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