I. Dioda

Diodą półprzewodnikową nazywamy element wykonany z półprzewodnika i zawiera jedno złącze p-n oraz dwa wyprowadzenia.

a) charakterystyka prądowo napięciowa

U>0 dioda pracuje w kierunku przewodzenia.
U<0 dioda pracuje w kierunku zaporowym.

W kierunku przewodzenia diodę można traktować jako źródło napięciowe (spadek napięcia na diodzie nie zależy od prądu płynącego przez diodę). W kierunku zaporowym diodę można traktować jako źródło prądowe o bardzo małej wartości prądu. Diodę można traktować jako element nieliniowy dla całej charakterystyki lub liniowy dla pewnej części charakterystyki prądowo napięciowej. Wartość napięcia UF = 0,7V wynika z konieczności pokonania bariery potencjału istniejącej na złączu p-n.

b) Punkt pracy

Punkt pracy jest to pewien punkt na charakterystyce diody określający wartość prądu płynącego przez diodę i wartość napięcia na diodzie. Rozróżniamy dwa rodzaje punktu pracy.

• statyczny punkt pracy (spoczynkowy punkt pracy) jest to punkt pracy określony dla prądu stałego.
• dynamiczny punkt pracy wprowadza się wtedy gdy przez element płynie prąd zmienny (może on przebiegać w niewielkim otoczeniu punktu statycznego). Jeżeli dynamiczny punkt pracy przesuwa się w niewielkim otoczeniu spoczynkowego punktu pracy to mówimy o tzw. mało sygnałowej pracy diody. Jeżeli dynamiczny punkt pracy przemieszcza się po całej charakterystyce to mówimy o wielokanałowej pracy diody.

c) Kierunki pracy

• kierunek przewodzenia (dioda spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia)

• kierunek zaporowy (dioda spolaryzowana jest w kierunku zaporowym)

d) Dioda uniwersalna

• Parametry dopuszczalne dla diody uniwersalnejU_R max – dopuszczalne napięcie wsteczne
  U_RM max – dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne
  I_F max – dopuszczalny prąd przewodzenia
  I_FM max – dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia
  t_j max – temperatura złącza
• Parametry charakterystyczne dla diody uniwersalnejU_F(I_F) – napięcie przewodzenia przy określonym prądzie przewodzenia
  I_R(U_R) – prąd wsteczny przy określonym napięciu wstecznym
  C_j(U_R) – pojemność złącza podana przy określonym napięciu wstecznym
  r(I_F) – rezystancja dynamiczna dla określonego prądu przewodzenia
  t_rr – czas ustalania prądu wstecznego
• Przykładowe parametry diod uniwersalnych
  

e) Dioda prostownicza

Diody prostownicze w technice stosowane są w układach zasilających do prostowania napięć przemiennych o małej częstotliwości.

• Parametry dopuszczalne dla diody prostowniczej:

U_RWM = U_R max – dopuszczalne napięcie wsteczne
U_RSM = U_RM max – dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne
I₀ max (I_AV) – dopuszczalny prąd wyprostowany
I_FSM – niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia
t_j max – temperatura złącza

• Parametry charakterystyczne dla diody prostowniczej:

U_F(IF) – napięcie przewodzenia przy określonym prądzie przewodzenia
I_R(U_R) – prąd wsteczny przy określonym napięciu wstecznym
C_j(U_R) – pojemność złącza podana przy określonym napięciu wstecznym
r(I_F) – rezystancja dynamiczna dla określonego prądu przewodzenia
t_rr – czas ustalania prądu wstecznego (dla diod prostowniczych trr przyjmuje się 500ns).

f) Dioda Zenera

Dioda Zenera (stabilizacyjna) jest przeznaczona do stabilizacji , ograniczania napięć lub jako źródło napięć. Dioda Zenera pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym (wstecznym). Charakteryzuje się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Wykorzystuje się w nich zjawisko Zenera oraz jonizacji lawinowej. Zjawisko Zenera polega na przechodzeniu elektronów z pasma walencyjnego półprzewodnika typu p i przenoszeniu ich przez barierę potencjału do pasma przewodnictwa w obszarze typu n. W wyniku tego zwiększa się gwałtownie prąd wsteczny złącza.

