POLPREVODNIŠKA ELEKTRONIKA

POLPREVODNIŠKA ELEKTRONIKA (3-1-2) Predavatelj: Franc Smole (kabinet BN308) (govorilne ure: torek, 12 h 14 h ) Asistent: Benjamin Lipovšek (kabinet BN311 3. nad.) http://lpvo.fe.uni-lj.si/izobrazevanje/1-stopnja-un/polprevodniska-elektronika-pe/

Literatura: Franc Smole, Polprevodniška elektronika Založba FE in FRI, 2013 Franc Smole, Marko Topič, Elementi polprevodniške elektronike, Založba FE in FRI, 2014 Benjamin Lipovšek, Janez Krč, Polprevodniška elektronika, Delovno gradivo za laboratorijske vaje Založba FE, 2015

Osnovni cilji predmeta: prikazati zgradbe, delovanje in lastnosti polprevodniških elementov ter na primeru osnovnih povezav elementov prikazati glavne namene uporabe. Poznavanje polprevodniških elementov je pomembno za razumevanje: analogne in digitalne elektronike, močnostne elektronike, optoelektronike, fotonike ter razvijajoče se nanoelektronike.

VSEBINA PREDMETA: Uvod Dvopoli in četveropoli Prevajalne lastnosti dvopolov in četveropolov

Lastnosti polprevodnikov Polprevodniški materiali Zgradba polprevodnikov Tvorba energijskih pasov v kristalih Monokristalni silicij in njegova uporaba Gostota energijskih stanj Verjetnost zasedenosti energijskih stanj Določitev koncentracij prostih elektronov in vrzeli Polprevodnik s primesmi Fermijeva energija in koncentracije nosilcev naboja v polprevodniku s primesmi

Lastnosti polprevodnikov Polprevodniški materiali specifična upornost ρ [Ωcm] steklo nikljev oksid diamant (čisti) žveplo taljeni kremenjak germanij (Ge) silicij (Si) galijev arzenid (GaAs) galijev fosfid (GaP) kadmijev sulfid (CdS) srebro (Ag) baker (Cu) aluminij (Al) platina (Pt) bismut (Bi) specifična prevodnost σ [Scm 1 ] izolatorji polprevodniki kovine

Lastnosti polprevodnikov Zgradba polprevodnikov Tvorba energijskih pasov v kristalih a) b) c) d) PREVODNI PAS E C PREPOVEDANI PAS, E G ATOM Si E V VALENČNI PAS KRISTAL SILICIJA

Lastnosti polprevodnikov Monokristalni silicij in njegova uporaba Si rezine planarna tehnologija na Si rezini je lahko tudi več tisoč čipov posamezen čip integrirani bipolarni tranzistor integrirani MOS tranzistor integrirani upor

Električni toki v polprevodniku Konduktivni tok v polprevodniku Difuzijski tok v polprevodniku Skupne gostote tokov elektronov in vrzeli Generacije in rekombinacije prostih nabojev Kontinuitetna enačba Pregled enačb za analizo električnih lastnosti v polprevodniku Difuzijska enačba in difuzijska dolžina

Pregled enačb za analizo električnih lastnosti v polprevodniku dn Jn = qµ nne+ qdn dx I p + I p dp Jp = qµ p pe qdp dx 1 J n n 1 J G R t q x τ q x n = + n = 0 + n n I p A x x x + x 1 J p p 1 J t q x τ q x p = p 0 G R = E ρ q = = ( p n+ ND NA) x ε ε p p E C E V G R

Polprevodniška pn-dioda pn-dioda brez priključenega vira napetosti ali toka pn-dioda pri priključenem viru napetosti Analiza tokovno-napetostne karakteristike pn-diode Odstopanja od idealne karakteristike pn-diode Prebojna napetost diode, Zenerjev in plazovni preboj Temperaturna odvisnost diodne karakteristike Odvajanje toplote od pn-spoja v okolico Lastnosti diode pri vzbujanju z majhnimi signali Diferencialna upornost, spojna in difuzijska kapacitivnost diode Vzbujanje diode z velikimi pravokotnimi signali Tehnologija izdelave pn-diode Primeri uporabe diod

