Građevinski fakultet Univerziteta u Beogradu

Predmet Elektronika u geodeziji

Nastavnik dr Ljiljana Brajović

Predavanje 3 Poluprovodnici 1

OSNOVNI POJMOVI O POLUPROVODNICIMA

Podela čvrstih tela prema vrednostima specifične električne otpornosti je na:

1. provodnike (10-5-10-6 cm),

2.poluprovodnike (102 -105 cm) i

3. izolatore (1012-1015 cm).

Savremeni poluprovodnički elementi izrađuju se od niza poluprovodnika, a

najčešće od germanijuma (Ge) ili silicijuma (Si). Germanijum u Periodnom

sistemu ima redni broj 32, a silicijum 14, što znači da je ukupan broj elektrona u

svim njihovim orbitama 32, odnosno14.

Oba elementa imaju u zadnjoj nepopunjenoj orbiti po četiri elektrona.

Prema kvantnoj teoriji atom se sastoji od pozitivno naelektrisanog jezgra i

elektrona koji kruže oko njega po strogo određenim orbitama označenim od 1

do n. Svaka orbita ima maksimalni broj 2n2elektrona. Neke orbite , najčešće

periferne imaju nepopunjen broj elektrona.

Kod čvrstih tela sa izraženom kristalastom strukturom postoji pravilan raspored

atoma u vidu rešetke.

Kod materijala sa kristalastom strukturom, a naročito kod poluprovodnika, važnu

ulogu ima periferna nepopunjena orbita, koju može napustiti jedan ili više

elektrona i preći na periferne orbite susednih atoma. Takođe, napušteno mesto

u orbiti mogu zaposednuti elektroni iz susednih atoma.

Na taj način se uspostavljaju zajedničke orbitalne putanje između atoma. Takvi

elektroni, koji se kreću po zajedničkim orbitalnim putanjama nazivaju se

valentnim elektronima , a veze izmedju atoma koje se ostvaruju preko njih

kovalentne veze.

Oba elementa imaju u zadnjoj nepopunjenoj

orbiti po četiri elektrona.

-u prostornoj kristalastoj rešetki svakog atoma

angažovana su samo četiri valentna elektrona

-svaki atom ostvaruje kovalentne veze sa četiri

susedna atoma koji ga u prostoru okružuju.

Predstavljanje kovalentnih veza atoma u kristalu Ge I Si u ravni

Sl.11.3 Kovalentne veze

Energetski nivoi i zone u okviru atoma I kristala

Najvažnije zone za primenu su valentna, zabranjena i provodna zona

Čisti poluprovodnici se ređe koriste u izradi poluprovodničkih komponenti već im se

dodaju primese drugih elemenata i na taj način im se menjaju električne osobine tj.

mehanizam provođenja struje.

POLUPROVODNICI N i P TIPA

Poluprovodnicima se dodaju primese u veoma malim koncentracijama, npr. u

odnosu 1:108 , Praktično svaki atom primese je okružen atomima čistog poluprovodnika.

N-tip

- poluprovodniku germanijumu ili silicijumu dodaju primese pete grupe

Periodnog sistema (arsen As, antimon Sb ili fosfor P),

-Pri formiranju potpunih kovalentnih veza sa četvorovalentnim atomima

germanijuma pretiče jedan elektron iz atoma

pete grupe koji već i pri normalnoj temperaturi

može da pređe u provodnu zonu .

-Takav poluprovodnik obogaćen slobodnim

elektronima naziva se poluprovodnikom N tipa

- atom pete grupe , koji je otpustio jedan

elektron, gubi svoju kvazineutralnost i ostaje sa

viškom pozitivnog naelektrisanja, postaje

pozitivan jon, a s obzirom da je odao jedan

elektron naziva se donorom.

donorski atom je nepokretan i čvrsto vezan

za rešetku

Energetski nivoi elektrona koji potiču od

donorskih atoma nalaze se malo ispod nivoa

provodne zone

-svaki elektron dobijen od donorskog atoma

može lakše da se prebaci u provodnu zonu,

povećavajući tako broj slobodnih elektrona.

.

P-tip

poluprovodnicima germanijumu ili silicijumu

dodaju se u veoma malim koncentracijama

primese elemenata treće grupe (indijum In,

aluminijum Al ili galijum Ga i sl.) sa 3 elektrona

u poslednjoj orbiti

Za ostvarivanje potpunih kovalentnih veza sa

susednim četvorovalentnim atomima

geramanijuma nedostaje jedan elektron, koji se

uzima od nekog od susednih atoma

germanijuma.

susedni atom geramnijuma A, koji tada gubi svoju kvazineutralnost (nedostaje mu

jedan valentni electron), naziva se šupljinom

nastala šupljina popunjava elektronom

pruzetim od sledećeg susednog atoma

germanijuma

Poluprovodnik kod koga se kreću pozitivna

naelektrisanja-šupljine naziva se

poluprovodnikom P tipa

Atom treće grupe koji je primio jedan

elektron i postao negativan jon naziva se

akceptorom.

