Upload
cosmin-dumitru
View
46
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
O PARTE DE E;ECTRPMOCA
Citation preview
Elemente de electronic analogic
1
Notare:
-laborator 25%
-proiect 25%
-examen 50%
Prezenta lab obligatorie
Examen: min 25 pct./ 50
Programa : Introducere in semiconductoare
Dispozitive electronice: Procese electronice n dispozitive semiconductoare de
circuit. Jonciunea pn. Circuite elementare cu diode. Tranzistoare bipolare TBIP). Principii de realizare a circuitelor integrate liniare.
Circuite de polarizare n curent continuu.Circuite cu tranzistoare.
Amplificatoare: Parametrii amplificatoarelor. Amplificatoare elementare cu
TBIP. Scheme echivalente i tranzistoare compuse. Transmisia diferentiala si amplificatoare difereniale. Reacia negativ: Cazul general. Reacia negativ serie de tensiune. Reacia negativ paralel de tensiune. Aplicaii. Amplificatoare operaionale: Parametrii unui AO real. AO ideal. Structuri inversoare cu AO. Structuri neinversoare cu AO. Amplificatoare difereniale cu AO. Filtre active cu AO. Circuite neliniare cu AO.
Oscilatoare electronice.
Bibliografie :
1. Nicolae Cupcea, Costin Stefanescu, Adrian Surpateanu: Elemente de
Electronica Analogica - Dispozitive electronice, Amplificatoare
electronice, Amplificatoare operationale, Editura AGIR, ISBN 978-973-
720-229-1,p. 500;
2. Adrian Surpateanu, ELEMENTE de ELECTRONICA ANALOGICA, Surse de tensiune continua, Oscilatoare armonice, Editura
POLITEHNICA PRESS, Bucuresti 2010, ISBN 978-606-515-076-8
3. Horowitz, Paul, and Winfield Hill. The art of electronics. Cambridge Univ. Press, 1989.
http://iate.oac.uncor.edu/~manuel/libros/ElectroMagnetism/The%20Art%
20of%20Electronics%20-%20Horowitz%20&%20Hill.pdf
Elemente de electronic analogic
2
Elemente de electronica corpului solid
Purttori de sarcin n semiconductoare
Dup conductibilitatea electric corpurile solide sunt:
conductoare - cm /103 la ambt
` - 322
/10 cmne (electroni liberi)
- neutre electric local i general - conductibilitatea scade cu temperatura
( EEEqnqnvj n
1
)
(n jurul ionilor pozitivi care nu particip la conducie se mic electroni mobili)
semiconductoare - cm /1010 310 (la temperatura ambiant)
- pentru KT0
100 rezult cm /10 10 - depinde pronunat de temperatur
izolante - nici la temperaturi foarte mari nu prezint o conductibilitate electric important
Aceast comportare este determinat de natura legturilor dintre atomi:
la metale (conductoare) exist legtura metalic, foarte slab n care electronii formeaz un nor electronic i pot participa uor la conducie;
la izolatoare (materiale izolante) este specific legtura ionic, foarte stabil pn la temperaturi foatrte mari; poate s apar, eventual, o conducie ionic;
semiconductoarele pot fi constituite: - dintr-un singur tip de atomi din grupa a patra (Ge sau Si)
- din tipuri de atomi din grupe apropiate (de exemplu, din grupele
III, V, exemplul tipic fiind semiconductorul GaAs);
ntre aceste tipuri de atomi se pot stabili legturi covalente care constau din punerea n comun a unuia dintre electronii de valen.
Elemente de electronic analogic
3
Pentru a se elibera un electron din legtura covalent este necesar un surplus de energie.
La temperaturi mai mari de 1000K, datorit agitaiei termice,
electronii din stratul de valen devin electroni liberi i formeaz o sarcin electronic real mobil. n aceste condiii, la aplicarea unui cmp electric, electronii liberi se deplaseaz ordonat i formeaz un curent electric de natur electronic; Dar, un electron de valen vecin, de pe alt legtur covalent, poate efectua o tranziie (tot datorit agitaiei termice) i ocup locul rmas liber; sub influena cmpului electric, se constat c are loc o deplasare de sarcin pozitiv n sensul cmpului electric, adic un electron devenit liber determin efectuarea mai multor tranziii ca i cnd locurile libere s-ar deplasa. Se asociaz acestei deplasri a unei sarcini pozitive noiunea de gol, adic un purttor de sarcin pozitiv care determina o component a curentului electric. De remarcat c golul nu este o particul elementar ci este un concept care simuleaz deplasarea locurilor goale din structura semiconductorului prin ocuparea lor de ctre electroni care se afl deja pe alte nivele energetice.