Polprevodniška pn-dioda Analiza tokovno-napetostne karakteristike pn-diode U U qdppn0 qdnn p0 UT U p n n p S Lp Ln T J = J ( x ) + J ( x ) = ( + )( e 1) = J ( e 1) J J = J n + J p J = J p 0 J n (-x p ) J n (x) x p J n J p J n J p (x n ) J p (x) 0 x" x' 0" 0' x n J = J n x

Polprevodniška pn-dioda I(U) karakteristika pn-diode, odstopanja od idealne karakteristike I [na] I [ma] 20 10 16 8 12 6 8 4 4 2 I S 20 0 20 40 60 80 I realna dioda U [mv] 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 U [V] U BR idealna dioda I S realna dioda U I S izmerjeni

Polprevodniška pn-dioda Prebojna napetost diode, Zenerjev in plazovni preboj diode E C E G q ( U D + U R ) E V zasedena stanja prazna stanja tuneliranje

Polprevodniška pn-dioda Lastnosti diode pri vzbujanju z majhnimi signali Diferencialna upornost, spojna in difuzijska kapacitivnost + I + I(t) U + U(t) _ D( U R + U R ) D( U R ) p _ + n C T Q + Q _ U R + I(t) g R s p n C d n p + U(t) _ p n0 n p0 x p x n x

Polprevodniška pn-dioda Vzbujanje diode z velikimi pravokotnimi signali + R u R _ + i u g U g p n t < t 0 u g _ + u _ U g t t t 0 +t s a) u U t 0 t 1 t p n0 x n t 1 x U g i p n I 0.1I R t I R t t s t f b) p n0 x n t < t 1 x t rr

Polprevodniška pn-dioda Primeri uporabe diod

Bipolarni tranzistor Analiza enosmerne tokovno-napetostne karakteristike BT Orientacije tranzistorja Nelinearni Ebers-Mollov model tranzistorja Aktivno, inverzno aktivno območje, območje nasičenja in zaporno območje Tokovna ojačevalna faktorja tranzistorja α F in β F Prebojne napetosti bipolarnega tranzistorja Maksimalne dopustne moči, napetosti in toki tranzistorja Linearna nadomestna vezja tranzistorja Visokofrekvenčna inkrementalna nadomestna vezja Tranzistor kot stikalo Tehnologija izdelave bipolarnih tranzistorjev Uporaba bipolarnega tranzistorja

Bipolarni tranzistor Analiza enosmerne tokovno-napetostne karakteristike + I E J pe J ne E B C J pc J nc I C + UEB UT 11 12 UT I = AJ ( + J ) = I ( e 1) + I ( e 1) E pe ne UEB UT 21 22 UT I = AJ ( + J ) = I ( e 1) + I ( e 1) C pc nc U CB U CB U EB _ J BE J BR I B J BC U CB _ D p D n ( ) p B0 n E0 I11 = Aq + L p th W L p L n D p I12 = I21 = Aq L p p sh B0 W L p D p D n ( ) p B0 n C 0 I22 = Aq + L p th W L p L n

Bipolarni tranzistor Nelinearni Ebers-Mollov model tranzistorja I C I C α R I C α F I E I E I C β F I B β F I B U EB U EB E0 I (e U T 1) C0 I (e U T 1) I B U CB U CB a) U BE I B I ES e U BE U T U CE U BE I B I ES e U BE U T U CE I E I E a) b) α R I C α F I E I B I C I B I C I E U EB U EB E0 I (e U T 1) I B U CB C0 I (e U T 1) I C U CB b) U BE I ES e U BE U T (1 αf ) β F I B U CE U BE I ES e U BE U T (1 αf ) β F I B U CE c) d)

