je jeho teplotní závislost?
6. a) Vysvětlete tepelný průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje?
Vše skripta str. 68 - 72
7. a)Vysvětlete povrchový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se může vyskytnout?
Působením nečistot, nebo strukturních poruch se může deformovat průběh elektrického pole na povrchu
polovodiče tak, že v určitém místě dojde ke zvýšení proudové hustoty a rozvinutí povrchového průrazu. Tento typ
průrazu může nastat především u vysokonapěťových součástek. Při výrobě těchto součástek je tedy nutné použití
krystalů s minimálním množstvím poruch. Jejich povrch se ještě "pasivuje" pomocí vrstvy s velmi malou vodivostí
(např. amorfní křemík), čímž se dosáhne rovnoměrného rozložení potenciálu na povrchu polovodiče a zamezí se tak
nerovnoměrnému rozložení svodových proudů.
8. a) Stručně(!) vysvětlete princip fotodiody. b) V jakých režimech může fotodioda pracovat? Vyznačte příslušný
pracovní bod do AV charakteristiky fotodiody. Liší se v obou režimech vlastnosti fotodiody? Jak?
a) Pokud nárazem fotonu dojde ke generaci páru elektron díra uvnitř přechodu PN způsobí vnitřní elektrické pole
na přechodu (difúzní napětí) pohyb děr do oblasti P a pohyb elektronů do oblasti N. Naprázdno tak na fotodiodě
vzniká napětí, úměrné osvětlení, nakrátko protéká proud daný počtem vygenerovaných nosičů. Pokud foton
dopadne do oblasti mimo přechod dojde pouze k lokálnímu zvýšení vodivosti příslušné oblasti.
b) Dioda může být zapojena v hradlovém režimu (zdroj elektrické energie) nebo v odporovém režimu (rychlý
fotodetektor), charakteristiky a podrobnější popis viz. skripta str.186 – 188.
9. V zapojení 5.1 je stabilizátor s diodou 2NZ70, která má následující parametry: UZ = 7V, IZmax = 200mA (bez
chlazení), IZmin = 0,1 IZmax. Pro jednoduchost uvažujte rZ = 0. Vstupní napětí je U0 = 50V, deltaU0 = +/- 5V a odpor
RS = 200ohmů.
a) Určete maximální a minimální hodnotu zátěže (RZM, RZL) a maximální a minimální hodnotu proudu (IZM, IZL), při
kterých bude napětí na zátěži stabilizováno na hodnotu