DCE - analogic

DCE - Cap.1. INTRODUCERE 9

Cap.1. INTRODUCERE n curs se prezint dispozitivele i circuitele electronice fundamentale ce intervin n

prelucrarea electronic a semnalelor analogice. Termenul de "electronic" este asociat mecanismului electronic de conducie electric.

Prin component electronic se nelege realizarea fizic a unui element electric individual, ntr-un corp fizic independent, care nu poate fi redus mai departe sau divizat, fr a distruge posibilitatea de a ndeplini funcia pentru care a fost realizat. Componentele electronice se mpart n dou categorii: pasive i active. Componentele pasive sunt elemente disipative (consum putere activ i o transform n cldur) i nu pot controla fluxul de energie dintr-un circuit electric. Ex.: rezistoare, condensatoare, bobine de inductan, transformatoare etc. Circuitele formate numai din componente pasive nu pot efectua cea mai important funcie electronic: amplificarea. Aceasta poate fi realizat de componentele active, care sunt elemente care pot comanda sau modula fluxul de energie dintr-un circuit. Ex.: dioda semiconductoare, tranzistoare, tuburi cu vid sau cu gaz, dispozitive optoelectronice etc. Uzual, pentru componentele pasive se folosete termenul de "componente", iar pentru cele active, termenul de "dispozitive". Dispozitivele electronice se bazeaz pe controlul micrii purttorilor de sarcin n corpul solid (de regul n semiconductoare), n gaze sau n vid.

Circuitele electronice sunt acele circuite electrice care folosesc dispozitive electronice. Ele realizeaz diverse funcii electronice: amplificarea, redresarea, stabilizarea tensiunii, generarea de oscilaii armonice, modularea, demodularea etc. Circuitele electronice se mpart n dou categorii:

1) circuite digitale (numerice, logice): acele circuite care prelucreaz semnale binare, adic semnale care pot avea numai dou valori (0 sau 1);

2) circuite analogice: circuitele la care semnalul de ieire variaz continuu n timp, urmrind dup o anumit lege variaia semnalului de intrare. Dup natura funciei de transfer, adic a relaiei dintre mrimea de intrare i cea de ieire, circuitele analogice se mpart n circuite liniare i neliniare.

Dispozitivele electronice sunt n general neliniare, dar ele pot fi considerate suficient de liniare n domenii de funcionare limitate.

Tubul electronic a fost primul dispozitiv folosit n electronic. nc din anul 1883, Thomas Edison, a studiat i a construit o lamp cu filament de carbon, atrgndu-i atenia nnegrirea tubului de sticl dup cteva ore de funcionare. Cu intenia de a capta unele din particulele care nnegreau sticla, a introdus n balonul de sticl o plac metalic i a fost surprins s descopere c dac fcea placa pozitiv n raport cu filamentul, n circuit aprea un curent. Timp de douzeci de ani nimeni nu a tiut c acest efect termoelectronic numit "efect Edison", era datorat electronilor emii de filamentul cald i captai de anodul (placa) ncrcat pozitiv. nnegrirea lmpii a fost studiat i de Ambrose Fleming, cercetnd realizarea unui detector evoluat pentru undele radio ale lui Marconi. n 1904 el i-a patentat "tubul oscilator" cu doi electrozi (dioda) care permitea trecerea curentului ntr-o singur direcie. Lee de Forest a construit n 1907 un tub electronic cu o gril (reea) metalic ntre catod i anod, numit triod. Urmeaz tetroda (Schottky, 1919), pentoda (Tellegen, 1928) etc.

n anii 30 au aprut redresoarele cu diode metal-semiconductor (cu seleniu, cu oxid cupros), apoi cu germaniu (Ge) i cu siliciu (Si). Primul tranzistor bipolar a fost cel cu contacte punctiforme, realizat de Bardeen i Brattain n 1948, dar nu s-a impus din cauza puterii foarte mici. Cel mai important dispozitiv electronic este, la ora actual, tranzistorul bipolar cu jonciuni, inventat de Shockley n 1949.

Cu excepia unor aplicaii specializate (n emitoarele radio, tuburile catodice), tuburile electronice au fost nlocuite dup 1960 de dispozitivele semiconductoare discrete i integrate.

Un circuit integrat este o unitate constructiv inseparabil de microelemente interconectate electric, plasate n volumul sau pe suprafaa unui substrat comun. D.p.d.v. tehnologic, ele pot fi realizate sub form monolitic sau sub form hibrid. Circuitele integrate monolitice se obin


integral pe aceeai plcu (cip) de material semiconductor. Cele hibride conin i unele elemente neintegrabile (condensatoare i inductane mari).

Pentru analiza circuitelor electronice se utilizeaz legile fundamentale ale circuitelor (legea lui Ohm, legile lui Kirchhoff), precum i o serie de teoreme (superpoziiei, Thvenin, Norton etc.). Teorema superpoziiei poate fi enunat n dou forme: una n termenii unei reele de impedane i alta n termenii unei reele de admitane. n orice reea liniar de impedane i generatoare, curentul dintr-o ramur este egal cu suma curenilor ce strbat acea ramur datorit fiecrui generator considerat separat, cu toate celelalte generatoare nlocuite prin impedanele lor interne.

n exemplul din figura 1.1 vom aplica teorema superpoziiei pentru a calcula curentul I din ramura circuitului cu rezistorul avnd rezistena de 5.

Considerm bateria de 12V singur i nlocuim bateria de 6V lsnd doar impedana sa intern de 2. Pentru acest circuit avem: A52/2452/2*52/5*26/12II 1 Acum considernd bateria de 6V singur, nlocuim bateria de 12V lsnd doar impedana sa intern de 6. Rezult: A52/3665/6*65/6*52/6II 2 Cu ajutorul teoremei superpoziiei avem: A1538,152/3652/24III 21 A doua modalitate de exprimare a teoremei superpoziiei este: n orice reea de admitane i generatoare de curent, potenialul de-a lungul unei ramuri este egal cu suma potenialelor de-a lungul acestei ramuri datorate fiecrui generator considerat ca acionnd separat, cu toate celelalte generatoare nlocuite prin admitanele lor interne.

Teorema lui Thvenin (teorema generatorului echivalent de tensiune, teorema lui Helmholz-Thvenin) arat c orice reea de generatoare i impedane, cu dou terminale, poate fi nlocuit printr-un "unic generator de tensiune n serie cu o singur impedan". In figura 1.2. reeaua este prezentat ca o "cutie" cu dou terminale, n partea stng, iar circuitul echivalent alctuit din generatorul unic de tensiune V i impedana Zin n partea dreapt (tot cu dou terminale).

Componentele circuitului echivalent pot fi calculate dup cum urmeaz: - generatorul de tensiune V are valoarea egal cu tensiunea msurat la bornele reelei cnd

nu este conectat nici o sarcin (tensiune de mers n gol); - impedana Zin este impedana msurat ntre terminale cnd toate generatoarele interne

sunt suprimate i nlocuite cu impedanele lor interne. Teorema lui Norton (teorema generatorului echivalent de curent) este similar cu

teorema lui Helmholz-Thvenin cu excepia c circuitul echivalent este exprimat ca un generator de curent n paralel cu o admitan. n figura 1.3 reeaua este prezentat ca o cutie cu dou terminale avnd n dreapta sa circuitul echivalent Norton.

Componentele circuitului echivalent pot fi calculate dup cum urmeaz: - Isc este curentul care ar strbate un "scurtcircuit" plasat ntre terminale;

12V

52

6V

I1 I2

Fig. 1.1. Aplicaie pentru utilizareateoremei superpoziiei

Zin

V

Fig. 1.2. Circuit echivalentpentru teorema lui Thvenin

Isc

Yin

Fig. 1.3. Circuit echivalentpentru teorema lui Norton

I


- Yin este admitana msurat ntre terminale cu toate generatoarele suprimate (Yin este bineneles inversul impedanei Zin echivalente din cazul teoremei lui Helmholz-Thvenin).

DCE - Cap.2. NOIUNI DE FIZICA SEMICONDUCTOARELOR 11

Cap.2. NOIUNI DE FIZICA SEMICONDUCTOARELOR

2.1. PURTTORI DE SARCIN MOBILI N SEMICONDUCTOARE 2.1.1. Semiconductoare pure

Dispozitivele electronice actuale sunt realizate, n marea majoritate, din materiale

semiconductoare. Semiconductoarele formeaz, din punctul de vedere al conductivitii electrice, o categorie intermediar ntre metale i izolatoare. Ele permit (la T>0K) conducia curentului electric. ntre banda de valen (B.V.) i cea de conducie (B.C.) exist o band interzis (B.I.), avnd lrgimea energetic E=Ec-Ev0K, o parte din electronii de valen pot primi de la agitaia termic o energie suficient de mare (>E) pentru a se desprinde din legturile covalente i a trece din B.V. n B.C., unde se comport ca electronii liberi din metale, participnd la conducia curentului electric. Aceti electroni se numesc electroni liberi sau de conducie, iar procesul se numete generarea direct a purttorilor de sarcin. Legturile covalente pot fi rupte i pe alte ci, spre exemplu, prin absorbia de ctre electronii de valen a unor fotoni de energie >E. La Si pur, la temperatura ambiant, doar o legtur la 7013 este rupt la un moment dat. n figurile 2.3.a i 2.3.b se observ locul rmas

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Sigol

electron

Fig. 2.2.bAtomi ntr-un cristalde Si ilustrnd legturile

covalenteFig. 2.3.b

Cristal cu un electronliber i un gol datorai

agitaiei termice

Fig. 2.2.a Fig. 2.1 Fig. 2.3.a


liber (golul) prin ruperea legturii covalente. Golurile pot fi ocupate de ali electroni din alte legturi covalente. Descrierea micrii golurilor prin micarea electronilor de valen este foarte complicat. De aceea se introduce o particul fictiv - golul - considernd c acesta are mas efectiv i sarcin pozitiv. Conceptul de gol poate fi justificat prin micarea unei bule de aer ntr-un lichid. n concluzie, n semiconductoare exist dou feluri de purttori de sarcin mobili: electronii i golurile. La semiconductoarele pure, purttorii sunt generai numai ca perechi electron-gol. Este posibil i procesul invers: un electron din banda de conducie poate s cad ntr-un gol din banda de valen, legtura se reface, purttorii dispar (tot n perechi). Procesul poart denumirea de recombinare direct a purttorilor. n consecin, concentraia volumic a electronilor liberi (n) la un semiconductor pur este egal cu concentraia volumic a golurilor (p): n=p=ni , unde ni se numete concentraie intrinsec niT/E. Semiconductoarele pure mai sunt numite i intrinsece (de tip i).

2.1.2. Semiconductoare cu impuriti

n construcia dispozitivelor electronice, de obicei se utilizeaz semiconductoare cu

impuriti. Procesul prin care ntr-un semiconductor se introduc impuriti se numete dopare. Pentru Ge i Si se utilizeaz dou tipuri de dopri: cu elemente pentavalente (P, Sb, As, Bi - donoare de electroni) i cu elemente trivalente (B, Al, In, Ga - acceptoare de electroni). Atomii acestor impuriti intr n nodurile reelei cristaline, substituind atomii de semiconductor, rezultnd n final semiconductoare de tip n (cnd purttorii majoritari sunt electronii) i respectiv p (cnd purttorii majoritari sunt golurile).

Semiconductoare de tip n S considerm, de exemplu, c o parte din atomii de Si sunt substituii cu atomi pentavaleni

de P. Patru din cei cinci electroni de valen ai atomului de P intr n legturi covalente cu atomii vecini de Si. Al cincilea electron de valen nu poate intra n legtur covalent i va evolua pe o orbit cu raza mult mai mare dect distana dintre doi atomi vecini. Nivelul energetic al acestui electron (Ed) se plaseaz n B.I. foarte aproape de B.C. (fig. 2.4.a, 2.4.b).