Ge (Si) O alt explicaie a celor dou componente ale curentului electric
dintr-un semiconductor se poate da folosind teoria benzilor energetice dintr-
un corp solid.
Elemente de electronic analogic
4
conductoare: la temperatura absolut 00 K toate nivelele din BV
sunt ocupate i cele din BC sunt libere; nivelul Fermi separ cele dou benzi; dac T crete, apar electroni de conducie care pot participa la conducie.
semiconductoare (izolatoare): la temperatura absolut 00
Kelvin toate nivelele din BV sunt ocupate i cele din BC sunt libere; poziia nivelului Fermi nu este precizat; electronii nu pot ocupa nivele din BI; la energie termic suficient de mare (foarte mare) este posibil ca unii electroni s treac din BV n BC.
Numrul acestora depinde de W: - la germaniu: W = 0,67 eV - la siliciu: W = 1,1 eV - diamant: W = 6-7 eV
Prin impurificare (procedee tehnologice), proprietile electrice ale semiconductoarelor se modific foarte mult fiind dou posibiliti:
n cazul n care se introduc impuriti ale cror nivele energetice permise n BV sunt foarte aproape de BC (elemente pentavalente, Bi, Sb, As, P) n care
al cincilea electron trece uor n banda de conducie, se obin electroni de conducie chiar la temperaturi sczute dei nu au aprut goluri n banda de valen adic procesul de generare de perechi de purttori nu este semnificativ.
Se spune c impuritile sunt de tip donor i c, la temperatura camerei, sunt ionizate complet. Rezult c, n semiconductor, numrul de purttori mobili electroni este mai mare dect cel de goluri.
a) impurificare cu substane pentavalente (Bi, Sb, As, P) - donoare - al 5-lea electron trece uor n BC apar electroni de conducie - la temp. camerei toate impuritile sunt ionizate - procesul de generare de perechi nesemnificativ (nc) semiconductor extrinsec
- purttorii majoritari electronii semic de tip N - purttorii minoritari golurile n >> p
Elemente de electronic analogic
5
b) impurificare cu substane trivalente (B, Al, In, Ga) - acceptoare - apare uor un gol n BV pot participa la conducie - la temp. camerei toate impuritile sunt ionizate - procesul de generare de perechi nesemnificativ (nc) semiconductor extrinsec
- purttorii majoritari golurile semic. de tip P
- purttorii minoritari electronii n
Elemente de electronic analogic
6
kT
WW
pkT
WW
n
vFFc
epen
00
2
3
2
2
3
2
22
22
h
kTm
h
kTm pp
nn
cu 200 inpn (independent de WF)
Semiconductor intrinsec:
00 pn kT
WW
pkT
WW
n
vFFc
ee
rezult:
3kT ln
2 4
pc v
F
n
mW WW
m
la Ko
0 2
vcF
WWW
;
T crete FW scade np mm
concentraia intrinsec de purttori in :
kT
W
pnkT
WW
pni eepnnFc
002
kTW
ikT
W
i eTconstneTconstn
23
32..
Consecine:
* 313310
/105.2)(/105.1)( cmGencmSin ii
* )()( GenSin ii
* dependena de temperatur
Elemente de electronic analogic
7
Se mai pot scrie i sub forma: kTW
pkT
n epen
00
Semiconductor extrinsec:
de tip N : dNpn 00
- provenii prin generare de perechi - provenii prin ionizarea impuritilor donoare
la temperatur ambiant: dNn0
la temperatur mare: 00 pn
Analog pentru semiconductor extrinsec de tip P
Observaie: poziia nivelului Fermi depinde de concentraiile de impuriti. Dac semiconductorul este dotat neuniform cu impuriti, la echilibru termic poziia nivelului Fermi rmne fix i se modific fundul BC i vrful BV.