Bipolarni tranzistor Linearna nadomestna vezja tranzistorja

Bipolarni tranzistor Visokofrekvenčne lastnosti tranzistorja 10 4 β, α 10 3 10 2 β 0 β h 21e 10 1 β 0 2 10 0 α 0 α h 21b β =1 10-1 α 0 2 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 f β f T f α f [MHz]

Tranzistor kot stikalo Bipolarni tranzistor

Uporaba bipolarnega tranzistorja

Unipolarni tranzistor Spojni FET (JFET) Napetost zadrgnitve in napetost nasičenja Tokovno-napetostna karakteristika JFET-a Nadomestno vezje JFET-a pri majhnih signalih MOS transistor MOS tranzistor z induciranim (z bogatenim) kanalom MOS tranzistor z vgrajenim (s siromašenim) kanalom Analiza statične karakteristike MOS tranzistorja Četveropolni parametri in nadomestna vezja Orientacije unipolarnega tranzistorja Unipolarni tranzistor kot stikalo Tehnologija izdelave unipolarnega tranzistorja Uporaba unipolarnega tranzistorja

Unipolarni tranzistor Spojni FET Napetost zadrgnitve in napetost nasičenja Tokovno-napetostna karakteristika spojnega FET-a osiromašeno območje + U GS _ I G G p kanal n D S p I D + U DS _ I D linearno območje območje nasičenja U GS = 0 U GS = U P Nadomestno vezje unipolarnega tranzistorja pri majhnih signalih 1 V 2 V 3 V U DS

Unipolarni tranzistor MOS tranzistor MOS tranzistor z induciranim (z bogatenim) kanalom MOS tranzistor z vgrajenim (s siromašenim) kanalom Analiza statične karakteristike MOS tranzistorja

t Unipolarni tranzistor Uporaba MOS tranzistorja R D R D i D R g i G = 0 i D + U DD _ u g (t) + U GG_ u GS u DS t u gs (t) i D U GS = 7 V U DD R D = 6 V i d (t) t D = 5 V = 4 V I D = 3 V = 2 V U GS = U T U DS R D I D u ds (t) U DD u DS

Močnostni polprevodniški elementi pnpn-dioda, diak

Močnostni polprevodniški elementi tiristor, triak

Močnostni polprevodniški elementi IGBT

Močnostni polprevodniški elementi Uporaba močnostnih elementov

Nekateri drugi polprevodniški elementi Tunelska dioda, Schottkyjeva dioda

Fotonski elementi Spekter elektromagnetnega sevanja Absorpcija svetlobe v polprevodniku Svetleče diode (LED) Zgradba, lastnosti in uporaba svetlečih diod Polprevodniški laserji Spontana in stimulirana emisija Laser z dvojno heterospojno strukturo Pragovna tokova gostota in spektralna porazdelitev Modulacijske lastnosti in primeri uporabe Fotodetektorji fotoupor, fotodioda, fototranzistor Sončne celice Osnovni principi delovanja, izhodni parametri

ENERGIJA [ev] FREKVENCA [Hz] VALOVNA DOLŽINA [µm] λ [µm] KOZMIČNI ŽARKI SKRAJNA GAMAŽARKI X-ŽARKI ULTRA- VIJOLIČNA VIDNA INFRARDEČA SVETLOBA ULTRAVIJOLIČNA VIDNA DALJNA BLIŽNJA VIJOLIČNA MODRA ZELENA RUMENA ORANŽNA MIKROVALOVI INFRARDEČA RDEČA RADIJSKI VALOVI BLIŽNJA SREDNJA IZMENIČNI ELEKTRIČNI TOKOVI DALJNA SKRAJNA

Fotonski elementi Absorpcija svetlobe v polprevodniku Sevalni in nesevalni rekombinacijski prehodi 10 6 energija hν [ev] 3 2 1.5 1 1.75 300 K 10 2 absorpcijski koeficient α [cm -1 ] 10 5 10 4 10 3 10 2 CdS (0.51 µm) a-si:h (0.82 µm) Ge(λ c = 1.88µm) GaAs (0.87µm) Si (1.1µm) Ga.3 In.7 As.64 P.36 (1.4µm) 10 1 1 10 1 10 2 vdorna globina svetlobe α 1 [µm] E C E D E t a) b) a) b) c) d) E G 10 1 10 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 valovna dolžina λ [µm] E A (1) (2) (3) E V