Fig. 2.4.b Fig. 2.5.b

Fig. 2.4.a Fig. 2.5.a


Concentraia impuritilor este foarte mic (de ordinul a 1 atom de P la 107 atomi de Si), atomii de impuriti fiind izolai ntre ei (nveliurile lor electronice nu se influeneaz reciproc). De aceea nivelele introduse de impuriti sunt locale (le vom reprezenta prin linii ntrerupte). Dar electronii de pe aceste nivele nu pot participa la conducie. Aceasta ar fi structura la 0K, cnd B.C. nu conine electroni. La T>0K, electronii de pe nivelele Ed pot trece foarte uor n B.C. devenind electroni liberi. Energia Ed=Ec-Ed se numete energie de activare a impuritilor (~0.01eV). Atomii pentavaleni constituie o surs de electroni de conducie i de aceea ei se numesc donori, iar nivelele Ed nivele donoare.

Electronii eliberai de impuritile donoare nu las n urma lor goluri, ci ioni pozitivi fici n reeaua cristalin. Agitaia termic determin ruperea legturilor covalente, adic generarea perechilor electron-gol. Astfel exist i goluri, dar mai puine dect electronii. Purttorii de sarcin n numr mai mare, adic electronii, se numesc majoritari, semiconductorul se numete de tip n, iar golurile sunt purttori minoritari.

Semiconductoare de tip p S considerm acum c o parte din atomii semiconductorului au fost substituii cu atomi

trivaleni, de exemplu B. Aceti atomi nu vor putea satisface dect trei legturi de covalen cu atomii de Si, o legtur rmnnd nesatisfacut. Lipsa unui electron nu reprezint un gol propriu-zis, deoarece nivelul energetic al acestei legturi este local i se plaseaz n B.I., puin deasupra B.V.(fig. 2.5.a, 2.5.b).

La 0K banda de valen ar fi complet ocupat, n B.C. nermnnd electroni. Energia de activare a impuritilor Ea=Ea-Ev fiind mic (~0.01eV), la T>0K, unii electroni de covalen pot primi de la agitaia termic energia necesar pentru a trece din B.V. pe nivelele acceptoare din B.I.. Abia acum apar n B.V. goluri veritabile; electronii de pe nivelele acceptoare locale nu particip la conducie, ci formeaz ioni negativi fici n reeaua cristalin. Impuritile se numesc acceptoare, purttorii majoritari sunt golurile, iar semiconductorul este de tip p.

Semiconductoarele de tip n i p se mai numesc i semiconductoare extrinsece. Impuritile dau nivele izolate numai dac concentraia lor este mai mic de 1025 atomi/m3.

La concentraii mai mari, atomii de impuritate ncep s interacioneze ntre ei i corpul devine semimetal. n practic se utilizeaz concentraii ntre 1020 i 1024 atomi/m3, mai mari dect concentraia intrinsec ni.

Semiconductoarele pot conine simultan impuriti de ambele tipuri (fig. 2.6). La 0K, cristalul trebuie s se afle n starea de minim energetic, deci electronii de pe Ed vor

trece pe Ea, cristalul comportndu-se ca un semiconductor tip n n cazul figurii 2.6.a, respectiv p pentru figura 2.6.b, cu o concentraie efectiv de impuriti N=Nd-Na. Acest fenomen se numete compensarea impuritilor. Dac Nd=Na, cristalul se numete compensat i se comport ca un semiconductor intrinsec (fig. 2.6.c).

Fig. 2.6.a Fig. 2.6.b Fig. 2.6.c


2.2. TRANSPORTUL PURTTORILOR DE SARCIN N SEMICONDUCTOARE

ntr-un semiconductor omogen, aflat la echilibru termic, electronii din B.C. i golurile din B.V. sufer doar o micare de agitaie termic, care are un caracter haotic i este nsoit de ciocniri cu reeaua. n medie, electronii i golurile nu sufer o deplasare net. Aceast situaie corespunde absenei curenilor electrici macroscopici de conducie. Deplasare efectiv apare n dou situaii:

1) sub aciunea unui cmp electric, cnd este numit drift, iar curenii se numesc cureni de cmp sau de drift;

2) n prezena unui gradient de concentraie a impuritilor, cnd se numete difuzie, iar curenii se numesc cureni de difuzie.

2.2.1. Micarea purttorilor de sarcin n cmp electric

n figura 2.7. s-a reprezentat (cu linie continu) drumul haotic al unui gol, n absena cmpului electric. Dac E0, micarea golului i pstreaz caracterul (linia punctat), dar peste deplasarea dezordonat se suprapune o deplasare dirijat, n direcia cmpului.

Viteza medie (net) pe direcia cmpului electric pe care o capt purttorii este Vn=nE pentru electroni i Vp=pE pentru goluri, unde E = intensitatea cmpului

electric i n, p = mobilitatea electronilor, respectiv a golurilor. n>p datorit concentraiilor diferite n care are loc micarea acestor particule. Mobilitatea scade cu creterea E, cu creterea T, i cu creterea concentraiilor impuritilor.

2.2.2. Difuzia purttorilor de sarcin

n majoritatea dispozitivelor semiconductoare concentraia purttorilor este neuniform, fie prin faptul c unele regiuni ale semiconductorului sunt dopate cu impuriti acceptoare iar altele cu

impuriti donoare, fie datorit doprii uniforme cu un anumit numr de impuriti, fie ca rezultat al introducerii unor purttori suplimentari din exterior. n aceste cazuri exist tendina ca purttorii din regiunile cu concentraie mare s se deplaseze spre regiunile cu concentraie mai mic. Fenomenul este similar cu difuzia gazelor (cu excepia rezultatului final, dup cum vom vedea). Pentru a discuta fenomenul difuziei, considerm o bar semiconductoare n care concentraia golurilor variaz dup axa x i presupunem c pe axa y concentraia este constant (fig. 2.8).

n unitatea de timp o anumit fraciune din golurile din boxa din stnga vor trece n cea din dreapta prin zona de separaie. n acelai timp o fraciune din golurile boxei din dreapta vor trece n cea din stnga. Pentru c sunt mai multe goluri n stnga va exista un flux net de purttori de la stnga la dreapta.

Va apare un curent de difuzie: Jdp=qDpdp/dx

Fig. 2.7


Jdn=qDndn/dx Fig. 2.8 Jdp= densitatea curentului de difuzie pentru goluri

Jdn= densitatea curentului de difuzie pentru electroni Dp= coeficient de difuzie a golurilor Dn= coeficient de difuzie a electronilor Obs: 1) curentul de difuzie nu este rezultatul aciunii unor fore asupra purttorilor, ci este o consecin a micrii lor haotice; 2) densitatea curentului depinde de gradientul concentraiei i nu de valoarea absolut a ei; 3) apare un cmp electric intern care nsoete fenomenul de difuzie. Acest cmp se opune difuziei. La echilibru curentul de difuzie este egal i de sens opus cu curentul produs de cmpul intern. Aceasta este diferena fa de gaze. Coeficientul de difuzie este o msur a uurinei cu care purttorii se deplaseaz n reeaua cristalin. Exist o relaie ntre D i . Aceast relaie a dedus-o Einstein: Dp=KT/qp, K= constanta lui Boltzmann.

Se definete Ut=KT/q= tensiune termic; la 300K Ut=25mV.

2.3. GENERAREA I RECOMBINAREA PURTTORILOR DE SARCIN Spre deosebire de metale, unde electronii au o existen nedefinit, la semiconductoare electronii au un timp de via statistic finit. Are loc un proces continuu de generare a purttorilor ca urmare a agitaiei termice i n paralel procesul invers. La echilibru trebuie ca viteza de generare s fie egal cu cea de recombinare. Viteza de generare reprezint numrul de purttori generai n unitatea de timp i unitatea de volum. Procesele de generare i recombinare sunt directe i indirecte. Generarea i recombinarea direct prezentate anterior au importan doar la dispozitivele electronice pe baz de Ga-As. Procesul indirect de generare i recombinare predomin la Ge i Si. Saltul se face prin intermediul unor nivele donoare sau acceptoare plasate aproape de mijlocul benzii interzise. Astfel de nivele pot fi produse de defectele reelei cristaline, spaii interstiiale, dislocaii, precum i impuriti voite (Au) sau nedorite (Fe, Co, Ni). Aceste nivele acioneaz ca trepte intermediare la tranziia electronilor ntre B.V. i B.C.. Energia cerut de acest proces este aproape de E/2 i de aceea procesul este mult mai probabil dect tranziia direct. Timpul mediu pe care purttorii l petrec de la generare pn la recombinare se numete timp de via. La echilibru termodinamic vitezele de generare i recombinare sunt egale. S presupunem c echilibrul a fost perturbat de un flux de fotoni. Sistemul tinde spre echilibru. n condiiile de exces de purttori predomin recombinarea, invers predomin generarea.

2.4. INJECIA PURTTORILOR DE SARCIN Cnd concentraiile purttorilor sunt mai mari dect la echilibru se spune c semiconductorul se afl n stare de injecie (np>ni2). Dac concentraiile sunt mai mici ca la echilibru spunem c semiconductorul se afl n stare de extracie (np


pDp, Lp= lungimea de difuzie a golurilor n exces, de fapt valoarea medie a adncimii pn la recombinare. z n

y injecie de 0 x goluri Fig. 2.9

O relaie similar se poate scrie i pentru electroni: n=n0+nexp(-x/Ln). Aceast lege este

valabil i pentru extracie, cu limitarea pp0 (fig. 2.10.b). Putem avea extracie total sau parial.

Fig. 2.10.a. Fig. 2.10.b.

DCE - Cap.3. JONCIUNEA p-n 17

Cap.3. JONCIUNEA p-n

Majoritatea dispozitivelor conin att regiuni p ct i regiuni n n acelai cristal. Definiie: Regiunea n care se face trecerea de la p la n se numete jonciune p-n.

Dup modul n care variaz concentraia efectiv a impuritilor (N=Nd-Na) la trecerea dintr-o regiune n cealalt, jonciunile pot fi abrupte sau gradate.

Un caz particular de jonciune gradat l constituie jonciunea gradat liniar (fig. 3.1.c), la care concentraia efectiv variaz liniar: N=Nd-Na=a*x, unde a este o constant (gradientul concentraiei). Dac trecerea de la p la n se face pe distan mare, avem de-a face cu un semiconductor neomogen. Marea majoritate a dispozitivelor semiconductoare conin una sau mai multe jonciuni. Cel mai simplu dispozitiv electronic, realizat cu o singur jonciune este dioda semiconductoare. Dioda semiconductoare nu este acelai lucru cu jonciunea p-n. Exist diode semiconductoare realizate pe baza contactului metal-semiconductor. n plus o diod conine, pe lng eventuala jonciune p-n, i alte structuri, cum ar fi: contactele ohmice, sistemele de prindere i de evacuare a cldurii etc.

3.1. JONCIUNEA p-n LA ECHILIBRU TERMIC

O jonciune nu poate fi realizat prin punerea n contact mecanic a unui cristal de tip p cu altul de tip n, deoarece orict de fin ar fi prelucrate suprafeele ce vin n contact, ansamblul astfel format are dou reele cristaline independente, iar n zona contactului apar o mulime de defecte ce mpiedic micarea purttorilor de sarcin i mresc foarte mult viteza de recombinare.

S presupunem c am putea obine o jonciune abrupt prin contact mecanic. Imediat dup realizarea contactului la interfa, concentraiile de purttori au un gradient foarte mare, datorit cruia unele goluri din p difuzeaz n n (fig. 3.2.a). La interfa, concentraia are un gradient infinit datorit cruia unele goluri din regiunea p difuzeaz n n, iar electronii invers. Ca urmare a acestei difuzii n vecintatea interfeei, concentraiile de purttori mobili devin mult mai mici dect concentraiile impuritilor ionizate. n final rezult abateri de la neutralitatea electric; n zona p, plecnd goluri i sosind electroni, apare sarcina spaial negativ. Sarcina aprut genereaz cmp electric E de la (+) la (-), cmp care se opune difuziei. Dup realizarea echilibrului termodinamic curentul de difuzie va fi egal i de semn opus celui de cmp.

n figura 3.2.b este reprezentat concentraia impuritilor; n figura 3.2.c este reprezentat concentraia golurilor; n figura 3.2.d este reprezentat concentraia electronilor; n figura 3.2.e sarcina spaial pozitiv este egal n valoare absolut cu cea negativ; n figura 3.2.f n afara regiunii cu sarcin spaial , cmpul electric E este nul.