Sumiranje

kod poluprovodnika N i P tipa postoje

naelektrisanja:

a) glavni lakopokretljivi nosioci naelektrisanja: elektroni kod poluprovodnika N

tipa i šupljine kod poluprovodnika P tipa.

b) teško pokretljiva naelektrisanja predstavljaju atomi donora kod

poluprovodnika N tipa i atomi akceptora kod poluprovodnika P tipa.

c) sporedni nosioci naelektrisanja predstavljaju malobrojne šupljine zatečene u

poluprovodniku N tipa i malobrojni elektroni zatečeni u poluprovodniku P tipa.

Glavni nosioci naelektrisanja kreću se kroz poluprovodnik putem difuzije i

primenom električnog polja.

U poluprovodniku N tipa kreću se

elektroni od negativnog ka

pozitivnom polu izvora napona.

Kod poluprovodnika P tipa, kreću

se šupljine od plus ka minus polu

izvora napona.

Tehnički smer struje u spoljašnjem delu kola poklapa se sa smerom kretanja šupljina,

dok je suprotan smeru kretanja elektrona.

POLUPROVODNIČKA DIODA

Poluprovodnička dioda je spoj od dva poluprovodnika različitog tipa.

Naziva se i PN spoj.

Usled prirodne difuzije na dodiru dva poluprovodnika, javlja se spontani prelaz

glavnih lakopokretljivih naelektrisanja iz jednog u drugi poluprovodnik.

šupljine prelaze iz poluprovodnika P u N tip

i elektroni iz poluprovodnika N u P tip.

Prebegle šupljine u N poluprovodniku

nailaze na veliku koncentraciju slobodnih

elektrona, što rezultira u uzajamnoj

rekombinaciji i stvaranju neutralnih atoma.

Prebeglim elektroni u P poluprovodniku, koji se rekombinuju sa šupljinama

stvaraju neutralne atome.

U graničnom sloju, (do debljine od oko 10-4 cm), nema više lakopokretljivih

glavnih nosilaca naelektrisanja-šupljina i

elektrona i taj sloj naziva ispražnjenim slojem.

U graničnom sloju ostaju samo teško

pokretljivi nosioci naelektrisanja i to u

poluprovodniku P tipa akceptorski atomi,

gustine Na, a u poluprovodniku N tipa donorski

atomi gustine Nd

Nagomilavanje nepokretnih jona, odnosno pozitivnih i negativnih naelektrisanja

sa obe strane graničnog sloja, dovodi do formiranja električnog polja i električnih

potencijala n i p, odnosno kontaktnog

napona Uo=n-p, koji iznosi nekoliko desetih

delova volta.

Kontaktni napon formira tzv. potencijalnu barijeru, koja zbog svoje polarnosti

sprečava dalju difuziju glavnih nosilaca naelektrisanja.

Vektor ukupnog električnog polja xE

, koji se

javlja zbog nepomičnih jona u graničnom sloju,

orijentisan je od pozitivnog ka negativnom

naelektrisanju.

DIREKTNA I INVERZNA POLARIZACIJA DIODE KARAKTERISTIKE DIODE

Slučaj direktne polarizacije

Ako se poluprovodnička dioda veže za spoljašnji izvor

električnog napona U, tako da je pozitivan pol izvora

vezan za poluprovodnik P tipa, a negativan za

poluprovodnik N tipa, tada dioda radi u uslovima

direktne polarizacije,

Formirano spoljašnje električno polje ( E

)suprotno je

orijentisano od smera vektora električnog polja ( xE

),

koje potiče od nagomilanih naelektrisanja u

ispražnjenom sloju.

Potiskuju se šupljin u poluprovodniku P tipa i elektroni u

poluprovodniku N tipa prema dodirnom graničnom spoju dva poluprovodnika.

Sužava se zaprečni sloj (di) i smanjuje vrednost potencijalne barijere.

Uspostavlja se struja kroz PN spoj koja teče od P ka N kroz diodu . Ova struja koja

se naziva direktna struja PN spoja, Id , dobija se sabiranje struje šuplina i struje

elektrona.

I=Id

Slučaj inverzne polarizacije

U slučaju inverzne polarizacije, kada je pozitivan

pol izvora primenjenog napona vezan za

poluprovodnik N tipa, a negativan za poluprovodnik P

tipa, poluprovodnička dioda postaje neprovodna, tj.

njena električna otpornost postaje veoma velika.

Nastaje povlačenje elektrona u poluprovodniku N tipa

prema pozitivnom polu spoljašnjeg izvora i šupljin

Širi se ispražnjen sloj (di) i povećava potencijalna

barijera.

Dolazi do prekida toka direktne struje kroz diodu u

propusnom smeru od poluprovodnika P tipa ka N tipu.

Velika potencijalna barijera koja nastaje u graničnom

sloju ne predstavlja prepreku za sporedne nisioce naelektrisanja prisutne u

poluprovodnicima u malim koncentracijama. Ovi sporedni nosioci naelektrisanja,

u uslovima inverzno polarisane diode, formiraju inverznu struju Ii koja teče od

poluprovodnika N tipa ka P tipu. Ta struja je mala zbog male koncentracije

sporednih nosilaca.