Fotonski elementi Svetleče diode (LED) absorbirani fotoni GaAsP GaAs A a) Θ C p emitirani fotoni B n postopni prehod GaAs 1-x P x (x = 0 0.4) relativna intenzivnost UV VIDNA IR MODRA GaAs-P P ZnS, SiC ZELENA VIJOLIČNA GaP:N GaN RUMENA GaAs.14 P.86 ORANŽNA GaAs.35 P.65 hν [ev] RDEČA GaP:ZnO GaAs.6 P.4 OBČUTLJ. OČESA GaAs INFRARDEČA Ga.17 In.83 As.34 P.66 Ga.28 In.72 As.60 P.40 GaAsP GaP p n postopni prehod GaAs 1-x P x λ [µm] b) SiO 2 odbojni kontakt c) a) b) a) b) c) d)

a) b) vhodni signal vhodni signal Fotonski elementi Uporaba LED LED fotodioda I 1 I 2 hν U b + LED fototranzistor I 1 2 I hν neprozorna zalivka a) b) U b + R b R b Si fototranzistor izolirani izhodni signal izolirani izhodni signal LED izolator steklo hν hν d) e) hν čip LED katoda ( ) čip LED katoda ( ) upor anoda (+) barvna epoksi leča steklo anoda (+) epoksi leča kovinski priključek obroček stekleno okno kovinski plašč kovinski obroč čip LED anoda (+) katoda ( ) a) b) c) d) katoda ( ) steklo - izolator kovinski priključek reflektor čip LED epoksi leča barvna epoksi leča anoda (+) c) f ) breme vhodni krmilni signal hν R ~ 220 V vhodni krmilni signal hν R C breme ~ 220 V

Fotonski elementi Uporaba LED

Fotonski elementi Polprevodniški laserji Spontana in stimulirana emisija Laser z dvojno heterospojno strukturo energija lomni količnik J hν d (~.5µm) jakost sevanja optična omejitev rekombinacije p-al 0.3 Ga 0.7 As p-al 0.1 Ga 0.9 As p-gaas n-al 0.1 Ga 0.9 As n-al 0.3 Ga 0.7 As n-al x Ga 1-x As p-gaas p + -Al x Ga 1-x As optično ravna ploskev + el. tok E C E Fn hν E Fp E V

Fotonski elementi Polprevodniški laserji Pragovna tokova gostota in spektralna porazdelitev Modulacijske lastnosti in primeri uporabe 0.08 tok Si detektorja I D [A] 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 L Si detektor emitirana svetloba laserska dioda 50 Ω + U _ izhodna moč I B I th t t I L izhodna moč I th I B t t I L 0.01 I th 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 a) b) I P tok laserske diode I L [A]

Fotonski elementi Polprevodniški laserji Novejše laserske zgradbe periodična korugacija kontakt periodična korugacija oksid kontakt p + -porazdeljen Braggov reflektor aktivno področje z GRIN-SCH in kvantnimi jamami n + -porazdeljen Braggov reflektor n + -substrat

Fotonski elementi Polprevodniški laserji - primeri uporabe zareza osnova diska disk prosojna plast leča leča polarizacijski filter razpršeni odboj svetlobe od zareze odboj svetlobe od nezarezane površine površina diska leča prizma detektorji smer gibanja (vrtenja) diska substrat magnetna točka laserski snop z veliko močjo laser prizma magnetni material elektromagnet laserski snop segreva, elektromagnetno polje pa magnetizira magnetno točko zapisovalni signal a) b) optični disk odbiti snop fokusirna mrežica dvojna razdelilna fokusirna mreža valovodna plast vmesna plast zrcalo detektor laserski snop z majhno močjo laserski snop z veliko močjo Si substrat laserska dioda + _ + _ + _ + _ fotodiode + _ + _ + _ izhodni signal napaka fokusiranja napaka sledenja c) d) brisalni signal