Regiunea n care exist sarcin spaial i cmp electric se numete regiune de tranziie. Regiunile fr sarcin spaial se numesc regiuni neutre. Suprafaa ntre p i n (adic poriunea n care concentraia efectiv de impuriti este nul - Na=0) se numete jonciune metalurgic. Prin jonciune p-n se nelege att regiunea de tranziie, precum i cele dou regiuni neutre.

n figura 3.2.g apare bariera de potenial de mrime Uo. Uo a fost reprezentat lund ca referin regiunea p. Cmpul din barier are tendina s treac golurile din n n p.

Fig. 3.1


Deci energia golurilor din p este mai mic dect n n. Pentru ca golurile majoritare din p s treac n n, trebuie s posede o energie suficient de mare pentru a nvinge bariera de potenial. Avnd n vedere distribuia statistic dup energie, va exista n regiunea p lng zona de tranziie un anumit numr de goluri cu energie suficient de mare pentru a putea traversa bariera. Grosimea regiunii de tranziie este foarte mic n comparaie cu regiunea transversal (de aceea considerm numai variaia dup Ox). Deoarece n regiunea de tranziie n jurul zonei metalurgice concentraia impuritilor este apropiat de cea intrinsec, rezult c n aceast poriune sarcina spaial este determinat practic doar de impuritile ionizate. De aceea, se presupune c n regiunea de tranziie nu avem concentraii de purttori fa de cele ale impuritilor. Presupunem c regiunea de tranziie este golit de purttori; deci rmn numai impuritile ionizate. Aceast aproximaie se numete aproximaie de golire. n aceast ipotez sarcina spaial are o distribuie rectangular (fig. 3.3) i lp0*Na=ln0*Nb, unde lp0, ln0 sunt adncimile pe care se ntinde . Aceast relaie reprezint neutralitatea global a semiconductorului i indic ptrunderea mai accentuat a regiunilor de sarcin spaial n zona mai slab dopat. l0=lp0+ln0=0.1m Un caz particular de dopare a jonciunii p-n este dat de profilul asimetric, iar jonciunea se numete abrupt unilateral (fig. 3.4). Aceast jonciune se ntlnete la semiconductoarele la care una din regiuni este mult mai dopat ca cealalt i se noteaz

cu p+n (p este mai puternic dopat). La aceste jonciuni regiunea de tranziie se extinde practic numai n regiunea slab dopat: l0ln0. ntr-o astfel de jonciune toate fenomenele electrice sunt dependente numai de concentraia de impuriti din regiunea slab dopat.

Fig. 3.3 Fig. 3.4

Fig. 3.2


Pentru jonciunea gradat liniar variaia concentraiei impuritilor se aproximeaz liniar n jurul jonciunii metalurgice: Nd-Na=a*x, unde a este o constant (fig. 3.5.a i fig. 3.5.b). Pentru jonciunile reale gradate neliniar variaiile sunt neliniare ca n figura 3.6.

. Fig. 3.5.a Fig. 3.5.b Fig. 3.6

3.2. JONCIUNEA p-n N REGIM STAIONAR 3.2.1. Jonciunea p-n polarizat Aplicnd prin intermediul unor contacte pe extremitile regiunilor neutre o tensiune jonciunii, echilibrul termodinamic este perturbat. Prin jonciune va trece un anumit curent. Regiunile p i n au conductivitate mare, astfel nct cderea de tensiune de pe ele poate fi neglijat. ntreaga tensiune aplicat din exterior se regsete pe regiunea de tranziie avnd ca efect modificarea nlimii barierei de potenial. Se modific i dimensiunile regiunii de tranziie precum i concentraia purttorilor. Fig. 3.7 Fig. 3.8 S considerm c se aplic jonciunii o tensiune cu minusul pe regiunea p i plusul pe n. nlimea barierei va crete cu Ua (fig. 3.7). Ca urmare numrul de purttori majoritari care vor escalada bariera scade. Tensiuni foarte mici aplicate cu aceast polaritate sunt suficiente pentru a bloca scurgerea purttorilor majoritari n jonciune. Se constat c acest curent este limitat la valoarea de saturaie Is. Polarizarea aceasta se numete invers deoarece determin absena conduciei. Fizic, la polarizare invers purttorii majoritari sunt ndeprtai de regiunea de tranziie care se mrete, devenind un izolator. Cnd se aplic jonciunii tensiunea cu (+) pe regiunea p i () pe n, bariera de potenial se micoreaz cu valoarea acestei tensiuni (fig. 3.8). Regiunea p neutr va injecta prin regiunea de tranziie goluri n regiunea n neutr. Golurile injectate difuzeaz n n i se recombin cu electronii majoritari. Similar i regiunea n va injecta electroni n p i curenii se adun corespunztor. Curentul purttorilor injectai este alimentat de purttorii majoritari din regiunile neutre i de aceea poate lua valori foarte mari (trebuie limitat din exterior cu rezistene sau alte dispozitive). Aceast polarizare se numete direct. Fizic, tensiunea direct mpinge purttorii majoritari din regiunile neutre n regiunea de tranziie. Concluzie: Jonciunea p-n are o caracteristic de dispozitiv unidirecional (de redresor). Prin convenie se consider tensiunea direct i curenii direci cu semne pozitive, iar cei inveri cu semne negative (fig. 3.9).

mic

fluxuri mari

e- g(+)

mare e-

fluxuri mici


3.2.2. Caracteristica static idealizat a jonciunii p-n Cnd se aplic jonciunii o tensiune ea se afl n stare de injecie sau extracie. Perturbarea se extinde pe o anumit adncime i n regiunile neutre, dar datorit fenomenelor de generare i recombinare scade pe msura deprtrii de zona de tranziie. La o distan mai mare dect lungimea de difuzie perturbarea nu se mai simte. n studiul caracteristicii statice se fac urmtoarele aproximaii i presupuneri: 1) aproximaia de golire (la o jonciune abrupt); 2) presupunem c ntreaga tensiune aplicat cade pe regiunea de tranziie; 3) se neglijeaz fenomenele de generare i recombinare din regiunea de tranziie; 4) presupunem c ne aflm la nivele mici de injecie; aceasta presupune c injecia de purttori minoritari se face ntr-o msur care permite neglijarea concentraiei purttorilor minoritari fa de cele ale purttorilor majoritari; 5) presupunem c jonciunea este groas fa de lungimea de difuzie i din acest motiv purttorii minoritari se recombin n totalitate nainte de a atinge extremitile jonciunii.

Curentul prin jonciune se va obine ca o sum a curenilor de difuzie a purttorilor minoritari la limitele regiunii de tranziie. De aceea este numit uneori curent de difuzie i are expresia dedus de Shockley: Ia=Is*[exp(q*Ua/KT)-1], unde Is este curentul de saturaie (rezidual). Aceast formul este valabil att pentru polarizrile directe, ct i pentru cele inverse. n regim de conducie direct (Ua>0) curentul crete exponenial. n domeniul Ua>4*(KT/q)=0.1V (la 300K) acel -1 din formul se poate neglija fa de termenul exponenial. Se obine astfel expresia simplificat a ecuaiei lui Shockley: IaIs*exp(q*Ua/KT). Obs: Formula lui Shockley este valabil numai pentru tensiuni directe inferioare lui Uo. La polarizri inverse, n valori absolute mai mari de 0.1V termenul exponenial este neglijabil fa de unitate, astfel nct Ia= -Is. Aceast valoare reprezint curentul maxim de purttori ce poate fi extras din regiunile neutre i se numete curent de saturaie sau curent rezidual.

La germaniu Is este ntre 1 i 100 A (relativ mare!), la siliciu Is


- regiunea II, n care curentul are o cretere uoar cu modulul tensiunii aplicate; la

jonciunile de Ge creterea este foarte slab, astfel nct fenomenul de saturaie este evident (curentul de saturaie este mare:1..100 A); la jonciunile de Si i Ga-As creterea este att de pronunat, nct fenomenul de conducie nici nu poate fi observat (Isat este foarte mic la Si: sub 1nA) - regiunea I, n care curentul crete brusc cu tensiunea invers, jonciunea pierzndu-i caracterul de dispozitiv unidirecional. Fenomenul este numit strpungerea jonciunii, iar tensiunea la care apare (tensiunea de strpungere) este cuprins ntre civa voli i cteva sute de voli. n regim de conducie direct se pot distinge 4 regiuni:

- la tensiuni mici, dar ntrecnd de cteva ori tensiunea termic, caracteristica static poate fi aproximat n forma din regiunea III:

IA exp(qUA / (mKT)), unde m este un coeficient cuprins ntre 1 i 2. - la tensiuni ceva mai mari, dar mai mici dect Uo (IV) curentul variaz aproape dup ecuaia idealizat; - la tensiuni mai mari dect Uo (regiunea V) curentul crete din nou ceva mai lent cu tensiunea (regiunea III); - n fine, la tensiuni directe foarte mari (regiunea VI) curentul ajunge proporional cu tensiunea. Abaterea caracteristicilor reale de la ecuaia idealizat are urmtoarele cauze:

- generarea i recombinarea purttorilor n regiunea de tranziie; - ptrunderea n domeniul nivelelor mari de injecie; - efectul tunel; - rezistena serie a regiunilor neutre; - multiplicarea prin avalan; - efecte de suprafa. Toate aceste efecte nu au fost luate n considerare la deducerea ecuaiei idealizate. Ne vom ocupa de ele n continuare. Abaterile jonciunilor reale de la caracteristica idealizat n regiunile II i III pot fi explicate prin luarea n considerare a proceselor de generare-recombinare n regiunea de tranziie. n polarizare invers, concentraiile purttorilor n regiunea de tranziie fiind mult mai mici dect cele de echilibru, va predomina generarea purttorilor. Purttorii generai termic sunt trecui imediat de ctre cmpul existent n barier: electronii n regiunea n neutr, iar golurile n regiunea p neutr. n consecin, pe lng curentul de saturaie a purttorilor minoritari (Is) va apare nc un curent cauzat de fenomenul de generare n regiunea de tranziie Igen, avnd acelai sens cu primul. IA = -(Is+Igen) va fi curentul total prin jonciunea polarizat invers. Semnul (-) apare datorit conveniei de semn fcute. Igen (deci i Is) crete cu valoarea tensiunii inverse datorit creterii volumului regiunii de tranziie. Raportul celor 2 componente ale curentului invers este: Is /


Igenni (concentraia intrinsec). Rezult c pentru un material dat ponderea curentului de generare scade cu creterea temperaturii; peste o anumit temperatur efectul generrii poate fi neglijat. Pe de alt parte, la o temperatur dat, ponderea Igen este mai mic la materiale cu concentraie intrinsec ni mai mare. Spre exemplu, comparnd jonciunile de Si cu cele de Ge, constatm c la cele de Si, Igen are o pondere de aproximativ 1000 mai mare. La temperatura ambiant, la jonciunea de Si curentul Igen depete Is. n regim de conducie direct, concentraiile purttorilor n zona de tranziie sunt mai mari dect la echilibru i vor predomina procesele de recombinare.

