Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikustarisajt.elfak.ni.ac.rs/phptest/new/html/Studije/predavanja-liter... · Dioda provodi kad spoljašnji napon postane ve´ci od

DiodeDiodna integrisana kola

Ostali tipovi dioda

Osnove mikroelektronike

Z. Prijic T. Pešic

Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku

Predavanja 2006.

Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike


Ostali tipovi dioda

Sadržaj

1 Diodepn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima

2 Diodna integrisana kolaPostavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale

3 Ostali tipovi diodaZener diodeŠotkijeve diodeLED diode



Ostali tipovi dioda

pn spojElektricne karakteristikeRealizacija u integrisanim kolima

Sadržaj






Ostali tipovi dioda


pn spojBez spoljašnjeg napajanja

n -

supst

rat

p -

difuzi

ja

SiO

2

met

al (

Al)

CV

D

met

al

katodaanodapn spoj



Ostali tipovi dioda


pn spojPre spajanja



Ostali tipovi dioda


pn spojNakon spajanja

n -

supst

rat

p -

difuzi

ja

met

al

met

al

++++++

-

----

-

NA

- ND

+

Elektroni iz n tipa difunduju u p tip, a šupljine obratno.U n tipu ostaju pozitivni donorski joni N+

D .U p tipu ostaju negativni akceptorski joni N−

A .



Ostali tipovi dioda


Razdvajanje naelektrisanjaTermodinamicka ravnoteža

++++++

-

----

-

V

x

Wd

V0

U oblasti ukupne širineWd sa obe stranemetalurškog spoja nemaslobodnih nosilacanaelektrisanja, pa se onanaziva osiromašenaoblast.Razdvojena naelektrisanjaformiraju potencijalnubarijeru koja odgovaranaponu V0 i koja sprecavadalju difuziju nosilaca.



Ostali tipovi dioda


Potencijalna barijera - ugradeni naponZavisi od koncentracije primesa i temperature

V0 = VT lnNAND

n2i

VT = kT/qni je koncentracija sopstvenih nosilaca i zavisi odtemperature.Na sobnoj temperaturi je V0 = 0, 6÷ 0, 8V.Potencijal na kontaktima neutrališe V0, pa je napon nakrajevima spoja jednak nuli (princip konzervacije energije).



Ostali tipovi dioda


Sadržaj






Ostali tipovi dioda


Pozitivna polarizacijaWd se smanjuje, a i potencijalna barijera

+

VF

IF

IF

V0

p

n

VF

0

Dioda provodi kad spoljašnji napon postane veci odugradenog napona.Nagib karakteristike potice od redne otpornosti (telapoluprovodnika i kontakata).



Ostali tipovi dioda


Negativna polarizacijaWd se širi, a i potencijalna barijera

+

VR

VZK

IR

IR

p

n

0IS

VR

IS je inverzna struja zasicenja i može se smatrati približnokonstantnom sve dok ne nastupi Zenerov proboj ili probojusled lavinske multiplikacije nosilaca.VZK je probojni napon.



Ostali tipovi dioda


Jednacina diode

I = IS

(e

VnVT − 1

)

V je napon na diodi, a n je koeficijent (kod diskretnih diodaje n ≈ 2, dok je kod dioda u integrisanim kolima n ' 1).Model ne ukljucuje rednu otpornost.



Ostali tipovi dioda


Zavisnost od temperaturePorast temperature degradira elektricne karakteristike

VF

IF

T2

T2>T

1

T1

0

V0 se smanjuje sagradijentom od 2mV/◦C.IS se udvostrucuje nasvakih 5◦C.Probojni napon sesmanjuje.



