Podstawowe przyrządy półprzewodnikowe


autor: Jan Koprowski
Wydawnictwo AGH, Kraków 2009 (wyd.2, poprawione, uzupełnione)
format: B5
stron: 320
oprawa: miękka
ISSN: 0[zasłonięte]239-61


Z podstawowych przyrządów półprzewodnikowych: diod, tranzystorów bipolarnych i polowych składają się najbardziej rozbudowane układy mikroelektroniczne: mikroprocesory i pamięci półprzewodnikowe, a postęp w mikroelektronice wyznaczają materiały półprzewodnikowe i coraz mniejsze, submikrometryczne rozmiary elementarnych struktur złączowych.

Zrozumienie nowych zjawisk fizycznych i kierunków rozwoju technologii półprzewodnikowych jest niemożliwe bez podstawowego kursu z przyrządów półprzewodnikowych. W programie studiów na wydziałach elektrycznych i elektronicznych w natłoku nowych dziedzin z informatyki i telekomunikacji coraz mniej czasu poświęca się fizyce ciała stałego, technologii i podstawom działania przyrządów półprzewodnikowych. Niniejsze opracowanie jest próbą określenia minimum wiedzy z tej dziedziny dla współczesnego inżyniera elektronika.

Zwarty kurs tego opracowania programowo przedstawia podstawowe pojęcia z fizyki półprzewodników, zjawiska kontaktowe pomiędzy przewodnikami i półprzewodnikami, pomiędzy różnymi półprzewodnikami (złącze p-n) oraz wyjaśnia działanie podstawowych przyrządów półprzewodnikowych jako elementów układów elektronicznych. W rozdziałach poświęconym diodom, tranzystorom bipolarnym, tranzystorom polowym i tyrystorom przedstawione są zależności i charakterystyki napięciowo-prądowe oraz parametry stałoprądowe i małosygnałowe, które tworzą modele fizyczne i zastępcze schematy elektryczne poszczególnych przyrządów.

W skrypcie umieszczono także podstawowe wiadomości o działaniu przyrządów optoelektronicznych, CCD i termoelektrycznych, które stają się powszechne w wielu urządzeniach profesjonalnych, a nie zawsze trafiają do programów studiów na kierunkach elektronicznych.
[fragment Wstępu]

SPIS TREŚCI:

Wstęp 7

1. WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW 9
1.1. Struktura i właściwości elementarnych półprzewodników 9
1.2. Półprzewodniki domieszkowane 19
1.3. Termodynamika systemów elektronów i dziur w półprzewodnikach 23
1.4. Półprzewodnik w stanie nierównowagi termodynamicznej 25
1.5. Przewodnictwo półprzewodników 30
1.6. Mechanizmy transportu nośników 34
1.7. Wbudowane pole elektryczne 37
1.8. Podstawowe równania półprzewodników 38
1.9. Szumy w półprzewodnikach 42
Literatura 45

2. ZJAWISKA KONTAKTOWE 47
2.1. Prąd termoemisyjny 47
2.2. Kontakt metal-półprzewodnik (m-s) 48
2.3. Złącze p+ -n 54
2.4. Heterozłącza 63
2.5. Kondensator MOS 65
Literatura 75

3. DIODY 77
3.1. Model diody złączowej p+ -n 77
3.2. Równanie rzeczywistej diody złączowej p+ -n 79
3.3. Parametry diody prostowniczej 82
3.4. Pojemności złącza p+ -n - diody pojemnościowe 83
3.5. Modele małosygnałowe diody 89
3.6. Efekty dynamiczne przełączania diody p+ -n 93
3.7. Diody stabilizacyjne 98
3.8. Diody tunelowe 101
3.9. Parametry termiczne diody 104
3.10. Szumy w diodach 108
3.11. Modele komputerowe diody 109
3.12. Diody Schottky'ego 114
Literatura 119

