beso-tahak

1. Vlastnosti polovodičových součástek
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 konstanty 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 sériově s rezistorem R = 1k. Tato sériová 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 UD= 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 =0,0259/0,0024 =10,79Ohmd) U0 odvodíme z velikosti UD =0,6V.
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
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
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.
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.(Pohyblivost = v/E)
c) Od koncentrace příměsí asi 1017cm3 výrazně klesá. Při nízkých koncentracích příměsí je na koncentraci příměsí závislá velmi málo
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?
a) U polovodiče typu N se pohybuje směrem k vodivostnímu pásu a je těsně pod ním o 0,044eV, v polovodiči typu P se fermiho hladina posouvá těsně nad valenční pás o 0,045eV.
b) Fermiho hladina se posunuje se vzrůstající teplotou i se vzrůstající koncentrací příměsí nahoru v polovodiči typu N a dolů v polovodiči typu P.
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.
a)
b) Závěrné napětí spolu s difúzním jdou stejným směrem.
c) Jeto v diagramu qU.
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?
a)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. Nejvýznamněji se projevuje závislost na použitém materiálu (ni2) a koncentraci příměsí. Významnou rol