Fotonski elementi Fotodetektorji fotoupor, fotodioda, fototranzistor P opt RP opt U R p i n Wp W Wn R L a) hν hν hν qu R E C L W D hν hν E V b) ohmski kontakt polprevodnik difuzija elektronov področje električnega polja difuzija vrzeli ohmski kontakt a) b) hν P opt P opt(1 R)e α x baza baza hν n p n kolektor hν p p n emitor emitor a) C CB I ph C β Iph B E B I ph C CB C Kvantni izkoristek [%] 1/α spektralna občutljivost [A/W] x c) kolektor b) E Valovna dolžina λ [µm]

Fotonski elementi Sončne celice Osnovni principi delovanja, izhodni parametri sončno sevanje sprednji kontaktni prsti protiodbojna plast n-tip Si področje prostorskega naboja in vgrajenega el. polja p-tip Si E zunanje breme fotoelektrični tok _ U + zadnji kontakt

Nanoelektronika in nanotehnologije osnovne definicije, trendi na področju nanoznanosti, nanoprevodniki, transportne lastnosti polprevodniških nanostruktur, nanoelementi, enoelektronski elementi, spintronika

LABORATORIJSKE VAJE

Uvodna vaja 1. I(U) karakteristika polprevodniške pn-diode 2. Linearizacija nelinearnega dvopola 3. Kapacitivnost in preklopni časi diode 4. Prebojna dioda in stabilizacija napetosti 5. Parametri prvega in drugega Ebers-Molovega modela BT 6. Inkrementalni četveropolni parametri BT 7. Stikalni časi bipolarnega tranzistorja 8. Mejne frekvence bipolarnega tranzistorja 9. Statična karakteristika spojnega FET 10. Svetleča dioda

Uvodna vaja Karakteristične lastnosti polprevodniških elementov merimo na dva načina: z meritvami električnih parametrov s klasičnimi merilnimi instrumenti z računalniško podprtimi meritvami parametrov nelinearnih elementov Za računalniško podprte meritve smo izbrali programsko okolje LabVIEW, ki temelji na sodobnem konceptu navideznih ali virtualnih instrumentov.

1.vaja: Statična I(U) karakteristika polprevodniške diode I R R n =10MΩ U V V DC K I R U DD U R 2 R z ozemljitev na HP3631A 100Ω 2 R dek I F 1 R z A U DD =30V K 100Ω I F K U F V

GPIB na GPIB kartico v računalniku HP E3631A izhod (0...+25V) napetost 0 V Output OFF com A I F 2 HP 34401A (23) K R z 100Ω I F A K U F V HP 34401A (22)

2.vaja: Diferencialna prevodnost polprevodniške diode i I(U) A DC i g I D 3 K R 2 5.6 kω R 1 (I rms ) U DD 4 U D +u u g (U Grms ) C 1 120 kω 1 µf I D +i g A K VAC I D i g t U D D t g = di du D u u 3 R 2 A IN0 IN8 5.6 kω I D IN1 IN9 K U D K IN2 SEN IN10 GND OUT 0 OUT 1 I/O 0 I/O 1

3. vaja: Preklopni časi in spojna kapacitivnost pn-diode u g R 1 1 kω Y osc (aktivni del sonde osc.) +4 ma i (masa sonde osc.) 0.4 ma ( 10 %) t C vh = C sonde + C vh osc = 27 pf 4 ma t s t t u g C T C sonde (1:10) C vh osc u osc t rr Y osc u g 14pF 13pF

4. vaja: Prebojna dioda kot stabilizator napetosti 1 R 1 620 Ω K1 IN0 IN8 2 R 2 620 Ω K2 IN1 IN9 A 3.3 V U 1 U 2 6.2 V A SEN GND OUT 0 OUT 1 IN2 IN10 I/O 0 I/O 1 I Z R 1 U izh R 1 U vh U Z [V]

