Elementy półprzewodnikowe.

Elementy półprzewodnikowe.

Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń ........................................................................................................................................................ 7
Rozdział 1. Wiadomości wstępne .................................................................................................................................................. 11
Rozdział 2. Właściwości elektryczne materiałów półprzewodnikowych .............................. 15
2.1. Wiadomości wstępne ........................................................................................................................................................................ 15
2.2. Nośniki ładunku elektrycznego w materiale półprzewodnikowym.
Półprzewodnik samoistny ............................................................................................................................................................. 16
2.3. Półprzewodniki domieszkowane ............................................................................................................................................ 20
2.4. Model pasmowy półprzewodnika ......................................................................................................................................... 24
2.5. Przepływ prądu elektrycznego w półprzewodniku w warunkach
równowagi termicznej ...................................................................................................................................................................... 27
2.5.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................. 27
2.5.2. Unoszenie nośników w polu elektrycznym .................................................................................................. 28
2.5.3. Czynniki decydujące o ruchliwości nośników i znaczenie
tego parametru ......................................................................................................................................................................... 30
2.5.4. Konduktywność i rezystywność półprzewodnika ................................................................................. 32
2.5.5. Dyfuzja nośników ................................................................................................................................................................. 35
2.6. Przypadek odchylenia od równowagi termicznej ................................................................................................. 36
2.7. Przegląd materiałów półprzewodnikowych stosowanych w elektronice ...................................... 38
2.7.1. Materiały monokrystaliczne ......................................................................................................................................... 38
2.7.2. Półprzewodniki polikrystaliczne i amorficzne.
Półprzewodnikowe materiały organiczne ..................................................................................................... 41
Rozdział 3. Elementarne struktury kontaktowe .................................................................................................... 43
3.1. Wprowadzenie ......................................................................................................................................................................................... 43
3.2. Złącza p-n i m-s ........................................................................................................................................................................................ 43
3.2.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................. 43
3.2.2. Homozłącze p-n ....................................................................................................................................................................... 44
3.2.2.1. Struktura i podstawowe zjawiska ...................................................................................................... 44
3.2.2.2. Charakterystyka i parametry idealnego złącza p-n .......................................................... 49
3.2.3. Heterozłącza p-n ..................................................................................................................................................................... 58
3.2.4. Złącze metal-półprzewodnik ...................................................................................................................................... 60
3.2.5. Modyfikacje i rozszerzenia opisu złącz ........................................................................................................... 62
Spis treści4
3.3. Struktura metal-izolator-półprzewodnik ......................................................................................................................... 66
3.4. Wpływ temperatury na charakterystyki struktur elementarnych .......................................................... 71
Rozdział 4. Struktury tranzystorowe .................................................................................................................................... 75
4.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................................. 75
4.2. Tranzystory polowe z izolowaną bramką (MOSFET) ...................................................................................... 78
4.2.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................... 78
4.2.2. Sposób działania i klasyfikacje tranzystorów MOSFET .............................................................. 79
4.2.3. Charakterystyki i parametry idealnego tranzystora MOSFET z kanałem n ............... 81
4.2.3.1. Wstęp ............................................................................................................................................................................. 81
4.2.3.2. Charakterystyki statyczne ........................................................................................................................ 82
4.2.3.3. Praca tranzystora z sygnałami zmiennymi .............................................................................. 88
4.2.4. Sposób wykorzystania właściwości tranzystora MOSFET ......................................................... 92
4.2.5. Modyfikacje i rozszerzenia opisu struktur tranzystorów MOSFET ................................... 94
4.3. Inne tranzystory polowe – JFET, MESFET i HEMT ......................................................................................... 96
4.4. Tranzystory bipolarne ....................................................................................................................................................................... 100
4.4.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................... 100
4.4.2. Charakterystyki statyczne idealnego tranzystora bipolarnego ................................................. 102
4.4.3. Praca tranzystora bipolarnego z sygnałami zmiennymi .................................................................. 105
4.4.4. Modyfikacje i uściślenia opisu tranzystora ................................................................................................. 108
4.4.5. Heterozłączowe tranzystory bipolarne ............................................................................................................. 109
4.5. Wpływ temperatury na właściwości struktur tranzystorowych ............................................................... 110
Rozdział 5. Konstrukcje i parametry diod i tranzystorów ...................................................................... 113
5.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................................. 113
5.2. Parametry techniczne diod i tranzystorów ................................................................................................................... 114
5.2.1. Zasady opisu parametrów technicznych elementów półprzewodnikowych ............... 114
5.2.2. Temperatury i moce dopuszczalne. Rezystancja termiczna ....................................................... 115
5.3. Diody i tranzystory w układach przetwarzania mocy ....................................................................................... 119
5.3.1. Wstęp .................................................................................................................................................................................................. 119
5.3.2. Diody prostownicze ............................................................................................................................................................. 120
5.3.3. Tranzystory MOSFET do przetwarzania mocy ...................................................................................... 127