Efecte la nivele mari de injecie Cnd tensiunea direct aplicat jonciunii este apropiat de nlimea barierei Uo, concentraiile purttorilor minoritari injectai n regiunile neutre ajung de ordinul concentraiilor purttorilor majoritari; jonciunea intr n domeniul nivelelor mari de injecie. n aceste condiii nu se mai poate neglija componenta de cmp a purttorilor minoritari. Un alt efect de care trebuie s se in seama la nivele mari de injecie l constituie cderile de tensiune pe regiunile neutre. Cnd densitatea de curent ia valori mari, aceste cderi de tensiune reprezint o proporie important din tensiunea aplicat, nemaiputnd fi neglijat. Tensiunea ce revine regiunii de tranziie va fi deci mai mic dect tensiunea aplicat din exterior. Domeniul nivelelor mari de injecie ncepe la o densitate de curent de ordinul a 1A/mm2. Este posibil ca la unele jonciuni de Si (la care curentul de recombinare predomin la tensiuni directe mari) s nu se observe regiunea n care curentul prin jonciune ascult de ecuaia idealizat. Efectul suprafeei semiconductorului asupra componentei de generare-recombinare a curentului este evident, att datorit ntreruperii periodicitii reelei, ct i impuritilor inevitabile care apar la suprafaa semiconductorului. Acest curent va crete i trebuie fcut observaia c este important la multe dispozitive semiconductoare de larg consum ale cror grad de prelucrare a suprafeei nu este prea avansat. Aceasta poate duce la creterea excesiv a curenilor inveri i la instabilitatea n timp a caracteristicilor statice.

3.2.4. Dependena de temperatur a caracteristicii statice Curentul prin jonciune este influenat de temperatur pe dou ci: - prin curentul de saturaie; - prin tensiunea termic UT = KT / q, ce apare n argumentul exponenialei. Influena temperaturii asupra jonciunii este caracterizat prin trei coeficieni pe care i vom defini n continuare. a) n domeniul polarizrilor inverse, IA = -IS, temperatura are ca efect translatarea caracteristicii statice dup axa vertical. Se definete un coeficient de temperatur al IS: CT IS = (1 / IS)(dIS / dT). Datorit componentei de extracie pt. Is CT IS = 0,1 (K)-1 pentru Ge i 0,15 (K)-1 pentru Si. Pe baza acestor valori se gsete c n jurul temperaturii ambiante Is i dubleaz valoarea la o cretere a temperaturii cu 7K n cazul Ge i cu 4,5K n cazul Si. innd cont i de scurgerile superficiale i de procesele de regenerare n regiunea de tranziie (care variaz mai puin cu temperatura), rezult c dublarea Is are loc att la Ge ct i la Si pentru o cretere a temperaturii cu 810K. b) n conducia direct se definete un prim coeficient de temperatur al curentului direct la tensiune constant:

(CT IA)u = (1 / IA)*(dIA / dT) = (CTIs)-(1 / T)*(qUA / KT) (deci mai mic dect CTIs).


Fig. 3.12

c) ntr-un alt regim de lucru se poate menine curentul direct prin jonciune constant, rezultnd o scdere a tensiunii pe jonciune la creterea temperaturii. Pentru a caracteriza influena temperaturii n acest caz, se definete un coeficient de temperatur al tensiunii pe jonciune (CTUA)I.

n cazul unei jonciuni de Ge, la 300K, avnd UA=0,2V rezult (CTUA)I=-1,8*10-3V/K. n cazul unei jonciuni de Si avnd UA=0,6V rezult (CTUA)I=-2,2*10-3V/K. Acest coeficient variaz lent cu temperatura, aa nct, pentru un domeniu restrns de temperatur, se poate considera c tensiunea direct pe jonciune la curent constant scade liniar cu temperatura. n jurul temperaturii ambiante, att la Ge ct i la Si se poate considera un coeficient (CTUA)I-2mV/K. Este important de reinut c influena temperaturii asupra jonciunii este mult mai mic la curent constant dect la tensiune constant. Observaie: Temperatura T trebuie msurat la jonciunea (Tj); ea este de regul mai mare dect temperatura ambiant (Ta), datorit disiprii de putere electric (Pd = Ua*Ia): Tj = Ta + Rthj-a*Pd. Coeficientul de proporionalitate Rthj-a se numete rezisten termic i nglobeaz proprietile de conducie a cldurii de la jonciune la mediul ambiant. Un alt parametru al caracteristicii statice dependent de temperatur este tensiunea de strpungere. 3.2.5. Strpungerea jonciunii p-n

Cnd tensiunea invers aplicat unei jonciuni depete o anumit valoare limit, curentul prin jonciune crete foarte repede cu tensiunea, atingnd valori mari: are loc strpungerea jonciunii.

Exist trei mecanisme de strpungere: ambalarea termic, tunelarea i multiplicarea prin avalan. Ultimele dou mecanisme au la baz creterea cmpului electric din regiunea de tranziie odat cu creterea tensiunii inverse.

Ambalarea termic decurge n felul urmtor: curentul invers disip o anumit putere n

jonciune determinnd creterea temperaturii; la rndul ei, creterea de temperatur determin o cretere a curentului invers .a.m.d. n anumite condiii procesul poate fi cumulativ conducnd la mrirea temperaturii pn la o valoare la care jonciunea se distruge. Ambalarea termic se manifest numai la jonciunile care au curent de saturaie mare, spre exemplu, jonciuni de Ge deasupra temperaturii ambiante. La jonciunile de Si, n tot domeniul de temperaturi de interes practic, nu apare ambalarea termic.


Strpungerea prin efect tunel Prima explicaie a strpungerii jonciunii s-a dat pe baza efectului tunel (Carl Zener, 1934) i mai apoi s-a constatat c de cele mai multe ori rolul de baz n strpungerea jonciunilor l are un alt proces, i anume multiplicarea prin avalan, rolul efectului tunel fiind secundar. Numim regiune Zener zona de strpungere a jonciunii. Efectul tunel const n generarea de perechi electron-gol ntr-un semiconductor sub aciunea cmpului electric puternic.

La tensiuni inverse mari, benzile de energie au o nclinare mare n regiunea de tranziie i limita inferioar a B.C. din regiunea n coboar sub limita superioar a B.V. din regiunea p. n aceast situaie electronii B.V. pot trece n B.C. prin efect tunel. Din punctul de vedere al fizicii clasice, electronul din A poate trece n C numai dac primete o energie cel puin egal cu nlimea barierei. Mecanica cuantic arat c exist o anumit probabilitate ca electronul s treac de barier chiar dac energia lui

este Fig. 3.13 mai mic dect nlimea barierei. Probabilitatea este cu att mai mare cu ct nlimea AB este mai mare i AC mai mic. ntinderea barierei scade cu creterea nclinrii benzilor, deci cu creterea cmpului din regiunea de tranziie. Jonciunea se strpunge pentru cmpuri mai mari de 5*107 V/m. Cmpuri att de mari se ating la jonciuni puternic dopate de ambele pri, la care regiunea de tranziie pe care se repartizeaz tensiunea exterioar este foarte mic. Tensiunea la care apare efectul de tunel scade cu creterea temperaturii, deoarece E scade i ea. n consecin, aceeai densitate de curent se atinge la temperatur mai mare, aplicnd jonciunii o tensiune mai mic.

Multiplicarea n avalan

ntre dou ciocniri succesive, purttorii sunt accelerai de cmp ctignd energie cinetic. La polarizri inverse cmpul poate deveni att de mare nct ntre dou ciocniri succesive, energia acumulat de un purttor poate depi E. Un astfel de purttor ciocnind un atom al reelei poate furniza unui electron de valen energia necesar pentru a trece n BC. Astfel apare o pereche electron-gol iar procesul se numete ionizare prin oc. Purttorii sunt accelerai de cmp i pot da natere la alte perechi electron-gol. Rezult posibilitatea multiplicrii n avalan a purttorilor. Cmpul la care apare multiplicarea n avalan este de aproximativ 2*107 V/m, mai mic deci dect cel la care efectul Zener devine important. Important este faptul c ambele categorii de purttori pot produce ionizri prin oc. Fenomenul de multiplicare prin avalan se poate caracteriza global prin coeficientul de multiplicare M definit ca raport ntre numrul purttorilor ce ies din regiunea de tranziie i cel al celor ce intr n ea. Notm cu Iinv curentul invers n absena multiplicrii i Iinv = M*Iinv - curentul invers dup multiplicare. M=Iinv / Iinv ; M= 1 / [1 - (UA / Ustr)] , unde n[2,6] Strpungerea are loc cnd M tinde ctre infinit. Tensiunea de strpungere Ustr crete cu temperatura deoarece scade drumul mediu dintre dou ciocniri succesive i este necesar un cmp mai mare pentru ca un purttor s acumuleze ntre dou ciocniri succesive energia E. De asemenea o strpungere prin avalan scade concentraia impuritilor de o parte i de alta a jonciunii metalurgice. La creterea nivelului de dopare scade grosimea regiunii de tranziie. Cmpul critic de apariie a ionizrilor prin oc se atinge la o valoare mai mic a tensiunii aplicate. Strpungerea prin avalan necesit pe lng depirea cmpului critic i o anumit grosime a regiunii de tranziie, pentru ca n ea purttorii s sufere mai multe ciocniri. Cnd regiunea de tranziie are o grosime apropiat de drumul mediu dintre dou ciocniri succesive, nu mai poate avea loc strpungerea prin avalan i atunci va avea loc efectul tunel.


Dac doparea este sub 1023 atomi/m3 are loc strpungerea prin avalan. Cnd doparea este mai mare, strpungerea are loc prin efect tunel. Jonciunile care au tensiunea de strpungere mai mic de 4V se strpung prin efect tunel, iar cele cu Ustr mai mari de 7V se strpung prin avalan. ntre 4V i 7V particip ambele mecanisme. Strpungerea prin efect tunel i avalan nu este distructiv dac curentul prin jonciune este sub valoarea corespunztoare puterii maxime disipate admisibil.

3.2.6. Modele liniarizate pentru jonciunea p-n n regim staionar Pentru calculul n regim staionar, caracteristica static a jonciunii se aproximeaz prin segmente de dreapt. Foarte rspndit este aproximaia prin dou segmente de dreapt, ca n figura 3.14, unde Di este dioda ideal, Ri - rezistena intern, UD - tensiunea de deschidere.

Fig. 3.14

Obs.: Cazul d (dioda ideal) este o bun aproximaie pentru practic. La Ge : UD = 0.20.4 V Si : UD = 0.50.8 V Ga-As : UD = 12 V Ri depinde foarte mult de domeniul curentului n care se aplic modelul. Ri 1d Ia

d Ua

1q

KTIs exp( qUa

KT)

KTq

1Ia

Ex.: Ia=5mA

5

1051025Ri 3

3

3.3. JONCIUNEA p-n N REGIM DINAMIC

Regimul dinamic reprezint funcionarea structurii n cazul aplicrii unor semnale variabile n timp. Metoda cea mai folosit const n stabilirea unor circuite electronice echivalente cu care s se nlocuiasc jonciunea n schema unde funcioneaz. Circuitul echivalent nu este unic, el depinznd, de regul, de specificul semnalului variabil aplicat.

3.3.1. Regimul cvasistaionar al jonciunii

Funcionarea jonciunii n regim staionar este descris de ecuaia lui Shockley sau de caracteristica static. Este foarte normal s ncercm a descrie comportarea n regim variabil pe baza funcionrii n regim static. Dac examinm procesele ce au loc n jonciune la trecerea dintr-o stare staionar n alta, rezult c o asemenea tratare (pe baza regimurilor staionare) nu poate fi acceptat dect la frecvene joase. ntr-adevr, o stare staionar a jonciunii este caracterizat de anumite dimensiuni ale regiunii de tranziie - adic de o anumit sarcin existent n barier i o anumit distribuie a purttorilor minoritari. Cnd se trece la o alt stare staionar acestea se modific. Ambele procese sunt legate de o variaie de sarcin electric i cer un anumit timp.


