DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Złącze PN stanowi podstawę diod półprzewodnikowych. Rozpatrzmy właściwości złącza poddanego
napięciu. Na poniższym rysunku pokazano złącze PN, którego półprzewodnik typu N został połączony z
dodatnim, a półprzewodnik typu P z ujemnym biegunem źródła napięcia. Dodatkowo pole elektryczne
wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane zgodnie z polem ładunków przestrzennych - bariera
potencjału zostaje przez to zwiększona, co jeszcze bardziej utrudnia dyfuzję.
Rysunek przedstawia działanie zaporowe złącza:
a) układ połączeń (1 - jon donorowy, 2 - jon akceptorowy); b) wykres potencjału przy wyłączniku w
otwartym (3) i zamkniętym (4)
Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że biegun dodatni źródła odciąga elektrony obszaru N od
złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza, wobec czego w strefie złącza jest bardzo
mało nośników ładunku elektrycznego, pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku. Mówimy, że przy
takim połączeniu złącze działa zaporowo. W kierunku zaporowym może płynąć minimalny prąd, zwany
prądem wstecznym. Gdy na odwrót połączymy półprzewodnik typu P z dodatnim, a półprzewodnik typu
N z ujemnym zaciskiem źródła napięcia, wówczas pole wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane
przeciwnie do pola do pola warstwy zaporowej.
Rysunek przedstawia złącze w stanie przewodzenia:
a) układ połączeń (1 - jon donorowy, 2 - jon akceptorowy); b) wykresy potencjału przy włączniku w
otwartym (3) i zamkniętym (4)
Wtedy bariera potencjału zostanie obniżona, co wyraźnie ułatwia dyfuzję. Elektrony półprzewodnika typu
P są odpychane przez biegun ujemny źródła w kierunku warstwy zaporowej i mogą łatwo przekroczyć
barierę potencjału. Natomiast dziury półprzewodnika typu N są odpychane przez biegun dodatni źródła w
kierunku złącza. Szerokość warstwy jonów ulega zmniejszeniu. Przy takim połączeniu złącza przepływ
prądu jest ułatwiony. Kierunek od obszaru P do N nazywamy kierunkiem przewodzenia, a kierunek od
obszaru N do P - kierunkiem zaporowym lub wstecznym. Przy polaryzacji złącza w kierunku
wstecznym, jeżeli obszar ładunku przestrzennego jest szeroki, to nośniki ładunku przechodząc przez ten
obszar nabierają dużej energii. Przy odpowiednio dużej wartości napięcia wstecznego, poruszające się
nośniki zderzają się z elektronami znajdującymi się w siatce krystalicznej, przekazując im swoją energię.
W wyniku tego elektrony te opuszczają siatkę krystaliczną, stając się elektronami swobodnymi. Są one
znów przyspieszane i mogą wygenerować dalsze. Proces nabiera charakteru lawinowego. Wskutek
jonizacji lawinowej następuje bardzo duży wzrost liczby przepływających elektronów, a więc bardzo
duży wzrost prądu.
Rysunek przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową diody krzemowej
Widać, że złącze PN umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku - w kierunku
przewodzenia. Po przekroczeniu tzw. napięcia progowego U(TO) (dla krzemu wynosi ono ok. 0,7V, a
dla germanu ok. 0,2V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko. Natomiast przy polaryzacji w
kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały - wiele tysięcy razy mniejszy niż w kierunku przewodzenia.
Mówimy, że złącze PN ma wartości prostownicze. Przy dużym napięciu wstecznym (po przekroczeniu
tzw. napięcia przebicia U(BR)) rozpoczyna się zjawisko przebicia lawinowego, a więc szybkie
narastanie prądu przy prawie stałym napięciu na diodzie. Może to spowodować zniszczenie diody, jeżeli
nie ograniczy się prądu przez włączenie szeregowo dodatkowej rezystancji.