Zjawisko Zenera w złączach krzemowych występuje przy napięciach niższych niż 5V. Jonizacja lawinowa następuje w obszarze warstwy zaporowej złącza i jest spowodowana „bombardowaniem” atomów siatki krystalicznej silnie rozpędzonymi elektronami tworzącymi prąd wsteczny.

Model pasmowy złącza p-nspolaryzowanego w kierunku zaporowym z uwzględnieniem efektu Zenera. Czerwoną strzałką zaznaczono prąd tunelowy nośników ładunku z pasma walencyjnego (E_V) do pasma przewodnictwa (E_C).

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera przy polaryzacji w kierunku zaporowym i przewodzenia wraz z jej podstawowymi parametrami.
P_max – dopuszczalna moc jaka może wydzielić się na diodzie
I_Z max – dopuszczalny prąd diody
t_j max – dopuszczalna temperatura złącza

Parametry charakterystyczne dla diody Zenera

U_Z – napięcie stabilizacji, Zenera.
r_Z – rezystancja dynamiczna w zakresie przebicia
T_KUZ – temperaturowy współczynnik napięcia Zenera
U_F – napięcie przewodzenia
I_R – prąd wsteczny

g) Dioda pojemnościowa

Diody pojemnościowe to diody półprzewodnikowe w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza p-n pod wpływem doprowadzonego z zewnątrz napięcia. Diodę polaryzuje się w kierunku wstecznym. Pojemność diody zależy od grubości warstwy zaporowej. Gdy wartość napięcia polaryzującego diodę w kierunku wstecznym wzrasta wówczas pojemność diody maleje.

Zakres zmian pojemności diody określa się z jednej strony jako pojemność minimalną wyznaczoną przy napięciu bliskim napięciu przebicia, z drugiej strony pojemność maksymalną wyznaczoną przy napięciu bliskim zero. Dla typowych diod pojemność zmienia się od kilkunastu do ponad stu pF.

Diody pojemnościowe dzieli się na warikapy i waraktory

• Warikapy są to elementy o zmiennej pojemności stosowane głównie w układach automatycznego przestrajania obwodów rezonansowych. Przestrajanie odbywa się przez zmianę wartości napięcia polaryzującego. Zastosowanie w odbiornikach radiowych.
• Waraktory są to diody o zmiennej reaktancji spełniające funkcje elementów czynnych. Główne znajdują zastosowanie np. w powielaczach częstotliwości.

Parametry dopuszczalne dla diody pojemnościowej

U_R max – dopuszczalne napięcie wsteczne
U_RM max – dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne
I_F max – dopuszczalny prąd przewodzenia
t_j max – temperatura złącza

Parametry charakterystyczne dla diody pojemnościowej

C_j(U_R) – pojemność złącza podana przy określonym napięciu wstecznym

C_j(U_R1) / C_j(U_R2) – zakres przestrajania.

II. Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny posiada dwa złącza p-n wytworzone w jednej płytce półprzewodnikowej. Ze względu na kolejność ułożenia warstw półprzewodnika rozróżniamy dwa typy tego tranzystora.

a) Zasada działania

Nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury. Zasada działania, tranzystora jako wzmacniacz. Aby tranzystor wzmacniał należy go odpowiednio spolaryzować tzn. w taki sposób, aby złącze emiterowe było spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektorowe w kierunku wstecznym.

b) Układy pracy tranzystora

Aby tranzystor pracował jako czwórnik należy jedną z końcówek traktować jako wspólną dla wejścia. Dla wzmacniaczy mocy potrzebne jest aby baza była jedną z końcówek wejściowych a kolektor jedną z końcówek wyjściowych.