Dac timpul necesar jonciunii pentru a trece dintr-o stare staionar n alta este mult mai mic dect perioada semnalului, putem considera c n fiecare moment jonciunea se afl ntr-o stare staionar. Un astfel de regim se numete regim cvasistaionar, iar frecvena maxim pn la care regimul poate fi considerat cvasistaionar difer de la un dispozitiv la altul. Deci pentru curent continuu i frecvene joase se pot aplica modelele anterioare (regimul de curent continuu - de polarizare - se mai numete de semnal mare).

Semnalul aplicat unui dispozitiv este considerat mic atunci cnd caracteristicile statice ale dispozitivului pot fi aproximate liniar pentru ntreaga excursie a punctului de funcionare pe durata unei perioade. n cazul jonciunii p-n condiia de semnal mic este deosebit de restrictiv, caracteristica static exponenial putnd fi considerat liniar numai pentru variaii foarte mici de tensiune: UA


face ntr-un interval de timp dt, atunci curentul necesar pentru modificarea sarcinii stocate n regiunile de tranziie va fi:

ib = dQb / dt = (dQb / dUa)*(dUa / dt); unde Cb= dQb / dUa; Ua constant. Modelm acest proces cu o capacitate Cb pus n paralel cu Ri i numit capacitate de barier. C C 1 Ua / Uob bo (pentru jonciunea abrupt ideal) Cbo - reprezint capacitatea de barier pentru Ua=0; Cbo=110pF n general C C 1 Ua / Uob bo n . Aceast relaie depinde de legea de variaie a concentraiei impuritilor din regiunea de tranziie.

3.3.3. Capacitatea de difuzie

Trecerea de la starea Ua la Ua+dUa necesit o cretere a sarcinii de purttori minoritari n exces n regiunile neutre. Purttorii sunt injectai prin regiunea de tranziie i apoi nainteaz n adncul regiunilor neutre prin difuzie. Curenii corespunztori variaiei sarcinilor stocate n cele dou regiuni neutre se adun. i

dQdt

dQdUa

dUadt

C dUadtd

d dd

Dac timpul n care a avut loc variaia de tensiune este dt, suma curenilor va fi: id=dQd/dt=(dQd/dUa)*(dUa/dt) ; Cd=dQd/dUa ; dUa=ct ; Cd- capacitatea de difuzie.

Ia/Is)(CC)exp(qUa/KTIsIa

)exp(qUa/KTCCdod

dod

Cd- la polarizri directe atinge mrimi de ordinul nF (102104pF). Cd ~ Ia. Cdo- capacitatea de difuzie pentru Ua=0. Exist o deosebire fizic important ntre modurile n care se ncarc cele dou capaciti. Cea de difuzie Cd se ncarc prin difuzia minoritarilor, deci este un proces lent. Din aceast cauz, Cd scade cu frecvena. Capacitatea de barier Cb se ncarc prin curentul de cmp al purttorilor majoritari; este un proces foarte rapid i nu variaz cu frecvena.

3.3.4. Circuite echivalente pentru jonciune la semnale mici i frecvene nalte

n regim variabil, curentul prin jonciune e format din trei componente: iri, iCd, iCb (fig. 3.18)

rs - este rezistena electric a zonelor neutre (~ 100 ) n funcie de polarizare, se poate simplifica modelul :

- la polarizare direct (fig. 3.19) se neglijeaz Cb; (Cb


Dac ri poate fi neglijat (ex.: ntr-un circuit oscilant pp. ri ) atunci rmne doar -| |- (Cb).

3.4. TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE 3.4.1. Procedee de realizare a jonciunii p-n. Tipuri de diode

Tipul de conductibilitate (p sau n) al unui semiconductor fiind determinat doar de concentraia efectiv a impuritilor N=Nd-Na, el poate fi schimbat prin introducerea de impuriti corespunztoare. Spre exemplu, dac ntr-un cristal avnd Nd=1021atomi/m3 se introduc acceptori cu o concentraie mai mare Na=1022atomi/m3, cristalul de tip n devine p, avnd o concentraie efectiv de acceptori N=(Nd-Na)=9*1021atomi/m3. Dac impuriti de tip diferit se introduc numai ntr-o regiune a cristalului, la grania dintre aceasta i restul cristalului apare o jonciune p-n. Cea mai veche metod de realizare a unei jonciuni este cea care a fost folosit la diodele cu contact punctiform (subcapitolul 3.4.4). Cea mai important metod n anii '50 era metoda creterii (la diodele redresoare cu Ge). n prezent, pentru a schimba tipul de conductibilitate se folosesc: alierea (la Ge), difuzia planar (ntr-un gaz de impuriti) la Si, epitaxia (realizarea semiconductorului ntr-o atmosfer de vapori de semiconductor i impuriti) la Si. Un procedeu modern la Si este implantarea ionic.

3.4.2. Diode redresoare 3.4.2.1. Diode redresoare de uz general

Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic care prezint conducie unilateral, pe

baza unei jonciuni p-n i dou contacte ohmice metal-semiconductor nchise ermetic ntr-o capsul. Clasificarea diodelor dup funciile ndeplinite: - diode redresoare (cele cu Si au practic o rezisten zero ntr-un sens i infinit n cellalt); - diode de comutaie (pentru frecven nalt cu impuriti Au); - diode stabilizatoare de tensiune Zener; - diode speciale varicap, tunel, IMPATT (Read, 1958), Gunn (1963); - fotodiode.

Avantajele diodelor semiconductoare fa de cele cu gaz: - n conducie direct cderea de tensiune e mai mic (1V fa de 3040V); - nu necesit circuit de nclzire; - sunt mai robuste; - au volum mic; - au durat mare de funcionare.

Parametrii diodelor redresoare: - curentul mediu redresat: Io (mici: 1A; medii: zeci de A; mari: sute i mii de A); - curent de vrf maxim admis: IVM, care poate fi: IFRM- curent direct maxim repetitiv;

IFSM- curent maxim direct accidental de suprasarcin;

- tensiunea invers maxim admis: UIM; UIM = (0.5...0.8) din Ustrpungere (50...2000V); - tensiunea invers: VR; - tensiunea invers maxim: VRM; - tensiunea repetitiv invers maxim: VRRM; - tensiunea invers maxim de suprasarcin: VRSM; - tensiunea invers maxim de lucru: VRWM; - cderea de tensiune direct VF pentru o anumit valoare a curentului (VF = 0.8| IF = 1A);


- curentul invers pentru o anumit tensiune: IR; - rezistena termic ce caracterizeaz capacitatea diodei de a elimina puterea disipat spre mediul ambiant: Rth-a ; Rth-c; - temperatura maxim a jonciunii: Tjmax.

Toi parametrii sunt mai slabi la Ge dect la Si. Singurul avantaj la Ge este tensiunea VF care este mai mic.

Particularitile constructive ale diodelor semiconductoare sunt determinate de faptul c ele lucreaz la cureni mari, deci n jonciune apare o cantitate mare de cldur care trebuie eliminat spre mediu. La diodele de cureni mari se utilizeaz ceramica.

Exemple: n capsul de plastic F126: 1N4001, DRD1; n sticl: 1N4148 (comutaie) etc.

3.4.2.2. Dioda cu avalan controlat

Se realizeaz prin metoda difuziei. Pastila este sudat ntre doi electrozi de molibden ca n figur. Pentru cureni mari se folosesc arcuri. Placheta a fost polizat nclinat pentru eliminarea zonelor periferice i pentru crearea unei configuraii avantajoase a cmpului electric la suprafaa

jonciunii. Astfel, cmpul electric la suprafa este mai mic dect n interiorul volumului (deoarece tensiunea se distribuie pe o distan mai mare la suprafa: E = U / d).

Dioda poate funciona n regiunea de strpungere pn la valori mari de cureni, cu condiia s nu depeasc puterea maxim admis. Sunt n general folosite pentru protecia altor dispozitive (tiristoare). Codificare: D10A4 (10 amperi, 400V).

Stratul slab dopat de tip p dintre n+ i p+ confer o tensiune de strpungere mare. Explicaia o dm pe urmtorul tip de diod.

3.4.2.3. Dioda redresoare pin

Grosimea regiunii intrinsece este mai mic dect lungimea de

difuzie (pentru a-i pstra proprietile). n regiunea intrinsec nu avem sarcin spaial => un cmp constant.

Strpungerea regiunii intrinsece are loc pentru un cmp de Ecr = 2.107 V/m la o tensiune de Ustr = W.Ecr (W = limea regiunii intrinsece; W = 0.1mm Ustr = 2000V).

Ex. KYX30 30KV, 1mA care conine 2 diode de 15KV.

3.4.2.4. Conectarea n serie i n paralel a diodelor

Dei exist diode cu tensiuni inverse mari, capabile s redreseze cureni mari, apar uneori situaii cnd trebuie folosite mai multe diode n serie pentru a putea rezista la Umax invers, sau pentru a asigura valoarea cerut a curentului redresat.

n conducia invers apare pericolul distribuirii neuniforme a tensiunii pe lanul de diode generat de inegalitatea curenilor inveri.

Pe dioda ce are curentul invers cel mai mic, va cdea tensiunea U cea mai mare, care poate depi Uinv.max. i dioda se va strpunge. Tensiunea se redistribuie pe celelalte diode =>se vor distruge toate. Pentru evitarea acestui lucru, montm n paralel cu fiecare diod cte o rezisten de egalizare a tensiunii inverse. Valoarea acestor rezistene Rp se alege mult mai mic dect rezistena invers astfel nct divizarea tensiunii s se fac pe Rp, dar nu se pot alege valori prea mici pentru c rezult pierderi.

Ex. PY88 se nlocuiete pentru 5KV cu 710 diode BAY159 n paralel cu R=100K.

Fig. 3.21

Fig. 3.22


Fig. 3.23

Obs: La diodele cu avalan controlat nu sunt necesare rezistene de egalizare pentru c intrarea n avalan e permis pn la cureni relativ mari.

La montarea n paralel a mai multor diode, dispersia caracteristicii inverse nu pericliteaz funcionarea. Dar dispersia caracteristicii directe, mai ales Udesch, conduce la o repartiie inegal a curentului total pe diode. Neajunsul se nltur punnd n serie cu diodele cte o rezisten Rp.

Uniformizarea repartiiei e mai bun cu ct Rp e mai mare, dar randamentul scade.

3.4.3. Diode stabilizatoare de tensiune (Zener)

Aceste diode utilizeaz proprietatea jonciunii p-n de a avea n conducie invers o tensiune constant la borne, independent de valoarea curentului cnd apare fenomenul de strpungere (fig. 3.24).

La realizarea structurilor diodelor semiconductoare Zener, se iau msuri speciale pentru ca n regiunea de strpungere curentul s se distribuie uniform pe toat aria seciunii => diodele Zener lucreaz pn la cureni de putere maxim admis. Simboluri:

Valoarea tensiunii Zener este determinat de nivelul doprilor: Uz = 2,7...400 V. Puteri: 0,25...50 W. rz = Ua / Ia; rz = 10100 - rezisten dinamic (intern) Zener

CTUz = VZ = 1 / UzdUz / dT n regiunea de stabilizare: Uz prezint o uoar cretere cu curentul invers (Ia). Exemplu: PL10Z Uz =10 V => vz = 5.10-4 (C)-1; PL5V1Z (5.1V,1W capsul de plastic

F126); DZ5V1 (5.1V, 0.4W capsul de sticl). vz poate fi micorat nseriind cu dioda Zener, una sau mai multe diode polarizate direct, la

care scade cu temperatura. Se pun toate diodele pe aceeai plcu pentru ca temperatura s nu difere ntre ele (fig. 3.26). Ex.: ZTC33 sau circuitul integrat TAA550.

Obs: n domeniul curenilor mici descrcarea n avalan se amorseaz i se stinge haotic => zgomot. Tot n acest domeniu, tensiunea variaz mult cu curentul. Nu se recomand s se lucreze sub o anumit valoare IZT = 3...5

Fig. 3.24 Fig. 3.25

Fig. 3.26

VZ1


mA. Se poate folosi un model echivalent pentru dioda Zener (fig. 3.27).