4. TRANZYSTORY BIPOLARNE 121
4.1. Budowa i działanie tranzystorów bipolarnych 121
4.1.1. Struktury złączowe i prądy w tranzystorach 121
4.1.2. Konfiguracje i stany pracy tranzystora 125
4.2. Charakterystyki napięciowo-prądowe 127
4.2.1. Model Ebersa-Molla 127
4.2.2. Charakterystyki tranzystora w konfiguracji OE 131
4.2.3. Model transportowy tranzystora 133
4.3. Parametry i modele małosygnałowe tranzystorów bipolarnych 135
4.3.1. Definicje podstawowe 135
4.3.2. Określenie punktu pracy tranzystora 135
4.3.3. Tranzystor jako czwórnik aktywny 136
4.3.4. Model typu hybryd-π dla konfiguracji OE 140
4.3.5. Model typu hybryd-π dla konfiguracji OB 143
4.3.6. Hybrydowe parametry typu h tranzystora 145
4.3.7. Częstotliwości graniczne tranzystora 147
4.3.8. Użytkowe parametry małosygnałowe tranzystora w układzie elektronicznym 151
4.4. Przełączanie tranzystora 152
4.4.1. Warunki pracy tranzystora jako przełącznika 152
4.4.2. Równanie kontrolne ładunku bazy 156
4.4.3. Tranzystor zintegrowany z diodą Schottky'ego 158
4.5. Narażenia napięciowe tranzystorów 159
4.6. Szumy tranzystorów bipolarnych 161
4.7. Fizyczne i komputerowe modele tranzystorów bipolarnych 164
4.7.1. Założenia wstępne do modelu Gummela-Poona 164
4.7.2. Prąd transportowy tranzystora 166
4.7.3. Model Gummela-Poona w SPICE (model SGP) 172
4.7.4. Efekty cieplne i model termiczny tranzystora bipolarnego 180
4.8. Bipolarne tranzystory mocy 186
Literatura 188

5. TRANZYSTORY POLOWE 190
5.1. Zasada działania i podział tranzystorów polowych 190
5.2. Złączowy tranzystor polowy JFET i jego modele 193
5.2.1. Warunki pracy tranzystora n-JFET jako wzmacniacza 198
5.2.2. Parametry małosygnałowe tranzystora JFET 201
5.2.3. Ograniczenia częstotliwościowe i częstotliwość odcięcia 203
5.3. Szumy w tranzystorach JFET 204
5.4. Model komputerowy tranzystora JFET w SPICE/PSpice 205
5.5. Tranzystor polowy z izolowaną bramką (MOSFET) i jego modele 208
5.5.1. Wielkosygnałowy model zastępczy tranzystora MOSFET 211
5.5.2. Małosygnałowy model tranzystora MOSFET 212
5.6. Małosygnałowy admitancyjny schemat zastępczy tranzystorów polowych 217
5.7. Szumy w tranzystorach MOSFET 218
5.8. Modele komputerowe tranzystorów MOSFET 219
5.9. Tranzystory polowe MOSFET dużej mocy 224
5.10. Porównanie tranzystorów polowych MOSFET z tranzystorami bipolarnymi 230
Literatura 232

6. PRZYRZĄDY OPTOELEKTRONICZNE 233
6.1. Absorpcja światła w półprzewodnikach - fotodetektory 233
6.1.1. Fotorezystory 239
6.1.2. Fotodiody 241
6.1.3. Fototranzystory 245
6.2. Przyrządy fotowoltaiczne 246
6.3. Diody elektroluminescencyjne 251
6.4. Diody laserowe 257
6.5. Parametry energetyczne i świetlne 263
Literatura 267

7. TYRYSTORY I TRIAKI 268
7.1. Budowa i działanie tyrystora 268
7.2. Triaki 276
7.3. Struktury tyrystorowe V-MOS i D-MOS 277
Literatura 281

8. PÓŁPRZEWODNIKOWE PRZYRZĄDY ŁADUNKOWE 282
8.1. Kondensatory MOS w strukturze CCD 282
8.2. Efekty dynamiczne i transfer ładunku w CCD 284
8.3. Sensory optyczne CCD 288
Literatura 291

9. PRZYRZĄDY TERMOELEKTRYCZNE 292
9.1. Termoprądy w półprzewodnikach 292
9.1.1. Zjawisko Seebecka 294
9.1.2. Zjawisko Peltiera 297
9.1.3. Parametry termoelektryczne materiałów 299
9.1.4. Efekt Thomsona 302
9.2. Półprzewodnikowe przyrządy termoelektryczne 304
9.2.1. Generator termoelektryczny 306
9.2.2. Chłodziarki termoelektryczne 310
Literatura 313

10. SYMBOLE, INDEKSY I OZNACZENIA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 314