Ostali tipovi dioda


Sadržaj






Ostali tipovi dioda


Planarni proces IDobijanje bipolarnog tranzistora

15µ

P+ substrate

Lightly dopedhigh-resistivityepitaxial layer

Step 1Grow epitaxial layer

on starting P+ substrate

P+ substrate

SiO2

Step 2Grow SiO2 layer over

epitaxial layer and openwindow for base diffusion

P-epitaxiallayer

Basewindow



Ostali tipovi dioda


Planarni proces IIDobijanje bipolarnog tranzistora

Step 3

n-type impurities

N+

P–

SiO2

1µ

5µ

Diffuse low-resistivity base

Step 4

p-type impurities

P+

N+

SiO2

3µ

5µ

P+ substrate

Diffuse low-resistivity P+ emitter

P+ substrate



Ostali tipovi dioda


Planarni proces IIIDobijanje bipolarnog tranzistora

Step 5

Emitter

P+

N+

P–

Base

P+ Collector

Reoxidize surface, open windowsfor base and emitter metalization



Ostali tipovi dioda


DiodaDobija se kratkim spajanjem dve elektrode bipolarnog tranzistora

Emitter

Metal

P+

N+

P–

Base

P+Collector



Ostali tipovi dioda


DiodaMože se dobiti i ostavljanjem jedne elektrode bez kontakta

EmitterMetal

P+

N+

P–

Base

P+Collector



Ostali tipovi dioda


Diode u integrisanim kolimaRealizacija zavisi pre svega od željenog probojnog napona

Najcešce se koristi kratko spajanje baze i kolektora.



Ostali tipovi dioda

Postavljanje radne tackeOtpornik u integrisanom koluModel za male signale

Sadržaj






Ostali tipovi dioda


Diodno koloOtpornik ogranicava struju

VDD V

D

R

ID

ID ' ISeVDnVT

ID =VDD − VD

R

Podrazumeva se da su IS in poznati.Za date VDD i Rizracunavaju se ID i VD.



Ostali tipovi dioda


Graficka analizaPostavljanje radne tacke

V

I

VD

ID

VDD

VDD

R radna tačka Q

radna prava

0

Strmina radne prave je −1/R.



Ostali tipovi dioda


Sadržaj






Ostali tipovi dioda


Otpornik u integrisanom koluDifundovani otpornik - elementarna realizacija

Metal

n+

N supstrat

SiO2

L

W

Wsup

n+ oblasti obezbedujudobar omski kontakt.Otpornost cini telosupstrata, izmedukontakata.Otpornost zavisi odkoncentracije primesa usupstratu, dimenzija itemperature.



Ostali tipovi dioda


IzolacijaKomponente u integrisanom kolu moraju biti medusobno elektricno izolovane

p supstrat

n epi

p supstrat

n epi

p+ p+ p+

n epi

SiO2



Ostali tipovi dioda


Izolacija dubokom difuzijomDuboka p+ difuzija formira izolaciona ostrva u n-epi sloju

n+ n+

kolektor

p supstrat

n epi

p+ p+ p+

n epi

SiO2

V-

kontakt bazekontakt emitorakontakt kolektora

p baza p otpornik

kontakti otpornika

V− je najnegativniji potencijal u kolu ! Na taj nacin su dioda iotpornik medusobno elektricno izolovani inverzno polarisanimpn spojem.



Ostali tipovi dioda


Integrisano koloSC59 kucište

VD

VDD GND



Ostali tipovi dioda


Prvo integrisano koloJack Kilby, Fairchild Semiconductors, 1959.



Ostali tipovi dioda


Parazitne komponenteMogu biti od uticaja na rad kola

Usled prisustva osiromašene oblasti pn spoj se odlikujeparazitnom kapacitivnošcu.Otpornici su sa velikim tolerancijama, pa se kola projektujutako da se pojedini parametri podešavaju odnosom dvejuotpornosti, umesto njihovim apsolutnim vrednostima.Otpornici mogu biti i epitaksijalni, bazni i polisilicijumski.Otpornici velike otpornosti zauzimaju mnogo mesta napovršini cipa, pa se zato izbegavaju u dizajnu kola.