Diodele Zener se folosesc ca stabilizatoare de tensiune (fig. 3.28). Rb este rezistena de limitare, protecie sau de balast. Ea se alege astfel nct dioda s lucreze n regiunea Zener pentru ntreg domeniul de variaie a lui Ea i Is. Curentul de sarcin Is nu poate depi n mod normal (pentru Us = Uz =constant) valoarea pentru care se mai asigur IZT prin dioda Zener. I=Iz+Is; Ea=Rb*I+Uz.

Acest stabilizator de tensiune parametric, de tip paralel (dioda Zener este paralel cu sarcina Rs) are protecie intrinsec la scurtcircuit d.p.d.v. al diodei Zener. Pentru Us=0 rezulta Iz=0. Este cel mai greu regim de lucru pentru Rb care se dimensioneaz la puterea maxim disipat (Ea*Ea/Rb).

Pentru ca Iz < Izmax => Rb>(Eamax-Uz)/Izmax (pp. Is=0). Lipsa sarcinii (Is=0) este cel mai greu regim de lucru pentru dioda Zener (I=Iz). n acest regim se verific puterea maxim disipat de dioda Zener (Uz*I). Dac Ea crete => crete si Iz, producnd pe Rb o cretere a cderii de tensiune aproape egal cu creterea lui Ea. Us rmne aproape constant =Uz. Stabilizarea este cu att mai bun cu ct rezistena dinamic Zener este mai mic si Rb este mai mare. Circuitul stabilizeaz Us i la variaia Is. Dac Is crete (Rs scade), Iz scade, iar I va rmne aproximativ constant, ca i Us.

3.4.4. Diode cu contact punctiform

Construcia lor actual const dintr-un cristal semiconductor de Ge sau Si de tip n, pe suprafaa cruia se realizeaz un contact punctiform cu un fir metalic ascuit la vrf (fig. 3.29.).

Dup asamblarea mecanic urmeaz operaia de formatare a diodei: o serie de impulsuri de curent cu valori mult peste cele nominale.

n jurul firului de wolfram, Ge i schimb tipul n p, n urma rcirii se formeaz o jonciune foarte mic cu S=10 4 2 mm i cu grosimea 10 3 mm .

Firul are rol de legtur ntre anod i Ge de tip n. Datorit suprafeei mici a jonciunii, capacitatea de

barier e foarte mic => se folosesc la frecvene mari. Rezistena regiunii neutre e mare: sute de ohmi. Nivelul de injecie este mare, chiar la cureni mici. n

conducie invers, Irezidual este mare i are Ustrpungere mic, pentru c Irezidual mare nseamn strpungere prin ambalare termic (fig. 3.30).

Fig. 3.28

Fig. 3.27

Fig. 3.29


Utilizare: la detecie (radio), la modulaie n faz i n amplitudine, la schimbarea de frecven, comutaie. Se folosesc pn la zeci de GHz, dar n construcie coaxial. Ex. EFD 108,EFD 109, EFD110...

3.4.5. Diode cu capacitate variabil

Exploateaz proprietile jonciunii de a se comporta la polarizare invers ca o capacitate dependent de tensiunea aplicat. Capacitatea

descrete pe msur ce tensiunea de polarizare invers crete, deoarece regiunea de tranziie crete. Cea mai important caracteristic este legea de variaie a capacitii de barier cu Uinv

aplicat. unde: n= coeficient care depinde de constructor (n=0.5 - o diod foarte bun de utilizat ntr-un circuit acordat). Obs: Orice diod poate lucra n aceast regiune de capacitate variabil, dar se fac diode speciale, cu un n specific pentru anumite performane. Printr-

o alegere corespunztoare a dopajului, se realizeaz diode speciale "varicap" care prezint o variaie de capacitate ntre 10pF si 2pF pentru o cretere a tensiunii inverse ntre 2V si 30V.

Ex. Se poate demonstra expresia factorului de calitate al condensatorului Cb. Q- factorul de calitate. Q Cbri. Q crete cu frecvena la frecvene joase. Q 1 / Cbrs. Q scade cu frecvena la frecvene nalte. Simbolurile sunt prezentate n figura 3.32.

Frecvena maxim la care se pot folosi este: km

b sC rGHz 1 100

Cb=1..10pF, iar rs poate fi sczut pn la 1 ohm. Utilizri: acordul automat al circuitelor oscilante (televiziune, radio) - diodele varicap; pentru generarea de armonice la frecvene foarte nalte - diode varactor. Ex. BB139 (domeniul VHF) , BB125 (domeniul UHF). Aceste diode varicap permit acordul automat pe frecvena dorit (staia dorit).

3.4.6. Diode tunel

Dioda tunel a fost inventat de Esaki n 1958 i se folosete ca oscilator sau amplificator. Cele dou jonciuni sunt dopate foarte puternic: 1025 3at m/ . Atomii de impuriti interacioneaz ntre ei ducnd la apariia unei benzi ce se suprapune pe banda de conducie i parial pe banda de valen (fig. 3.33). Aceste semiconductoare se numesc degenerate.

Fig. 3.33 Fig. 3.34

Fig. 3.30

fLC L CbU

U

U

A

A

12

1

21

0

0

2

( )na

bb

UU

CC 1

0

0

)1(

Fig. 3.31

Fig. 3.32


Cmpul din regiunea de barier este foarte mare, nct chiar n absena polarizrii, electronii traverseaz bariera prin efect tunel (pn la Up). Peste Up, IT scade aprnd curentul normal prin diod. Peste Uv, curentul tunel IT nu mai exist (fig. 3.34).

Pentru utilizare se folosete zona cu ri

DCE - Cap.4. REDRESOARE 33

Cap.4. REDRESOARE

4.1. REDRESOARE MONOFAZATE 4.1.1. Redresorul monofazat monoalternan

Avem nevoie de o surs de curent continuu, care se poate obine cu un redresor monofazat din curent alternativ. Se numete monoalternan pentru c se redreseaz doar o alternan.

Fig. 4.1.a Fig. 4.1.b

Valoarea medie a lui Uin=0

Valoarea efectiv pentru Uin: U Uef max2 Valoarea maxim pentru Uin: U U efmax 2 Presupunem c dioda este ideal n montaj; n sens direct ea conduce i rezult Us>0; n

sens invers al curentului alternativ ea nu conduce i rezult Us=0, deci dioda redreseaz. Calculm: Us

TUs t dt U t d t U t U U U Umed

T

m mm ef ef 1 12 12 12 1 1 2 220 0 0( ) ... sin( ) cos( ) ( ) .max

Tensiunea alternativ se descompune n componenta continu, fundamental i armonici:

2...

22sin

32

)sin(2

0max

max

max1

max

0

max UUtUst

lafundamentaeaamplitudin

U

Us

continuatensiuneU

UsUs l

+

Pentru a aprecia ct de apropiat este forma tensiunii redresate fa de tensiunea alternativ (ct de bun este redresarea) se introduce factorul de ondulaie (zgomot): U

Um1

0 2157.

Pentru alegerea diodei trebuie precizat tensiunea maxim aplicat pe dioda (care este Um). O tensiune cu o form mbuntit se obine cu redresorul bialternan.

4.1.2. Redresorul dubl alternan cu punct median

Fig. 4.2.a Fig. 4.2.b

"*" indic n figura 4.2.a nceputul nfurrii.


Avem dou tensiuni de intrare: Uin1 si Uin2 Umax= 2Uef

Sarcina de intrare pe RS va fi pozitiv, indiferent de alternan. Us

TUs t dt U t d t U t U Umed

T

m m mm 1 1 1 1 1 1 2

0 0 0( ) sin( ) cos( )

Descompunerea tensiunii Us:

Us Us

U

Us

U

tm m

m

0 2

23

22

sin ...

Uinv max este 2Um (este un dezavantaj), deci trebuie folosite diode pentru tensiuni mari (cel puin 2Um), peste 2 2 220 V.

4.1.3. Redresorul dubl alternan n punte

n alternana pozitiv, cnd tensiunea are semnul din

figura 4.3, conduc D1 si D2 (polarizate direct), iar D3 si D4 sunt blocate i Us=U1n >0. n alternana negativ conduc D4 i D3, D1 i D2 fiind blocate i Us=-Uint >0.

Rezult Us >0 n ambele alternane. Usmed si sunt la fel ca la redresorul dubl alternan cu

Fig. 4.3 punct median, cu diferena c Uinv max=Umax(=Um). Usmed=200V pentru Uef=220V. Aparent se pierd 20V, dar nu se pierde nimic (1,2V0), pentru c se msoar doi parametri diferii (o valoare medie i una efectiv) ai aceleiai tensiuni. Dac Ualim10V se poate neglija UD. 4.2. REDRESOARE MONOFAZATE CU SARCIN RC

n multe cazuri se impune ca ondulaiile Us s fie mici, acestea atenundu-se cu un

condensator pus n paralel cu sarcina. Uintrare=Umsin(t)

Fig. 4.4.a Fig. 4.4.b


Funcionare: Condensatorul se ncarc la valoarea maxim a tensiunii de intrare i se descarc aproximativ exponenial pe sarcin n timpul cnd dioda e blocat.

Dioda conduce doar n intervalul t (adic n impulsuri). Amplitudinea la vrf a ondulaiei poate s fie aproximat prin scderea tensiunii pe grupul RC pe o perioad.

Dac tT U; aproximm c: U U

TR C

C U TU R

C I TUm S

m

S

max

Aceeai formul rezult i energetic: Q=ImT=CU Curentul de vrf pe diod trebuie comparat cu curentul mediu repetitiv pe diod.

Presupunem c IDV este constant i c t


Pentru a obine Usarcin>Umax; C1=C2;

primul redresor: C1-D1, al doilea: C2-D2. Cele dou redresoare au ca mas punctul M. Dac au punctul B ca mas 2Um=US. Pe noi ne intereseaz punctul B ca mas. n alternan direct, prin D1 se ncarc C1, iar n alternan negativ, prin D2 se ncarc C2. Tensiunea de pe C1 se adun cu cea de pe C2 Us va fi 2Um. n prezena sarcinii, C1 i C2 se descarc puin cu cte U vom avea US=2Um-2U=2(Um-U). Schema a doua folosete pentru alimentarea cu dou tensiuni (+) (-) fa de mas a unui circuit. Schema nu este propriu-zis un dublor de tensiune, totui ntre extremiti avem tensiune dubl. Schema conine dou redresoare dubl alternan cu punct median. D1, D4, C1- reprezint primul redresor; D2, D3, C2- reprezint al doilea redresor.

A treia schem servete pentru dublarea lui Um (adic se obine US=2Um) i tot de la acelai transformator se poate obine cu alt redresor monoalternan nc o tensiune US2=Um, deoarece masa sarcinii este comun cu o ieire a transformatorului. Funcionare: - n alternana negativ D1 ncarc pe C1;

- n alternana pozitiv tensiunea de pe C1 se adun cu Uin C2 se ncarc la 2Um, dar condiia este ca C2>C1.

4.4. REDRESOARE TRIFAZATE Instalaiile mari consumatoare de curent continuu utilizeaz n special redresoare trifazate,

care prezint o serie de avantaje fa de cele monofazate: ncrcarea reelei de alimentare este mai uniform, reducndu-se interferenele la funcionarea cu alte echipamente conectate la aceeai reea; tensiunea redresat este mai neted, ceea ce determin eventuala utilizare a unor filtre de netezire mai simple, factorul de utilizare al transformatorului de alimentare este mai mare, obinndu-se pentru o putere redresat dat o reducere a gabaritului i a preului de cost. Schemele de redresare trifazate pot fi realizate cu punct median (scheme cu 3 diode fa de nul, punctul median) i n punte (scheme cu 6 diode sau multiplu de 6). Alimentarea circuitelor de redresare poate fi realizat cu sau fr transformator, direct de la reea. Utilizarea transformatorului n circuitul energetic al redresorului permite multiplicarea numrului m de faze secundare n scopul realizrii unor performane superioare fa de cele corespunztoare la trei faze (m=3). Primarul transformatorului poate fi conectat att n stea, ct i n triunghi. Pentru a reduce dezechilibrele se folosete conexiunea n triunghi, evitndu-se astfel deformarea tensiunii n secundar.