Charakterystyki złączy PN znacznie zależą od temperatury. Przede wszystkim ze zmianami temperatury
zmienia się prąd wsteczny. W przybliżeniu zwiększa się on ok. dwukrotnie przy wzroście temperatury o
10K. Zmiany prądu są rzędu 5% przy zmianach temperatury o 1K. Obecnie diody półprzewodnikowe
wykonuje się prawie wyłącznie z krzemu, rzadziej z germanu, jako diody ostrzowe i warstwowe.
Diody ostrzowe mają małą obciążalność prądową, ale mogą pracować przy wielkich częstotliwościach
(do kilkunastu gigaherców).
Diody warstwowe wytwarzane są głównie z krzemu. Prądy przewodzenia tych diod wynoszą nawet do
kilku tysięcy amperów, a napięcie wsteczne do kilku tysięcy woltów.
Diody uniwersalne charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć wstecznych (do
kilkuset woltów) i prądów przewodzenia (do kilkuset miliamperów). Częstotliwość ich pracy nie
przekracza kilkudziesięciu megaherców. Łącząc taką diodę z rezystorem otrzymuje się najprostszy
stabilizator napięcia.
Diody pojemnościowe (warikap) wykorzystują pojemność złącza PN przy jego polaryzacji w kierunku
zaporowym. Pojemność ta, rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu pikofaradów, zależy od napięcia. Diody te
stosuje się np. w odbiornikach radiowych do dostrajania częstotliwości (układy tzw. automatycznej
regulacji częstotliwości ARCz), w głowicach telewizyjnych do zmiany i dostrajania kanałów itp.
TRANZYSTOR
Tranzystor bipolarny jest to element półprzewodnikowy o dwóch złączach PN i np.,
wykonanych w jednej płytce półprzewodnika.
Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są
elektrony i dziury, o czym świadczy przymiotnik : bipolarny. Możliwe jest przy tym dwojakie
uszeregowanie obszarów o różnym typie przewodnictwa: PNP (pierwszy rysunek) i NPN (drugi rysunek),
dające dwa przeciwne typy tranzystorów.
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji PNP
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji NPN
Zasada ich działania jest jednakowa, różnice występują tylko w kierunku zewnętrznych źródeł napięcia i
w kierunkach przepływu prądów.
W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika stykające się z elektrodami są
oznaczone: E- emiter, C- kolektor, B- baza.
Rozpatrzmy działanie tranzystora bipolarnego kożystając z poniższych rysunków.
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji PNP
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji NPN
Na rysunkach tych pokazano strukturę tranzystora NPN wraz z zewnętrznymi źródłami zasilania,
miliamperomierzami w gałęziach emitera i kolektora oraz mikroamperomierzem w gałęzi bazy.
emitera i kolektora oraz mikroamperomierzem w gałęzi bazy. Przy zamkniętym tylko wyłączniku w1
płynie jednakowy prąd przez miliamperomierz mA1 i mikroamperomierz μA1 tak jak w diodzie
półprzewodnikowej. Elektrony z obszaru N emitera przechodzą przez obniżoną barierę potencjału, a
następnie ich ubytek jest uzupełniany przez biegun ujemny źródła napięcia UBE. Jeżeli teraz zamkniemy
włącznik w2, to stwierdzimy nie zmienione odchylenie wskazówki miliamperomierza mA1, znaczne
zmniejszenie odchylenia wskazówki mikroamperomierza μA2 i jednoczesne odchylenie wskazówki
miliamperomierza mA3. Na rysunkach tych zaznaczono prądy IE w gałęzi emitera, IB w gałęzi bazy oraz
IC w gałęzi kolektora. Zwroty strzałek prądów są oczywiście przeciwne do kierunków ruchu elektronów.
Zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa
Przedstawione powyżej zjawisko tłumaczy w ten sposób, że elektrony przeskakują obniżoną barierę
potencjału złącza emiter-baza i rozpędzone przechodzą łatwo niewielką grubość bazy, dostając się do
złącza baza-kolektor, skąd zostają wychwytane przez kolektor połączony z biegunem dodatnim UCB.
