Polovodiče • 1821 Thomas Seebeck PbS • Vykazují záporný teplotní koeficient – el vodivost roste se zvyšující se T • Pásová struktura – posouzení vodivosti izolant polovodič kov • Schopnost vést el. proud, pokud přejdou elektrony z valenčního do vodivostního pásu • energie 1 = = 1,602 10 (U = 1 V) • Si: = 1,12 Ge: = 0,66 (IV. skupina Menděl. soustavy) Vlastní polovodič Vliv teploty: • T = 0 K → žádný elektronv v Ec – vlastnosti jako izolant • T vyšší než 0 K → elektrony získaly dostatečnou energii (E ˃ EG) pro přechod do Ec Po elektronu se záporným nábojem –q (v Ec) vzniká stejně velký kladný náboj +q (v Ev) v podobě díry = = n – počet elektronů, p –počete děr, ni – intrinzická konc. na jednotku objemu Si: 10 Ge: 10 (pro teplotu 300 K) Vlastní polovodič • pravděpodobnost, že je hladina obsazena elektronem → Fermi – Diracova rozdělovací funkce = (EF – v ½ EG) E – uvažovaná energie, EF – Fermiho energie k – Boltzmanova konstanta, T – teplota (v Kelvinech) • počet elektronů = ∫ gC – počet dovolených stavů ve vodivostním pásu • počet děr = ∫ 1 − ( ) gV – počet dovolených stavů ve valenčním pásu Vlastní polovodič • koncentrace elektronů = NC – efektivní hustota stavů ve vodivostním pásu • koncentrace děr = NV – efektivní hustota stavů ve valenčním pásu • hodnota intrinzické koncentrace = = (EG – energie zakázaného pásu) Nevlastní polovodič - N Atom ze IV. skupiny (Si, Ge) nahrazen atomem V. skupiny (P, As, Sb) → donory • velmi malá aktivační energie (0,05 eV) – při pokojové teplotě jsou již všechny příměsi aktivovány • elektronová vodivost – převažují elektrony → majoritní nosiče • EF v blízkosti EC • ≠ , = Nevlastní polovodič - P Atom ze IV. skupiny (Si, Ge) nahrazen atomem III. skupiny (B, In, Ga, Al) → akceptory • velmi malá aktivační energie (0,05 eV) – při pokojové teplotě jsou již všechny příměsi aktivovány • děrová vodivost – převažují díry → majoritní nosiče • EF v blízkosti EV • ≠ , = Nevlastní polovodič • Vodivost příměsových polovodičů (typu N a P) – nevlastní vodivost. • Při ionizaci (aktivaci) příměsi vzniká jeden pohyblivý nosič a jeden nepohyblivý iont Koncentrace nosičů u nevlastního polovodiče (typ N) Nad T1 – aktivovány všechny donory, nad T2 – vlastní polovodič → pracovní oblast polovod. součástek mezi T1 a T2 (100 K až 450 K) (T1 – první aktivační teplota, T2 – druhá aktivační teplota) Vedení proudu v polovodičích 1) Drift nosičů náboje makroskopické měřítko mikroskopické měřítko Drift – pohyb nabité částice vlivem přiloženého elektrického pole E • díry urychlovány ve směru pole E • elektrony urychlovány proti směru pole E – přenášejí však záporný náboj → výsledný proud je také ve směru pole E driftová rychlost = (elektrony) = (díry) µn , µp - pohyblivost elektronů a děr ( > ) Vedení proudu v polovodičích driftový proud (pozn.: proud je definován jako náboj, který za jednotku času projde libovolnou plochou kolmou ke směru toku nosičů) , = , = driftová proudová hustota ( = ) , = , = dosazením za = respektive = , = , = výsledný driftový proud (dán součtem proudu elektronů a děr) = , + , = + Vedení proudu v polovodičích 2) Difúze nosičů náboje = − (D – difúzní koef. c –koncentrace) Difúze – částice migrují z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací dokud není koncentrace v celém objemu konstantní • koncentrační gradient je pro elektrony i díry dle obrázku shodný → elektrony i díry difundují ve směru –x → difúzní tok , - teče ve směru +x, tedy , = , - teče ve směru –x, tedy , = − Výsledný difúzní proud (dán „rozdílem“ dif. proudu elektronu a děr) = − Vedení proudu v polovodičích Výsledný proud Určen součtem driftového a difúzního proudu = + = + + − Pozn.: vedení proudu v polovodičích je ovlivněno procesem generace a rekomobinace. • generace → vzniká pár elektron – díra • rekombinace → zaniká pár elektron – díra Teplotní napětí (Einsteinův vztah) = = = pro 300 K je velikost UT = 26 mV PN přechod Spojením polovodiče N a P P N • elektrony v blízkosti přechodu difundují z oblasti N do P a zanechávají za sebou kladný prostorový náboj – ten odpuzuje kladné volné díry difundující ze stany P • díry v blízkosti přechodu difundují z oblasti P do N a zanechávají záporný prostorový náboj – odpuzuje volné elektrony difundující ze strany N • v oblasti přechodu volné elektr. a díry rekombinují → vznik depl. oblasti • driftové síly el. pole vytvořeného prostorovým náboje působí proti difúznímu pohybu → v oblasti přechodu rovnováha difu. a drift. sil PN přechod • v oblasti přechodu je rozdíl potenciálů → difúzní napětí UD = ln NA – koncentrace akceptorů, ND – koncentrace donorů pro: kT/q = UT = 26 mV ni = 1010 cm-3 NA = 1015 cm-3 ND = 1015 cm-3 UD = 0,599 V PN přechod Při přiložení vnějšího napětí • při kladné polaritě napětí (U > 0) se snižuje depletiční oblast • při záporné polaritě napětí (U < 0) se rozšiřuje depletiční oblast saturační proud: = + Dn, Dp – difúzní koeficient, Ln, Lp – střední difúzní délka minorit. nosičů NA, ND – koncentrace donorů a akceptorů A – plocha přechodu PN přechod Rovnice diody (Shockleyho rovnice ideální diody) = − 1 = − 1 U – napětí na PN přechodu UT – teplotní napětí (cca 26 mV) Propustní směr závěrný směr ≫ ≪ ≈ ≈ ≈ Kapacita PN přechodu Bariérová kapacita • převažuje v závěrném směru • vlivem prostorového náboje v depletiční vrstvě = Difúzní kapacita • převažuje v propustném směru Celková kapacita • součtem bariérové a difúzní kapacity = + --------------------------------------------------------------------------------------------- Literatura – hlavní zdroj informací pro polovodiče a PN přechody: Musil, V. a kol.: Elekronické součástky. 2. vyd. Brno: VUT, 1996. ISBN 80-214-0821-9.(Skriptum) Polovodičové diody Využívají nelineárních vlastností PN přechodu Dělení dle konstrukce: • hrotové • plošné (slitinové, difúzní, planární a Schottkyho) Dělení dle funkce a použití • usměrňovací (nízkovýkonové a výkonové) • detekční a spínací • stabilizační a referenční (tzv. Zenerovy diody) • tunelové a inverzní • kapacitní (varikapy, varktory) • luminiscenční (svítivé a laserové) • fotodiody • speciální diody Polovodičové diody Výroba: proti destičce 1 x 1x 0,1 mm připevněné na držáku se pohybuje zahnutý wolframový hrot než dojde k el. kontaktu. Následuje zatavení konců skleněné trubičky, v níž je destička umístěna. Jako poslední operace se provádí formování el. impulzem v propustném směru – vlivem velké teploty se pod hrotem pozmění krystalická struktura. Vlastnosti: • malá parazitní kapacita • malý ztrátový proud (cca 10mW) • malá hodnota max. proudu (desítky mA) • velký sériový odpor • krátká zotavovací doba Použití: usměrnění malých signálů velkých kmitočtů (tzv.mikrovlnné diody) hrotová s přivař. zlatým hrotem Polovodičové diody Plošnédiody Náhradní obvod diody Up ‒ prahové napětí Si: 600 mV Ge: 200mV Uz ‒ závěrné napětí Dioda • Ne vždy používáme diodu ve všech oblastech • Náhradní zapojení lze zjednodušit • Nevystihuje dynamické vlastnosti Změna VA – charakteristiky v závislost na teplotě Komutace u diody Spojování diod Příklady použití diody