Conexiunea n punte

Reprezint n fapt, nserierea a dou scheme de redresare identice, cu punct median alimentate de la aceeai surs de energie. Fiecare faz din secundar conduce n intervalul unei perioade de dou ori i este parcurs de curent n ambele sensuri.

Fig. 4.5


n figura 4.6 este reprezentat schema de redresare n punte trifazat. nfurrile primare nu au fost reprezentate, transformatorul de alimentare putnd avea orice conexiune n primar. Unghiul de conducie al dispozitivelor redresoare este 2/3. ntotdeauna conduc simultan dou diode, care au potenialul cel mai pozitiv al anodului i respectiv cel mai negativ al catodului, n intervalul considerat. Pentru un redresor trifazat n punte valoarea medie a tensiunii de ieire este dublul valorii de la un redresor trifazat n stea:

Udpo=2*Udo=2*1,17*U2=2,34*U2

Conexiunile n punte nu au dezechilibru de curent continuu pe partea secundar deoarece exist circulaie alternativ de curent. Din acelai motiv

factorul de utilizare al transformatorului crete. Schemele de redresare n punte mai au avantajul c pot fi alimentate direct de la reea, ns n acest caz circuitul de c.c. nu mai este izolat galvanic.

Redresoarele prezentate n acest capitol sunt realizate numai cu diode (redresoare necomandate) i asigur la ieire o tensiune continu de valoare medie constant. Pentru o tensiune continu la ieire reglabil se utilizeaz redresoarele semicomandate (realizate cu diode i tiristoare) i redresoarele comandate (realizate numai cu tiristoare).

i21

i22

i23

Ls

Fig. 4.6

Rs + -

DCE - Cap.5. CONTACTUL METAL SEMICONDUCTOR 37

x

m n l0

u

x

+

-

U0

Fig. 5.1

Cap.5. CONTACTUL METAL SEMICONDUCTOR 5.1. GENERALITI

Contactul metal-semiconductor (m-s) este o structur fizic care intr n construcia tuturor dispozitivelor electronice. Principala sa funcie este de a conecta diverse regiuni semiconductoare la terminalele capsulei. n acest caz contactul trebuie s prezinte o rezisten foarte mic n ambele sensuri de polarizare; un astfel de contact se va numi contact ohmic. Contactul metal-semiconductor poate avea i conducie unilateral, atunci purtnd denumirea de contact redresor. Obinerea funcionrii ohmice sau redresoare a contactului m-s se face prin alegerea metalului, a semiconductorului sau a gradului de impurificare.

Contactele ohmice se apropie mai mult sau mai puin de contactul ideal. Industrial, contactele ohmice pe Si se realizeaz, aproape n exclusivitate, cu aluminiu. S-a constatat experimental c Al face contact ohmic cu siliciu tip p dac rezistivitatea acestuia este sub 10-2 mdopare Na>1022 atomi/m3. n cazul Si tip n, contactul este ohmic numai la dopri puternice (Na>1025 atomi/m3) i din acest motiv, naintea depunerii Al se mrete gradul de dopare n regiunea de contact.

5.2. CONTACTUL METAL-SEMICONDUCTOR REDRESOR

Suprafaa semiconductorului reprezint o discontinuitate a structurii periodice din interiorul monocristalului. n plus atomii de la suprafaa semiconductorului nu mai au vecini n exterior pentru formarea legturilor covalente. Toate acestea se traduc prin apariia n banda interzis a unor nivele energetice numite stri rapide de suprafa.

Existena strilor rapide de suprafa produce modificri n regiunea adiacent, care se traduc prin apariia unor regiuni golite.

Pentru un semiconductor de tip n, electronii de conducie din apropierea suprafeei tind s umple complet strile rapide de suprafa; pe msura umplerii acestora, la suprafa se acumuleaz sarcini negative, iar n volum sarcini pozitive (ale ionilor donori). Apare astfel o regiune golit la suprafa i un cmp electric care se opune transferului de electroni ctre suprafa. Se obine o situaie de echilibru, n urma creia sunt umplute numai o parte dintre strile de suprafa.

n mod asemntor se formeaz o regiune golit la un semiconductor de tip p. Aici, electronii care ocupau deja strile rapide de suprafa trec n banda de valen, unde sunt nivelele energetice libere (echivalent cu prezena golurilor). Suprafaa semiconductorului se ncarc pozitiv, iar

volumul semiconductorului, negativ. Diagrama energetic a suprafeei semiconductorului poate fi controlat prin diverse procedee tehnologice, de exemplu, prin realizarea unui strat subire de oxid.

Cel mai rspndit contact m-s este realizat cu Al depus pe siliciu tip n. La efectuarea contactului, electronii cu energie mai mare din semiconductor vor trece pe nivelele libere, de energie mai cobort, din metal; ca urmare, regiunea din metal vecin suprafeei se ncarc cu o sarcin negativ (fig. 5.1).

Prin plecarea electronilor din semiconductor rmn, n regiune vecin suprafee de contact, ioni pozitivi de impuritate donoare necompensai; aceast regiune se ncarc cu o sarcin pozitiv. La contactul metal-semiconductor apare un strat electric dublu, deci un cmp electric.

n regiunea de trecere care apare se manifest o barier de potenial care poate fi modificat prin aplicarea unei tensiuni

DCE - Cap.5. CONTACTUL METAL SEMICONDUCTOR 38

de polarizare din exterior; contactul metal-semiconductor considerat are o comportare similar unei jonciuni pn.

La polarizarea direct (+ pe metal i pe semiconductor) crete componenta de electroni care trece din semiconductor n metal, iar la polarizarea invers, curentul net prin contact va fi determinat de curentul de electroni care trece din metal n semiconductor, care se menine la valoarea de la echilibru i are o valoare mic.

5.3. DIODA METAL-SEMICONDUCTOR

Contactele redresoare stau la baza construciei diodelor metal-semiconductor, care pot fi: cu seleniu (n anii 30), cu oxid cupros, cu Ge, cu Si. Diodele m-s cu Si se numesc i diode Schottky, i se realizeaz ca n figura 5.2. Pe o plachet de Si n+ este crescut epitaxial un strat slab dopat de tip n, peste care se depune un strat de aliaj argint-titan (sau aluminiu), care formeaz contact redresor cu Si tip n. Pe regiunea n+ se realizeaz un contact ohmic pentru catod.

Fig. 5.2 Fig. 5.3. Simbolul diodei Schottky

Contactul m-s realizat se comport ca o jonciune pn+, curentul direct fiind determinat de electronii majoritari ce trec din semiconductor n metal. n metal electronii i uniformizeaz concentraia pe cteva straturi atomice. Injecia de goluri dinspre metal spre semiconductor este foarte slab, ntruct regiunea p aprut prin inversiune are o concentraie mic de goluri. Practic nu exist sarcini de purttori minoritari stocate n regiunile neutre i deci capacitatea de difuzie este neglijabil. Timpii de comutaie pot ajunge la 100 ps.

Cderea de tensiune direct pe o diod Schottky este de numai 0,30,5V fa de 0,60,8V la jonciunile din Si; aceast proprietate este utilizat n circuitele integrate logice rapide (tip tranzistor-tranzistor-logic TTL-Schottky) pentru evitarea saturrii tranzistoarelor bipolare.

Principalul avantaj al diodei Schottky este posibilitatea de a lucra la frecvene foarte nalte (zeci de GHz). De aceea ea este utilizat n detectoarele de frecven foarte nalt, n redresoarele de putere la frecvene foarte ridicate i n circuitele integrate TTL-Schottky.

DCE - Cap.6. TRANZISTORUL BIPOLAR 39

Cap.6. TRANZISTORUL BIPOLAR

Cel mai important dispozitiv electronic este, la ora actual, tranzistorul bipolar (TB) cu jonciuni. Acest dispozitiv a fost inventat de Shockley n 1949. Denumirea de tranzistor provine din limba englez: TRANSFER RESISTOR, cuvinte ce desemneaz funcia de baz a dispozitivului. Tranzistoarele se mpart n dou categorii: bipolare i unipolare. Funcionarea TB se bazeaz pe ambele categorii de purttori: majoritari i minoritari, n timp ce tranzistoarele unipolare (sau cu efect de cmp) funcioneaz numai pe baza purttorilor majoritari. Istoric primul TB a fost cel cu contacte punctiforme, realizat de Bardeen i Brattain n 1948, dar nu s-a impus din cauza puterii foarte mici. n continuare prin TB vom nelege de fapt TB cu jonciuni.

6.1. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE AL TRANZISTORULUI BIPOLAR. SIMBOLURI. NOTAII. Tranzistorul bipolar const dintr-un monocristal semiconductor (Si sau Ge) care prezint o

succesiune de trei regiuni distincte, regiunea din mijloc fiind dopat cu impuriti de tip diferit fa de regiunile laterale (fig. 6.1). Regiunea central poart numele de baz (B), iar cele laterale de emitor (E) i colector (C), dup rolul pe care l au n funcionarea tranzistorului.

Fig. 6.1 Fig. 6.2 Pe fiecare din aceste regiuni este realizat cte un contact ohmic pe care se sudeaz

conductoarele terminale. n structura TB se formeaz dou jonciuni p-n: jonciunea emitoare (JEB) i jonciunea colectoare (JCB). n funcie de tipul conductibilitii celor trei regiuni, TB pot fi de tip pnp sau npn.

Structura de TB prezint urmtoarele particulariti: 1. Grosimea bazei (dB) este mult mai mare dect lungimea de difuzie a purttorilor minoritari;

dB =1...10 m; 2. Regiunile E i C au (de regul) grosimi mult mai mari dect lungimea de difuzie a purttorilor minoritari; 3. Emitorul este mult mai puternic dopat dect baza; 4. Jonciunile E i C sunt plane i paralele ntre ele; de aceea toate mrimile electrice variaz n structur numai dup perpendiculara pe jonciuni (x). n funcionarea normal a TB, JE este polarizat direct, iar JC invers. Funcionarea TB nu poate fi dedus, aa cum s-ar prea la prima impresie, considerndu-l echivalent cu dou jonciuni independente. Schema echivalent cu dou diode este util doar pentru msurri cu ohmmetrul (fig. 6.2). Distana ntre cele dou jonciuni fiind mic, ele se influeneaz reciproc: apare un efect numit efect de tranzistor.

n figura 6.3. se arat simbolurile utilizate pentru tranzistoarele bipolare npn i pnp. Terminalul emitorului este pus n eviden printr-o sgeat orientat dup sensul real" (de fapt cel

convenional: de la plus la minus) al curentului de emitor n polarizare normal (JE polarizat direct i JC polarizat invers). Sensurile pentru cureni i tensiuni sunt aceleai pentru tranzistoarele bipolare pnp ct i pentru cele npn. Curenii se consider pozitivi cnd ntr n tranzistor i negativi n caz contrar. Tensiunile se msoar fa de

p p

B C E

n n n

B CE

p

Fig. 6.3


unul din terminale i se noteaz cu doi indici: primul indic terminalul a crui tensiune se msoar, iar al doilea indic terminalul luat ca referin de potenial.

ntre tranzistorul bipolar pnp i npn exist o analogie perfect. Ne vom referi n continuare la tranzistorul bipolar pnp, ns toate rezultatele ce se vor obine sunt aplicabile i la TB npn, cu urmtoarele precizri:

1. Se schimb toate mrimile referitoare la goluri n mrimile referitoare la electroni i invers; 2. Polaritatea tensiunilor i mrimile reale ale curenilor sunt inverse. Se prezint mai jos un

tabel cu tensiunile i curenii unui TB n funcionarea normal:

UEB UCB UCE IE IC IB pnp + - - + - - npn - + + - + +

Fig. 6.4

S considerm un tranzistor pnp polarizat normal. JE va fi strbtut de un curent dominant

de golurile injectate de E n B (fig. 6.4). Datorit faptului c B este subire, doar o mic parte din golurile injectate de E n B se vor recombina cu e- majoritari din B. Cele mai multe goluri ajung prin difuzie la JC. Aici intr sub aciunea cmpului electric din regiunea de tranziie i sunt trecute n regiunea neutr a colectorului. Curentul de goluri ce traverseaz JC (IpC) este foarte apropiat ca valoare de curentul injectat de E n B (IpE) i constituie componenta principal a curentului de C. Acest efect de comand a curentului printr-o jonciune polarizat invers (JC) cu ajutorul curentului unei jonciuni polarizate direct i plasat n apropiere (JE), se numete efect de tranzistor.