Praktycznie od 90% do 98% nośników ładunku oddanych przez emiter do bazy dochodzi do kolektora: IC
= 0,90 ÷ 0,98 IE. Prąd w gałęzi bazy
Małym zmianom prądu bazy odpowiadają wielokrotnie większe zmiany prądu kolektora. Stosunek prądu
kolektora do prądu bazy nazywa się wielkosygnałowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego
tranzystora w układzie ze wspólnym emiterem OE (WE)
Podobny wzór obowiązuje również dla małych zmian prądu kolektora ∆IC i małych zmian prądu bazy ∆IB,
czyli:
Współczynnik β0 nazywa się małosygnałowym współczynnikiem wzmosnienia prądowego
tranzystora w układzie WE (OE). Współczynnik β i β0 nie różnią się zbytnio od siebie i często są nazywane
w skrócie wzmocnieniami prądowymi tranzystora. Wartości ich wynoszą od kilkunastu (tranzystory
dużej mocy) do kilkuset, a nawet kilku tysięcy (tranzystory małej mocy).
Tranzystor bipolarny jest zatem elementem wzmacniającym, gdyż małe zmiany prądu bazy
powodują duże zmiany prądu kolektora.
W układzie o wspólnym emiterze - oznaczanym WE lub OE sygnał jest doprowadzony między emiter i
bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i emiter. Emiter stanowi elektrodę wspólną dla źródła
sygnału i obciążenia.
Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o wspólnym emiterze OE
W układzie o wspólnym kolektorze - oznaczanym WC lub OC sygnał jest doprowadzony między bazę i
kolektor, a obciążenie jest włączone między emiter i kolektor. Kolektor stanowi elektrodę wspólną dla
źródła sygnału i obciążenia
Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o wspólnym kolektorze OC
W układzie o wspólnej bazie - oznaczanym WB lub ob. sygnał jest doprowadzany między emiter i
bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i bazę. Baza stanowi elektrodę wspólną dla źródła
sygnału i obciążenia.
Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o wspólnej bazie OB
Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczona w hermetycznie zamkniętej obudowie
metalowej, ceramicznej lub plastykowej. Obudowa ta nie tylko chroni przed uszkodzeniami
mechanicznymi, ale spełnia również inne funkcje. Na przykład w tranzystorach średniej i dużej mocy
umożliwia skuteczne odprowadzanie ciepła.
W tranzystorach unipolarnych - nazywanych też tranzystorami polowymi - wykorzystuje się
zmiany prądu płynącego przez płytkę półprzewodnika typu N lub P, wywołane poprzecznym
polem elektrycznym
Tranzystory te dzieli się na dwie zasadnicze grupy: tranzystory polowe złączowe FET (z ang. FieldEffect Transistor - co znaczy tranzystor wykorzystujący efekt polowy) i tranzystory polowe z
izolowaną bramką MOS, MOSFET (z ang Metal-Oxide Semiconductor - co znaczy metal-tlenek
półprzewodnik).
Rozpatrzmy zasadę działania tranzystora FET.
Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: przepływ prądu przez płytkę
półprzewodnikową
Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: zwężenie kanału i zmiana jego
konduktancji przez napięcie bramki
Płytka półprzewodnika typu P (lub N) po dołączeniu źródła napięcia przewodzi prąd, a jej konduktancja
jest tym większa, im więcej jest atomów domieszki. Jeżeli dołączymy do elektrody S, zwanej źródłem,
dodatni biegun źródła napięcia UDS, a do elektrody D, zwanej drenem, biegun ujemny, to dziury będą
się przemieszczać w kierunku drenu. Warstwa półprzewodnika, w której odbywa się przepływ ładunków
nazywa się kanałem. Gdyby płytka była wykonana z półprzewodnika typu N, to prąd byłby wywołany
przepływem elektronów. Należałoby wówczas zamienić biegunowość źródła napięcia UDS. Zgodnie z
prawem Ohma, przy stałej wartości napięcia UDS, prąd płynący przez płytkę można zmienić przez płytkę
można zmieniać przez zmianę konduktancji kanału. Konduktancję tę zmienia się za pomocą pola
elektrycznego. Na powierzchnię płytki nakłada się elektrodę sterującą G, zwaną bramką. Jeżeli do bramki
G doprowadzimy napięcie dodatnie względem źródła S, to złącze PN, powstałe między bramką a kanałem,
będzie odpychać dziury zdążające do drenu, gdyż jest ono polaryzowane zaporowo. Nastąpi zwężenie
kanału, co utrudni przepływ dziur. Napięcie bramki UGS zwęża więc kanał i zwiększa jego rezystancję.
TYRYSTORY
Tyrystor jest to element półprzewodnikowy o trzech złączach wykonanych w jednej płytce
półprzewodnika typu P lub N. Ma on trzy elektrody: katodę K, bramkę G i anodę A
Rysunek przedstawia symbol graficzny tyrystora
Pod względem działania można go uważać za diodę półprzewodnikową sterowaną. Przewodzi on prąd
jednokierunkowo, tj. od anody do katody. Elektrodą sterującą jest bramka. Z punktu widzenia
użytkownika tyrystor jest wyłącznikiem w, zamykanym za pomocą dodatniego prądu bramki.
Rysunek przedstawia schemat zastępczy tyrystora
Schemat budowy tyrystora przedstawiono poniżej. Na płytkę półprzewodnikową typu P, oznaczoną na
rysunku przez P1, nałożono warstwy półprzewodnikowe N1, N2, a następnie na N2 warstwę P2. Złącza
między nimi oznaczono przez z1 (N1P1), z2 (P1N2) i z3 (N2P2). Elektroda zewnętrzna P2 stanowi anodę,
a elektroda N1 - katodę.
Rysunek przedstawia budowę tyrystora i schemat jego włączania
Jeżeli do anody doprowadzimy zacisk (-) ze źródła napięcia, a do katody zacisk (+), to prąd w tym
obwodzie nie popłynie, bo złącza z1 i z3 będą działać zaporowo. Jeżeli natomiast anodę połączymy z
zaciskiem (+), a katodę z zaciskiem (-) źródła napięcia przez zamknięcie wyłącznika w1 (na powyższym
rysunku) przy otwartym wyłączniku w2, to złącze z2 będzie działać zaporowo i prąd również nie popłynie.
Układ złączy możemy traktować jako tranzystor o bazie P1. doprowadzając niewielkie napięcie między
bazę P1 a katodę N1, która odgrywa rolę emitera, możemy zniweczyć zaporowe działanie warstwy z2. Po
zamknięciu wyłącznika w2, przy zamkniętym wyłączniku w1, zaobserwujemy odchylenie wskazówki
amperomierza.
Na tym polega działanie sterujące tyrystora. Elektroda P1, nazywana bramką, jest elektrodą sterującą
Zjawisko wzmocnienia prądu przez urządzenie oparte na krzemie zaobserwował William Shockley 29
grudnia 1939r. A 24 grudnia 1946 Walter Brattain i John Bardeen opisali jak działa tranzystor
Zostało to odkryte dośc przypadkowo. Badając przepływ prądu między igłą ze złota a germanem
pokrytym tlenkiem, Brittain przez nieuwagę uszkodził warstwę tlenku powodując nagły wzrost prądu - co
Bardeen obecny przy doświadczeniu natychmiast wyjaśnił zjawisko jako injekcję dziur.
FOTODIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA
Jest to półprzewodnik spolaryzowany w kierunku zaporowym, w której pod wpływem natężenia
oświetlenia padającego przez mały otwór w obudowie zmienia się prąd wsteczny i fotodioda zaczyna
wytwarzać napięcie. Moc tego ogniwa jest jednak niewielka i główne zastosowanie znalazła ona w
układach pomiarowych fotometrycznych.