I=Ii

KARAKTERISTIKE DIODE

Ukupna struja kroz diodu u smeru od P ka N u opštem slučaju je

𝑰 = 𝑰𝒅 − 𝑰𝒊

Kod direktne polarizacije

𝑰𝒅 >> 𝑰𝒊 → 𝑰 = 𝑰𝒅

Kod inverzne polarizacije

𝑰𝒅 << 𝑰𝒊 → 𝑰 = −𝑰𝒊

Pošto je vrednost direktne struje kada teče mnogo veća od vrednosti inverzne

dioda predstavlja usmerački element .

Predstavlja se simbolom

Praktično kada je direktno polarisana ona vodi struju i tada se ponaša kao

otpornik veoma male otpornoti . Kada je inverzno polarisana kroz nju praktično

ne teče struja i tada se ponaša kao otpornik veoma velike otpornosti .

I-U karakteristika diode

Poluprovodnička dioda nema osobine linearnog elementa, jer se povećanjem

napona direktne polarizacije vrednost struje ne povećava linearno u funkciji

napona. Struja kroz diodu je jednaka

𝐼 = 𝐼0(𝑒𝑒𝑈𝑘𝑇 − 1)

I

P N I

od P ka N

Up je napon proboja U0 je napon praga

Poluprovodnička dioda ima nelineranu karakteristiku, koja se u zavisnosti od

primene aproksimira kao :

𝐼 = 𝑎0 + 𝑎1𝑈 + 𝑎1𝑈2

a) b)

U0

I

U

I

U

+ U

I

PRIMENA POLUPROVODNIČKE DIODE

Jednofazni ispravljač

Namena : da pretvori naizmaničnu struju u jednosmernu

Princip rada

Primarni namotaj transformatora je priključen je na

naizmenični napon tUu cos o11 .

Sekundarni namotaj generiše potreban, viši ili niži,

naizmenični napon tUu cos o22 , koji je potrebno

ispraviti.

Dioda D vezana je sa kondenzatorom C

i potrošačem električne otpornosti RL

na čijim krajevima treba da bude

ispravljen napon

faza punjenja kondenzatora faza pražnjenja kondenzatora kroz

potrošač

C U2 UR=UC RL C

U2 UR=UC RL

U toku pozitivnih poluperioda napona, kada je tačka A na pozitivnom potencijalu

u odnosu na tačku B, dioda postaje provodna, struja diode puni kondenzator C i

teče kroz potrošač RL.

Kada trenutna vrednost naizmeničnog napona u2 opadne ispod vrednosti Umax

dioda više nije direktno već inverzno polarisana i praktično ne provodi struju.

Tada počinje faza pražnjenja kondenzatora preko potrošača, pa napon postepeno

opada sve do vrednosti Umin

Potom od tačke 3 do tačke 4 počinje ponovno dopunjavanje kondenzatora, kada

napon na potrošaču ponovo raste do vrednosti Umax .I

Izlazna struja je jednosmerna ali nije konstantna već varira u nekom opsegu

Srednja vrednost jednosmernog ispravljenog napona je U . Dvostruka amplituda

pulsacije ispravljenog napona oko ove vrednosti iznosi 2U i zavisi od električne

otpornosti potrošača, (na slici L1L2L3 RRR , 𝑅𝐿3 → ∞)

Vrednost izlaznog napona je u opsegu amplituda pulsacije 2U i zavisi uglavnom

od veličine otpornosti potrošača RL .

Mana ovog ispravljača je da se koristi samo deo od prve poluperiode ulaznog npona

pri punjenju kondenzatora .

Dvofazni ispravljač

Kod dvofaznog ispravljača se koriste obe poluperiode ulaznog napona pri radu

ispravljača

Ima dve diode i jedna vodi struju u toku prve poluperide ulaznog napona, a , a druga

tokom druge poluperiode.

Dve varijante

Izlazni napon

ZENEROVA DIODA

Na karakteristici poluprovodničke diode se opaža

da pri većim inverznim naponima, posle određene

vrednosti napona -Up, vrednost inverzne struje

diode naglo raste a napon se asimtotski približava

naponu proboja –Up i ne može imati veću negativnu

vrednost.

Ova oblast rada diode se

koristi kod Zener dioda

Izradjuju se sa raznim

vrednostima Up

Kolo sa Zener diodom koje ograničava napon na izlazu

Zener dioda se koristi u inverznoj polarizaciji.

Kada je ulazni napon U1 manji od napona proboja

Up kroz diodu teče mala inverzna struja , i struja

kroz potrošač teče ka izlazu i napon na izlazu prati

promene napona na ulazu.

Ako se poveća napon na ulazu i dostigne vrednost U1= -Up ili veću povećava

se naglo inverzna struja kroz diodu , a napon na izlazu U2 ne prelazi napon praga

već ima maksimalnu vrednost U1= Up.

Ulazni napon U1 Izlazni napon U2

Up

U1

1

U2

1

Da bi se ograničili i negativan i pozitivan ulazni napon koriste se dve yener diode

suprotno polarisane

Ulazni napon U1 Izlazni napon U2

Up

U1

1

U2

1

-UP