III. Warystor

Warystor to element półprzewodnikowy nieliniowy, którego rezystancja zależy od napięcia. Warystory mają nieliniową charakterystykę prądowo napięciową i jest ona symetryczna względem początku układu współrzędnych. Warystory wykonuje się najczęściej jako spiek węglika krzemu.

a) Parametry warystorów

• napięcie charakterystyczne (U_ch) jest to spadek napięcia na warystorze określany dla stałej wartości prądu (1mA , 10mA , 100mA) i maksymalnej mocy jaka może się w nim wydzielić.
• współczynnik nieliniowości (ß) zależny od materiału i technologii wykonania, mieści się w przedziale od 0,12-1.
• moc znamionowa.

b) Podział warystorów

• walcowe (Uch = 470V – 1300V),
• dyskowe (Uch = 8V – 330V).

c) Zastosowanie warystorów

• zabezpieczenie obwodów elektrycznych i elektronicznych przed przepięciami
• jako element stabilizujący napięcie

IV. Termistor

Termistor jest elementem półprzewodnikowym którego rezystancja zależy od temperatury.

a) podział termistorów

• o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji (NTC),
• o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji (PTC),
• o skokowej zmianie rezystancji (CTR).

Charakterystyka rezystancyjno temperaturowa termistorów.

b) Zastosowanie termistorów

• zabezpieczanie układów przed wzrostem temperatury
• regulacja , stabilizacja temperatury
• kompensacja wpływu temperatury

V. Hallotron

Halotron jest elementem półprzewodnikowym, ma kształt płytki prostopadłościennej. Na krawędziach płytki umieszczone są 4 elektrody. W elemencie tym wykorzystywane jest zjawisko Halla. Zjawisko to polega na tym że jeżeli przez płytkę płynie prąd Ix i jeżeli jednocześnie na płytkę działa pole magnetyczne o indukcji B prostopadłej do powierzchni płytki to między elektrodami napięciowymi powstaje różnica potencjałów. Hallotrony tworzy się z litych materiałów półprzewodnikowych monokrystalicznych lub polikrystalicznych lub są naparowywane na podłoże izolacyjne tworząc cienką warstwę. Grubość hallotronów litych nie jest mniejsza od 100 – 300 ľm. Grubość hallotronów naparowywanych jest rzędu 10 ľm. Do produkcji hallotronów stosuje się najczęściej półprzewodniki typu n czyli german, krzem, arsenek indu, arseno-fosforek glinu.

Zastosowanie hallotronów

• do pomiaru pola magnetycznego,
• regulacja pola magnetycznego,
• pomiar wielkości nieelektrycznych (kąt obrotu , przesunięcie , ciśnienie),
• pomiar mocy,
• jako mierniki przesunięć fazowych,
• do wykonywania operacji matematycznych,
• do przetwarzania sygnałów.

VI. Gausotron

Gausotron (magnetorezystor) jest elementem półprzewodnikowym dwuelektrodowym o rezystancji zależnej od pola magnetycznego. Do budowy gausotronów najczęściej stosuje się InSb.

VII. Fotokomórka

Służy do zmiany sygnałów świetlnych na sygnały elektryczne. Jest diodą próżniową lub gazową z fotokatodą. Ma kształt wycinka powierzchni kuli lub półcylindra o dużym polu natomiast anoda jest pętlą z drutu uwieszoną w środku krzywizny katody. Ilość elektronów emitowanych przez fotokatodę zależy od natężenia światła padającego na fotokomórkę i do wymiarów fotokatody, a więc od strumienia świetlnego. Prąd anody fotokomórki jest zatem sterowany przez strumień świetlny. Fotokomórki są stosowane przede wszystkim w projektorach kinowych do przetwarzania sygnału dźwiękowego zakodowanego na taśmie filmowej obok klatek obrazowych. Mają też zastosowanie w urządzeniach pomiarowych do przetwarzania zmian oświetlenia na sygnały elektryczne. Zaletą jest szybkość działania lepsza od fotodiod próżniowych.

1. katoda napylona na wewnętrzną powierzchnie bańki
2. anoda z drutu

a) Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Polega na emisji elektronów z metali pod wpływem dostarczonej energii promieniowania świetlnego. Zjawisko zachodzi, gdy suma energii początkowej elektronów oraz energii dostarczonej jest większa lub równa od pracy wyjścia elektronów.