5.3.4. Inne tranzystory mocy ....................................................................................................................................................... 131
5.4. Diody i tranzystory mikrofalowe ........................................................................................................................................... 135
5.4.1. Wstęp .................................................................................................................................................................................................. 135
5.4.2. Diody mikrofalowe .............................................................................................................................................................. 136
5.4.3. Tranzystory mikrofalowe ............................................................................................................................................... 139
5.5. Inne typy diod i tranzystorów ................................................................................................................................................... 144
5.6. Tranzystory w układach scalonych ..................................................................................................................................... 149
Spis treści 5
Rozdział 6. Elementy optoelektroniczne ........................................................................................................................... 155
6.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................................. 155
6.2. Elementy przetwarzające promieniowanie optyczne w sygnały elektryczne ........................... 157
6.2.1. Wstęp .................................................................................................................................................................................................. 157
6.2.2. Fotodioda jako detektor promieniowania ...................................................................................................... 158
6.2.3. Inne detektory promieniowania ............................................................................................................................... 163
6.2.4. Detektory obrazów ............................................................................................................................................................... 165
6.2.5. Fotoogniwa – baterie słoneczne .............................................................................................................................. 168
6.3. Źródła promieniowania optycznego ................................................................................................................................... 172
6.3.1. Informacje podstawowe ................................................................................................................................................... 172
6.3.2. Diody elektroluminescencyjne LED ................................................................................................................... 174
6.3.3. Lasery półprzewodnikowe ............................................................................................................................................ 177
Rozdział 7. Inne elementy półprzewodnikowe .......................................................................................................... 183
7.1. Wstęp ................................................................................................................................................................................................................. 183
7.2. Tyrystory ........................................................................................................................................................................................................ 184
7.2.1. Wstęp .................................................................................................................................................................................................. 184
7.2.2. Półprzewodnikowe prostowniki sterowane – SCR .............................................................................. 184
7.2.3. Inne elementy z rodziny tyrystorów .................................................................................................................... 188
7.3. Elementy czujnikowe ........................................................................................................................................................................ 191
7.3.1. Wstęp .................................................................................................................................................................................................. 191
7.3.2. Czujniki termiczne ................................................................................................................................................................ 193
7.3.3. Inne typy czujników ............................................................................................................................................................ 196
7.4. Mikrosystemy MEMS ....................................................................................................................................................................... 197
7.4.1. Informacje ogólne ................................................................................................................................................................. 197
7.4.2. Wybrane zjawiska i struktury elementarne .................................................................................................. 199
7.4.3. Mikrosystemy inercyjne ................................................................................................................................................... 202
7.4.4. Struktury MEMS w układach wielkiej częstotliwości ...................................................................... 204
7.5. Kierunki rozwoju elektroniki półprzewodnikowej .............................................................................................. 207
Załącznik 1. Elementy elektroniczne i ich modele ....................................................................................................... 211
Załącznik 2. Procesy technologiczne w elektronice półprzewodnikowej ............................................ 221
Z.2.1. Wstęp ....................................................................................................................................................................................................... 221
Z.2.2. Wytwarzanie płytek podłożowych ............................................................................................................................. 222
Z.2.3. Wytwarzanie struktur półprzewodnikowych ................................................................................................. 223
Z.2.3.1. Wstęp ............................................................................................................................................................................................. 223
Z.2.3.2. Utlenianie powierzchni krzemu ......................................................................................................................... 224
Z.2.3.3. Osadzanie chemiczne .................................................................................................................................................... 225
Spis treści6
Z.2.3.4. Osadzanie fizyczne (physical vapor deposition - PVD)
naparowywanie i rozpylanie ................................................................................................................................... 226
Z.2.3.5. Procesy litografii ................................................................................................................................................................ 226
Z.2.3.6. Procesy trawienia ............................................................................................................................................................... 229
Z.2.3.7. Osadzanie epitaksjalne ................................................................................................................................................. 230
Z.2.3.8. Implantacja jonów ............................................................................................................................................................. 231
Z.2.3.9. Dyfuzja domieszek ........................................................................................................................................................... 2