O fraciune mic din golurile injectate n B se recombin cu electronii intrai prin contactul B dnd I de recombinare al B, Ir. IpE=IpC+Ir. JE mai este strbtut de un flux de electroni pe care B i injecteaz n E. Notm cu Ine curentul corespunztor acestui flux, valoarea total a IE=IpE+InE. IC este format din I de goluri ce sosesc de la E (IpC) i curentul invers al JC (ICBo) IC =-IpC+ ICBo. Semnul minus apare datorit conveniei de semne fcut. ICBo este foarte mic, de ordinul a 1 nA la TB cu Si i 1A la cele cu Ge, motiv pentru care de multe ori se neglijeaz. IB alimenteaz recombinarea n B i injecia de electroni din B n E. n acelai timp n B sosesc un numr mic de electroni: IB =-Ir-InE+InC

Efectul util n funcionarea TB l constituie comanda IC prin intermediul IE; InE- curent local, trebuie s fie ct mai mic (din construcie). Din acest motiv, B se dopeaz mult mai slab dect E. Pentru a aprecia msura n care curentul de goluri Ip predomin n curentul ce traverseaz JE se utilizeaz coeficientul de injecie (sau eficiena emitorului), definit astfel: =IpE/ IE =0.99...0.998

Recombinarea golurilor n baz este un fenomen parazit pentru funcionarea tranzistorului. Pentru ca la C s ajung ct mai multe din golurile injectate de E n B, trebuie ca grosimea B s fie mult mai mic dect lungimea de difuzie a golurilor n baz, fenomen caracterizat de coeficientul de transport:

T=IpE/IpC=0.99...0.998. IpC= T IpE=T. IE = IE, unde = T = 0.95... 0.998


Fig. 6.5.a Fig. 6.5.b

Coeficientul poart numele de coeficient de amplificare n curent E-C (coeficient de amplificare n conexiune baz comun figura 6.7). Se poate exprima relaia dintre curenii IC i IE astfel: IC =-IE+ICBo=-IE.

IB fiind legat de fenomene secundare este mult mai mic dect IE i IC. Mai observm c n timp IE i IC curg n lungul structurii (perpendicular pe jonciune) iar IB curge paralel cu jonciunea. Din acest motiv curentul de purttori majoritari din regiunea B este numit curent transversal. Cnd tensiunea invers aplicat pe JC este foarte mare, intervine i fenomenul de multiplicare n avalan n regiunea de tranziie caracterizat de coeficientul de multiplicare: M=1/[1-(UCB/UCBo)n] unde UCBo este tensiunea de strpungere a JC, iar n un coeficient cuprins ntre 2 i 6. n domeniul tensiunilor mari = T -M i n anumite situaii poate deveni mai mare dect 1.

n majoritatea aplicaiilor, TB este comandat prin IB. Pentru astfel de aplicaii intereseaz dependena IC (IB), care se obine nlocuind: IE =- IC - IB, n care IC = IE + ICBo => IC = IC + IB + ICBo; IC (1-)= IB + ICBo; IC =(/(1-)) IB +(/(1-)) ICBo; =/(1-); =/(+1)

se numete coeficient de amplificare n curent B-C sau coeficient de amplificare n conexiune emitor comun figura 6.7.

IC = IB +(+1) ICBo; IC =- IC + ICBo. La TB obinuite, (30, 500). Pn n prezent au fost elaborate mai multe procedee de fabricare a tranzistoarelor, rezultnd

mai multe tipuri de tranzistoare: aliate, difuzat-aliate (drift), mesa, planare, mesa epitaxiale, planar epitaxiale etc.

6.2. TEORIA TRANZISTORULUI BIPOLAR N REGIM STAIONAR. MODELUL STATIC EBERS-MOLL Aceast teorie se bazeaz pe nite ipoteze simplificatoare (de ex.: jonciunile TB sunt

considerate abrupte ideale), n final rezultnd ecuaiile lui Shockley, care depind de mai muli parametri tehnologici ai TB. Ebers i Moll au gsit o cale de determinare a ecuaiilor TB cu ajutorul a 4 parametri msurabili experimental.

Vom considera dou regimuri de lucru ale TB: normal i inversat. n regim normal de funcionare, pentru un TB tip pnp, UEB>0, UCB


este determinat de faptul c la TB pnp ICBo i IEBo sunt negativi. La TB npn, ICBo i IEBo sunt pozitivi i observm c UEB i UCB sunt nlocuite cu -UEB i -UCB n ecuaiile Ebers-Moll. Datorit diodelor cu caracteristic exponenial, circuitele echivalente din figura 6.5 pstreaz caracterul neliniar al caracteristicii jonciunii p-n. Diodele pot fi modelate liniar, obinndu-se circuite mai uor de utilizat, dar mai puin precise.

Pentru se mai folosete notaia F iar pentru notaia R. =R=0.5...0.9 I= 1...9 = F = 0.95...0.99 Aceast diferen ntre i este datorat ariei mult mai mari a JC fa de JE (fig. 6.6),

ceea ce permite colectarea majoritii golurilor injectate de E ctre C. Atunci cnd polarizarea este inversat, E nu poate colecta majoritatea golurilor injectate de C. Ca exemplu de utilizare a ecuaiilor Ebers-Moll, vom determina curenii prin TB n dou cazuri:

a) baz n gol i JC polarizat invers: IC =- IE IC =Iceo= ICBo /(1-)=(+1) ICBo b) baz n gol i JE polarizat invers: IE =- IC IE = Ieco = IEBo /(1-I)=(I+1) IEbo Pentru determinarea practic a parametrilor modelului Ebers-Moll, este

recomandabil s se determine coeficienii de amplificare n curent BC (i I), iar i I s se calculeze cu ajutorul acestora. De asemenea, este preferabil s se msoare cu baza n gol IECo i ICEo (care sunt mult mai mari dect IEBo i ICBo) i apoi s se calculeze IEBo i ICBo. La toate tranzistoarele >I i ICBo >Ieco. n practic se mai folosete relaia valabil numai n regiunea activ: IC =Ise qUBE/(kT), unde Is este curentul de saturaie al jonciunii BE.

6.3. CARACTERISTICILE STATICE ALE TRANZISTORULUI BIPOLAR Caracteristicile statice (CS) exprim grafic legtura dintre I prin TB i U aplicate ntre

terminale, n regim static. Pentru calculul circuitelor cu TB se folosesc fie CS trasate experimental, fie unele modele simplificate pentru TB. n aceste montaje cu TB se disting dou circuite: un circuit de intrare, n care se aplic semnalul de prelucrat i un circuit de ieire, n care se obine semnalul prelucrat. TB avnd numai 3 borne, una din bornele sale trebuie s fac parte din ambele circuite. De obicei terminalul comun se ia ca referin de potenial. Dup terminalul comun, exist urmtoarele conexiuni posibile pentru TB:

a) baza comun (BC), n care U de polarizare se aplic nemijlocit pe cele dou jonciuni; b) emitor comun (EC) n care JE este polarizat direct de la sursa respectiv, iar polarizarea

JC se obine ca diferen ntre potenialele C i B: UCB = UCE -UBE; c) colector comun (CC), n care JC este polarizat direct de la surs, iar polarizarea JE se

obine ca diferen ntre E i B: UEB =UEC-UBC; (fig. 6.7) Pentru definirea punctului de funcionare al TB (PSF) sunt necesare 4 mrimi: I la

terminalele de intrare i ieire i U ntre aceste terminale i terminalul comun. U ntre terminalul de intrare i cel de ieire precum i I la terminalul de referin rezult din aplicarea formulelor lui Kirchoff: IE + IC + IB =0 i UEB +UBC+ UCE =0

Fig. 6.7

ntre cele 4 mrimi de tensiune variabil, TB impune dou relaii de legtur: ecuaiile Ebers-Moll, deci numai dou variabile sunt independente. Dintre caracteristicile statice ce pot fi imaginate, cele mai importante din punct de vedere practic sunt urmtoarele:

Fig. 6.6


1) caracteristicile de ieire care exprim dependena Iieire(Uieire), avnd ca parametru Iintrare (sau Uintrare); 2) caracteristicile de intrare, care exprim dependena Iintrare(Uintrare), avnd ca parametru Uieire; 3) caracteristicile de transfer, care exprim dependena Iieire(I sau Uintrare), avnd ca parametru Uieire; 4) caracteristicile de reacie, care exprim dependena Uintrare(Uieire), avnd ca parametru Iintrare.

CS difer de la o conexiune la alta, dar cunoscnd familia de CS pentru o conexiune, pot fi uor determinate CS pentru celelalte conexiuni. Deoarece n marea majoritate a aplicaiilor TB se utilizeaz conexiunea EC, cataloagele de TB dau numai CS pentru aceast conexiune. CS sunt la fel pentru TB pnp i TB npn, cu excepia semnelor pentru I i U.

Se prezint caracteristicile statice de ieire pentru conexiunea baz comun (BC) (fig. 6.8.a) i pentru conexiunea emitor comun (EC) (fig. 6.8.b).

Fig. 6.8.a Fig. 6.8.b Domeniul de interes practic al caracteristicilor se aduce n primul cadran. Pentru aceasta la TB

pnp pe axa U se va reprezenta -UCB, iar pe axa curenilor -IC (fig. 6.8.a,b). tim c pentru UCB UEB IC =0. UCE = UCB - UEB =0, deci toate caracteristicile IC (UCE)

trec prin origine. Pentru -UCE 0) TB saturat. Apare o nclinare a caracteristicilor, datorit creterii lui prin efect Early, adic micorarea grosimii efective a bazei la creterea UCE .

Putem mpri planul caracteristicilor de ieire n 4 regiuni, la care corespund 4 regimuri de funcionare: I. regiunea activ normal, unde JE e polarizat direct i JC e polarizat invers;

II. regiunea de saturaie, unde ambele jonciuni sunt polarizate direct; III. regiunea de tiere, unde ambele jonciuni sunt polarizate invers;

IV. regiunea activ invers, JC polarizat direct, JE polarizat invers. n mod frecvent n

cataloage se reprezint toate cele 4 caracteristici pe acelai grafic (fig. 6.9).

Fig. 6.9. TB pnp n conexiune EC


6.4. MODELE STATICE LINIARIZATE PENTRU TRANZISTOARE BIPOLARE. EXEMPLU DE UTILIZARE A MODELELOR

Pentru calcule se aproximeaz CS prin segmente de dreapt. Conexiunea BC CS de intrare: 2 segmente de dreapt: IE =0, pentru UEB UD ca la diod i IE =( UEB - UD)/Re, pentru UEB > UD; UD - tensiune de deschidere a JE Re= UD IE; Re=(KT/q)(1/ IE) Circuitul de intrare are elementele: Re, DI, UD (fig. 6.10) Pentru circuitul de ieire IC =- IE + ICBo TB este echivalent

cu un generator de curent model pentru regiunea activ pentru tranzistorul bipolar pnp (vala

Documents

DCE - analogic