• W_o energia początkowa elektronu,
• h stała plancka,
• c prędkość światła 300000,
• L długość fali świetlnej,
• W_w praca wyjściowa elektronów energia potrzebna do opuszczenia (metalu).

b) Parametry

• czułość (stosunek przyrostu prądu do przyrostu oświetlenia),
• prąd ciemniowy (przy braku naświetlania katody prąd ~ 0,01LA).

VIII. Fotorezystor, fotodioda

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne występuje w półprzewodnikach i polega na powstawaniu dodatkowych nośników prądu (dziur i elektronów) pod wpływem naświetlania. Nośniki nie opuszczają materiału naświetlonego. Niektóre materiały półprzewodnikowe mogą zmieniać swoją rezystancje pod wpływem naświetlania promieniami : świetlnymi, podczerwonymi, nadfioletem. Do takich materiałów należą: krzem, german, selen, …

a) Fotorezystor

Stanowi go warstwa lub płytka materiału półprzewodnikowego o dużej czystości, która jest umieszczona na podłożu izolacyjnym z okienkiem umożliwiającym naświetlanie. Jest zamknięty w hermetycznej obudowie.

1 okienko przeźroczyste,
2 fotoczuła warstwa półprzewodnika,
3 obudowa,
4 wyprowadzenia.

Charakterystyka prądowo – napięciowa

I = f (u) / E = const. (f)
E natężenie oświetlenia [Lx]
f strumień świetlny [lm]

Przy stałym natężeniu oświetlenia ze wzrostem napięcia przełożonego do fotorezystora prąd płynący przez niego rośnie. Przy stałym napięciu ze wzrostem natężenia światła prąd rośnie, a rezystancja maleje. Materiałami na fotorezystory są związki ołowiu i kadmu oraz germanu z domieszką cynku miedzi lub złota.

b) Parametry fotorezystora

• czułość widmowa (jest to zależność rezystancji od natężenia oświetlenia),
• rezystancja fotorezystora,
• rezystywność półprzewodnika,
• d odstęp między elektrodami,
• l szerokość elektrod,
• prąd ciemniowy,
• moc wydzielona na fotorezystorze.

c) Foto dioda

Stanowi złącze p-n o odpowiedniej konstrukcji. Zamknięte w hermetycznej obudowie z okienkiem umożliwiającym naświetlanie odpowiedniego obszaru złącza. Działa przy wykorzystaniu polaryzacji zaporowej to znaczy wykorzystywana jest zależność prądu wstecznego od strumienia świetlnego padającego na złącze.

Charakterystyka

Przy braku naświetlania przez fotodiodę płynie prąd ciemny wywołany generacją termiczną nośnika. Prąd wsteczny płynący przez fotodiodę rośnie ze wzrostem oświetlenia przy stałym napięciu i nie zależy od napięcia polaryzacji wstecznej fotodiody.

IX. Układy scalone

Jest to technologiczna realizacja układu elektrycznego charakteryzująca się tym, że pewna ilość elementów jest związana ze sobą nierozłącznie i wytworzona w ciągu jednego procesu technologicznego. Charakteryzuje się strukturą topologiczną to znaczy, że w obszarze układu można wyodrębnić podobszary z pojedynczym elementem.

a) Klasyfikacja

• ze względu na konstrukcję i technologie wykonania

• • półprzewodnikowe
  • warstwowe
  • cienkowarstwowe
  • grubowarstwowe

• ze względu na przeznaczenie funkcjonalne

• • układy analogowe
  • układy cyfrowe
• ze względu na stopień scalenia

• • SSI (Small scale integracjon) 100 elem.
  • MSI (Medium scale integracjon) 100 – 1000 elem.
  • LSI (Large Scale integracjon) 103 – 105 elem.
  • VLSI(Very large scale integracjon) > 105 elem.

b) Budowa

• podłoże, to część układu wiążąca pewną ilość elementów na swej powierzchni lub swej objętości. Rozróżniamy dwa typy podłoża. Podłoże bierne izolacyjne są na nim nanoszone warstwy oraz elementy dyskretne. Podłoże czynne (aktywne) jest ono typu półprzewodnikowego,
• układ półprzewodnikowy, elementy wykonywane są na powierzchni, lub w objętości podłoża półprzewodnikowego,
• układ warstwowy, elementy wykonywane są na powierzchni podłoża izolacyjnego.