5.vaja: Ebers-Mollov model bipolarnega tranzistorja R dekada -I E A -U EB 1.5 kω V E B C R dekada 1.5 kω A -I C -U CB V C B E U B A U B A IB I B smer naprej smer nazaj GPIB na GPIB kartico v računalniku HP E3631A izhod (0...+25V) Output OFF com 40 kω HP 34401A (23) V B C HP 34401A (24) E A HP E3631A izhod (0...+6V) Output OFF

6.vaja: Inkrementalni četveropolni parametri bipolarnega tranzistorja kot ojačevalnika majhnih signalov I b I c U be h 11e h U 12e ce h I 21e b h 22e U ce 3 I B 1 R 2 47 kω R C1 100 Ω C U BB (0...6 V) U g rms ~ I b rms VAC 2 B U be rms C 1 1 µf GND R 1 220 kω C 2 220 µf GND E -I E U ce rms A DC VAC U CC = 10 V

7.vaja: Stikalni časi bipolarnega tranzistorja U + u G U_ i C 90% 10% u CE 90% 10% t d t on t r t s t f t t off i U 20 Ω CC = 5 V C C R Y 2 (aktivni del 2. sonde osc.) (aktivni del 1. sonde osc.) i B B B Y 1 270 Ω u CE R C n + -tip (emitor) p-tip (baza) np meja nasičenja n-tip (kolektor) u g E t r t s (masi sond osc.) n p0 t f

8.vaja: Mejne frekvence bipolarnega tranzistorja I C + I c rms 3 I B 1 R 2 10 kω R C 100 Ω C U BB = 6 V ~ I b rms U g rms VAC 2 GND C 1 1 µf R 1 10 kω C E 220 µf R E 100 Ω GND U ce rms VAC U CC = 25 V f T 1 khz 10 3 β F = f T f β 0 10 β 2 0 2 β F 10 1 10 0 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 f β Frekvenca, f [khz] f T

9.vaja: MOS tranzistor IN 0 IN 8 100 Ω D n IN 1 IN 9 IN 2 IN 10 G SEN GND S n OUT 0 OUT 1 I/O 0 I/O 1

10.vaja: Svetleča dioda (LED) LED +5V Θ IN0 IN1 IN2 IN8 IN9 IN10 ANODA R Z 100 Ω R Y R vidno področje SEN GND G OUT 0 OUT 1 I/O 0 I/O 1 KATODA B W R B 4.7 kω BAZA EMITOR 2r R A I F ANODA U F U CC = 5V U CEsat R B 4.7 kω BAZA EMITOR

Oprema v Laboratoriju za polprevodniško elektroniko

Elektronska industrija doživlja v zadnjih 50-ih letih izjemno hiter razvoj in ima močan vpliv na človekovo življenje. Danes predstavlja največjo industrijo, saj ima prek trilijon dolarjev celotne prodaje. Temelj elektronske industrije so polprevodniški elementi, ki se v elektronskih sklopih lahko pojavljajo kot samostojni elementi ali pa kot gradniki kompleksnih integriranih vezij. Zaradi stalne potrebe po hitrejših in kompleksnejših sistemih, ki jih zahteva današnja informacijska doba, potekajo še vedno intenzivne raziskave obstoječih polprevodniških elementov, odkrivajo pa tudi nove. Bodisi zaradi zahtev po višjih hitrostih delovanja, nižjih močeh, večjih gostotah in višjih izkoristkih bodisi zaradi novih funkcij se število in tipi polprevodniških elementov neprestano povečujejo.

c) d) Raziskave polprevodniških elementov sežejo v leto 1874, glavni preboj pa se je zgodil v letu 1947, ko so v Bellovih laboratorijih iznašli bipolarni tranzistor. Do danes je bilo razvitih prek sto glavnih elementov in raznih izpeljank, vsi pa so izdelani iz majhnega števila osnovnih gradnikov. E F E C E F E F E C E F E V E V a) b) E C E C E F E F E F E F E V E C E C E V EV E V