Conductibilitatea electric a semiconductoarelor
T mic numr mic de purttori nu este curent electric
T ambiant numrul de purttori mobili de sarcin crete prin ionizarea impuritilor obinui datorit agitaiei termice
Se aplic i cmp electric peste micarea de agitaie termic dezordonat se suprapune o micare dirijat a purttorilor mobili de sarcin creia i corespunde o vitez medie de deplasare. Se constat proporionalitatea cu cmpul electric:
Ev v - viteza medie;
E - cmp electric aplicat;
Elemente de electronic analogic
8
- mobilitate
sV
m2
mrime de material:
SiGe pnpn 2
1;
2
1
depinde de: - temperatur (scade) - defectele structurii cristaline (scade)
- concentraia purttorilor liberi
Din vitezele medii curentul de cmp:
EqpjEqnj pcamppncampn ;
EEpnqEqpEqnj pnpn pn qpqn
semiconductor intrinsec: pnii qn semiconductor de tip N: ndn qNqn
semiconductor de tip P: pap qNqp
impuriti de ambele tipuri se compenseaz
Variaia cu temperatura a conductibilitii electrice:
a1-a2 temp. joas ionizare imp. a2-a3 temp. ambiant toate imp. rezistivitatea scade la temp. sunt ionizate ambiant deoarece mobilitatea a3-c temp. mare crete conc. de scade cu temperatura purttori intrinseci b conc. imp. mai mare
Elemente de electronic analogic
9
Difuzia purttorilor de sarcin
Semiconductor dopat neuniform cu impuriti, fr cmp electric din exterior
a) tendina de uniformizare (ca la gaze) prin proces de difuzie curent de difuzie; b) apare cmp electric sarcini electrice pozitive fixe (stnga) i sarcini electrice negative mobile (dreapta) care are tendina de a aduce napoi electronii spre stnga curent de cmp. c) rezult un proces de uniformizare dinamic d) regim staionar (de echilibru) cnd transportul de purttori prin difuzie = transportul de purttori prin cmp. Curentul de difuzie este proporional cu gradientul concentraiei de purttori:
pqDjnqDj pdifpndifn ;
pn DD , constante de difuzie,
s
cm2
(depind de material)
Ecuaiile de transport
pn
ppdifpcamppp
nndifncampnn
jjj
pqDEqpjjj
nqDEqnjjj
La echilibru termic: 0pn
jj
Legtura dintre constanta de difuzie i mobilitate
Ambele sunt mrimi care caracterizez acelai proces fizic cu caracter statistic al micrii dezordonate a purttorilor de sarcin.
Elemente de electronic analogic
10
energia potenial: xctW p . Dar: qUW p
potenialul intern: q
WU
p deci:
q
xctxU
.
cmpul intern:
q
xUgradE
'
curentul de electroni la echilibru termic:
0 Eqndx
dnqDEqnnqDj nnnnn
din:
kT
x
nen
se deduce: kT
xn n
)(lnln
i apoi:
dx
kT
x
n
dn ' sau: x
kT
n
dx
dn'
curentul de electroni devine:
0'
' q
xqnx
kT
nqD nn
,
de unde, pentru: ,0' x rezult:
kT
Dnn ; la fel:
kT
Dpp
(relaii Einstein)
Ecuaiile de transport se pot scrie sub forma:
Elemente de electronic analogic
11
pEkT
qpqDj
nEkT
qnqDj
pp
nn
echilibrul termic nu depinde de mobilitate sau de constanta de difuzie
Ecuaiile de continuitate
Variaia n timp a concentraiei de purttori: - generare de purttori (termic, iradiere, etc.) Gn, Gp
- recombinare de purttori (gol + electron dispar + foton) Rp, Rn
- deplasare de purttori (div j 0)
q
jdivS
q
jdivRG
t
n
q
jdivS
q
jdivRG
t
p
nn
nnn
p
p
p
pp
ppp RGS viteza efectiv de cretere
Recombinare: - direct - indirect: - centri de recombinare - capcane
- centri de alipire
Fie o generare de purttori care, la un moment dat, se oprete. Exist
01 pp (concentraia la echilibru)
Sp va fi proporional cu concentraia de purttori n exces, 0pp , de forma:
p
p
ppS
0
p este durata efectiv de via a purttorilor n exces
Dac: 0pjdiv , se obine ecuaia diferential:
p
pp
dt
dp
0 cu condiia iniial: 10 pp
Elemente de electronic analogic
12
Soluia este: pt
eppptp
)()( 010
- semnificaia lui p
Recombinarea depinde de concentraiile de purttori:
,pnRp este coeficient de proporionalitate
Generarea se face pe cale termic i viteza de generare depinde doar de temp.:
00npG p
Rezult: 00nppnRGS ppp
Fie: 00 , nnnppp
nppn
pnnppnS p
00
00
Semic. de tip N:
00000 ppnpnSpn p
Dar:
d
p
p
pNn
ppS
11
0
0
Forma general a ecuaiilor de continuitate:
q
jdivnn
t
n
q
jdivpp
t
p
n
n
p
p
0
0
Aplicaie: - regim staionar - semic. de tip N
- model unidimensional
- cmp electric slab
Elemente de electronic analogic
13
dx
dj
q
pp
dx
dpqD
dx
dpqDEqpj
p
p
nn
np
nppnp
10 0
0
01
0
2
2
0
p
nnn
np
p
nn
pp
dx
pd
dx
dpqD
dx
d
q
pp
Se noteaz: ppp DL lungimea de difuzie a golurilor
pLx
nnnon epppxp
0)0()(