Ostali tipovi dioda


Sadržaj






Ostali tipovi dioda


Model za male signale IAmplituda signala vd(t) je mnogo manja od VD

vd(t)

VD

iD(t)

+

vD(t)

-

U odsustvu naizmenicnog signala, dioda vodi i struja kroznju je:

ID = ISeVDnVT



Ostali tipovi dioda


Model za male signale IIAmplituda signala vd(t) je mnogo manja od VD

U prisustvu naizmenicnog signala važi principsuperpozicije

vD(t) = VD + vd(t)

To znaci da ce biti:

iD(t) = ISevD

nVT = ISe(VD+vd )

nVT = ISeVDnVT e

vdnVT = IDe

vdnVT

Neka je:vd

nVT� 1

Razvojem eksponencijalnog clana u red1 i zadržavanjem samoprva dva clana dobija se:

iD(t) ' ID

(1 +

vd

nVT

)Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike


Ostali tipovi dioda


Model za male signale IIIAmplituda signala vd(t) je mnogo manja od VD

Aproksimacija važi za amplitude manje od 10mV kada jen = 2 i 5mV kada je n = 1.

Primenom principa superpozicije dobija se:

iD(t) ' ID + IDvd

nVT= ID + id ,

Otpornost za male signale

rd =nVT

ID

1ex ' 1 + x + x2/2! + x3/3! + · · ·Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike


Ostali tipovi dioda


Graficka analizaRadna tacka se postavlja na deo strujno-naponske karakteristike koji se može smatratipribližno linearnim



Ostali tipovi dioda


Prekidacke i ispravljacke diodeDiode na bazi pn spoja

Koriste se i u direktnom i u inverznom režimu rada.Proizvode se kao diskretne komponente ili u okviruintegrisanih kola.Kao diskretne komponente se mogu naci u aksijalnom ili uSMD (engl. Surface Mounting Device) pakovanju.



Ostali tipovi dioda

Zener diodeŠotkijeve diodeLED diode

Sadržaj






Ostali tipovi dioda


Zener diode IDiode na bazi pn spoja sa precizno odredenim probojnim naponom VZ

Rade u inverznom režimu i koriste se kao regulatori iogranicavaci napona.

Zenerov proboj nastaje kada elektricno polje uosiromašenoj oblasti poraste dovoljno da se raskinukovalentne veze izmedu atoma i na taj nacin generišuslobodni nosioci.

Zenerov napon može biti od nekoliko volti, pa do nekolikostotina volti.



Ostali tipovi dioda


Zener diode IIDiode na bazi pn spoja sa precizno odredenim probojnim naponom VZ

VR

VZ

IR

0

Opseg regulacije



Ostali tipovi dioda


Zener dioda kao regulator naponaSve dok je VDD > VZ , napon na otporniku RL bice jednak naponu VZ .

VDD V

Z

R

RL

Struja se ogranicava otpornikom R.Proizvodaci specificiraju VZ , pri testnoj struji IZT .Temperaturna zavisnost



Ostali tipovi dioda


Sadržaj






Ostali tipovi dioda


Šotkijeve diodeDiode na bazi spoja metal-poluprovodnik

Imaju usmeracka svojstvaKao metal se koristi Al, Ti i drugi, a visina potencijalnebarijere zavisi od vrste metala.Tipicne vrednosti su V0 = 0, 4÷ 0, 6V.Koriste se kao brze prekidacke diode.



Ostali tipovi dioda


Šotkijeve diodeNa mestu kontakta površinska koncentracija mora biti manja od 1018cm−3

n+ n+

p supstrat

n epi

p+ p+

SiO2

V-

kontakt metal-poluprovodnikŠotkijeva dioda

omski kontakt



Ostali tipovi dioda


Sadržaj






Ostali tipovi dioda


LED diodeDiode na bazi pn spoja koje emituju svetlost kada su direktno polarisane

Efekat se naziva elektroluminscencija i zasniva se narekombinaciji nosilaca (prelasku iz provodne u valentnuzonu) i oslobadanju energije u obliku fotona.Talasna dužina emitovane svetlosti zavisi od širinezabranjene zone poluprovodnika. Koriste se GaAs, GaP idrugi materijali.



Ostali tipovi dioda


LED diodePrimene

IndikatoriDisplejiOsvetljenje


Documents

Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikustarisajt.elfak.ni.ac.rs/phptest/new/html/Studije/predavanja-liter... · Dioda provodi kad spoljašnji napon postane ve´ci od