TERMISTOR
Jest to opornik półprzewodnikowy którego oporność zależy w głównym stopniu od temperatury.
Półprzewodnik ten jest stosowany głównie jako czujnik temperatury, np.: w elektronicznych przyrządach
pomiarowych, które można spotkać w samochodach, pralkach bądź piekarnikach.
UKŁAD SCALONY
To mikrominiaturowy układ elektroniczny odznaczający się tym, że wszystkie, lub znaczna część jego
elementów są wykonane nierozłącznie w jednym cyklu technologicznym, wewnątrz lub na powierzchni
wspólnego podłoża którym jest obecnie najczęściej płytka monokrystalicznego krzemu o wymiarach
milimetrowych. Układ scalony który można nabyć w handlu, zawarty jest w obudowie chroniącej go przed
wpływem czynników zewnętrznych (zanieczyszczenia, wilgoć, czynniki mechaniczne).
Układy scalone można różnie klasyfikować.
Pod względem cech technologiczno-konstrukcyjnych dzieli się je na półprzewodnikowe i warstwowe.
Półprzewodnikowym układem scalonym jest układ, w którym zarówno elementy czynne (dioda,
tranzystor) jak i bierne (rezystor, kondensator, cewka), są wytworzone w monokrystalicznej płytce
półprzewodnikowej za pomocą odpowiednich procesów fizyko-chemicznych z zachowaniem ciągłości
mechanicznej kryształu - elementy są nierozłączne, jeden przechodzi w drugi i nie można układu
naprawić.
Warstwowym układem scalonym nazywa się taki układ, który zawiera elementy bierne w postaci
warstw różnych materiałów naniesionych na bierne podłoże izolacyjne - najczęściej na podłoże
ceramiczne. Elementy czynne (półprzewodnikowe), są do układu warstwowego dolutowywane
zewnętrznie.
W zależności od stopnia rozbudowania, układy scalone dzieli się na:
1. SSI (small scale integration) - zawierający do 10 komórek elementarnych
2. MSI (medium ...) - układ zawiera do 100 komórek (wymiary się nie zmieniają),
3. LSI (large ...) od 100 do 1000 komórek w jednej strukturze,
4. VLSI (very large ...) ponad 10 000 do 1 mln komórek (powiązania z mikroprocesorem).
Z pewnością możliwości wykorzystania półprzewodników wzrosły dzięki odkryciu dokonanym przez
polskiego uczonego Jana Czochralskiego.
Jest to sposób otrzymywania dużych kryształów półprzewodników np. krzemu lub arsenku galu. Mały
zarodek kryształu jest powoli wyciągany z tygla, który zawiera stopioną substancję. Podczas takiego
wyciągania kolejne warstwy atomów dołączają do zarodka, oblepiają go, zastygają na nim i powiększają.
W ten sposób tworzy się coraz większy, idealny kryształ. Po upływie 80 lat, mimo opracowania innych
metod, metoda Czochralskiego króluje w laboratoriach i fabrykach. Dzisiaj wytwarza się kryształy krzemu
o wadze kilkudziesięciu kilogramów i średnicy kilkudziesięciu centymetrów.
Tylko w materiale, który jest zbudowany z idealnej sieci krystalicznej, można zapanować nad zjawiskami
elektrycznymi, które dzieją się w skali mikrometrów. Duże kryształy krzemu i arsenku galu, czyli tzw.
monokryształy, są tworzywem współczesnej elektroniki. Tnie się je na cieniutkie płytki, a na nich
umieszcza tranzystory i ścieżki dla prądu. W ten sposób powstają układy scalone i procesory, które
znajdują się w niemal wszystkich dzisiejszych urządzeniach, m.in. silnikach samochodowych,
komputerach, kuchenkach mikrofalowych itp.