c) Proces wytwarzania układów scalonych

• przygotowanie płytek podłożowych. Oczyszczenie płytek pozbawionych domieszek. Monokrystalizacja płytek podłożowych, czyli uzyskanie monokryształów krzemu ze stopionej substancji półprzewodnika,
• wytwarzanie warstw dielektrycznych i innych. Warstwa dielektryczna stanowi dwutlenek krzemu SiO2, który jest wytwarzany na krzemie poprzez jego utlenianie,
• fotolitografia, polega na selektywnym maskowaniu powierzchni emulsją światłoczułą i chemicznym wytrawieniu obszarów niezamaskowanych. Mamy dwa rodzaje emulsji negatywowa i pozytywowa. Etapy fotolitografii: przygotowanie maski i podłoża, nakładanie emulsji światłoczułej, suszenie, naświetlanie, wywoływanie, trawienie
• domieszkowanie,
• nakładanie warstw metalicznych,
• łączenie termokompresyjne i ultradźwiękowe,
• hermetyzacja układu.

X. Półprzewodnik

Półprzewodnik to pierwiastek lub związek chemiczny, który w temp. Pokojowej posiada rezystywność (10-4 – 10-8) [Wm]. [Krzem (Si), German (Ge), Związki kadmu (Arsenek galu)]

Cztery elektrony zewnętrzne tworzą wiązania kowalencyjne. Półprzewodniki posiadają budowę krystaliczną. Atomy krzemu znajdują się w węzłach siatki krystalicznej. Atom krzemu posiada 14 elektronów = 2 + 8 + 4 walencyjne.

Przewodzenie prądu przez przewodnik:

Prąd w przewodniku stanowią ruchome nośniki ładunków, elektrony. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego w jedną stronę poruszają się elektrony (w paśmie przewodnictwa), w drugą dziury (w paśmie podstawowym). Nośniki poruszają się w przewodniku pod względem pola elektrycznego oddziałującego na elektrony z siłą F=qE. Dziury i elektrony stanowią dwa rodzaje nośników w półprzewodniku. Liczba (ilość) dziur lub elektronów zwana jest koncentracją. Półprzewodniki mogą być samoistne lub domieszkowane.

a) Półprzewodnik samoistny

To taki w którym koncentracja dziur i elektronów jest taka sama. Można ją zwiększyć poprzez (wprowadzenie atomów domieszek, promieniowanie elektromagnetyczne, zwiększanie temperatury).

b) Półprzewodnik domieszkowany

Koncentracja dziur i elektronów jest różna. Mamy dwa typy domieszkowanych n i p

Otrzymywanie typu n i p:

• Typ n otrzymujemy po wprowadzeniu do sieci krystalicznej czystego półprzewodnika (czystego krzemu) atomów pierwiastków pięciowartościowych (fosfor, arsenek galu). Dodatkowy 5 elektron jest elektronem swobodnym i przemieszcza się pod wpływem pola elektrycznego. Powstaje więc nieruchomy jon dodatni jednostki donorowej. Domieszki piątej grupy nazywamy domieszkami DONOROWYMI. Występuje nadmiar elektronów.
• Typ p otrzymujemy po wprowadzeniu do czystego krzemu atomów pierwiastków trójwartościowych z trzeciej grupy (bor, aluminium, nil). Domieszki zawierają trzy elektrony walencyjne, które łączą się z trzema elektronami atomów krzemu do zapewnienia czwartego wiązania brakuje jednego elektronu, który może być łatwo oderwany od innego atomu krzemu. Domieszki zwane AKCEPTORAMI. Występuje nadmiar dziur elektronowych.

c) Podsumowanie

W półprzewodnikach typu n jest więcej elektronów niż dziur więc elektrony nazywamy nośnikami większościowymi, a dziury nośnikami mniejszościowymi.W półprzewodniku typu p jest więcej dziur niż elektronów, więc dziury nazywamy nośnikami większościowymi.