1. Wymień trendy rozwojowe współczesnej elektroniki.Miniaturyzacja zwiększenie skali integracji us zmniejszenie kosztów wytwarzania wzrost częstotliwości wzrost niezawodności zmniejszenie szumów (słabe sygnały) zmniejszenie wydzielanej mocy w us zmniejszenie iloczynu Pmax * f zwiększenie pojemności tanich pamięci elektronicznych wzrost efektywności źródeł zasilania (baterie i ogniwa słoneczne) wzrost temperatury pracy us dalsza globalizacja produkcji masowej wprowadzenie na szeroką skalę technik cyfrowych elektronizacja istniejących produktów powstawanie nowych produktów (w kierunku elektroniki osobistej) 2 Sygnał i pojęcia Sygnał (łac.), umowny znak (np. rysunek, litery, cyfra) lub przebieg dowolnej wielkości fizycznej, będący nośnikiem informacji (ostrzeżenia) bądź bodźca wywołującego reakcję, umożliwiający przesyłanie informacji na odległość bądź jej rejestrację. W elektronice sygnały występują jako: • elektryczne (np. przebieg natężenia prądu lub napięcia elektrycznego), • optyczne, • akustyczne. Odbiornikiem tych sygnałów są odpowiednio: układy elektroniczne, optoelektroniczne bądź mechaniczne Sygnały analogowe stanowią funkcje (zdeterminowane lub zmienne losowo) wyrażające w sposób ciągły przebieg określonej wielkości w czasie. Zbiór wartości sygnału analogowego jest nieprzeliczalny Funkcje zdeterminowane określają jednoznacznie wartość danej wielkości w każdym momencie obserwacji. Typowym przedstawicielem funkcji zmiennych losowo są w elektronice szumy - sygnały zakłócające pochodzące ze źródeł zewnętrznych ( wyładowania atmosferyczne) bądź mogą to być tzw. szumy wewnętrzne wynikające z natury elementów elektronicznych. 3. Scharakteryzuj sygnał analogowy i sygnał cyfrowy. Określ istotne różnice między tymi sygnałami Sygnał analogowy - sygnał, który może przyjmować dowolną wartość z ciągłego przedziału (nieskończonego lub ograniczonego zakresem zmienności). Jego wartości mogą zostać określone w każdej chwili czasu dzięki funkcji matematycznej opisującej dany sygnał. W przypadku sygnału cyfrowego zmiana wartości sygnału odbywa się skokowo w określonych momentach czasowych. Zmiana następuje od wysokiego poziomu napięcia oznaczonego jako VH do poziomu niskiego VL i odwrotnie. 4. Stosując jako kryterium klasyfikacji przebieg wielkości w funkcji czasu, dokonaj podziału sygnałów zdeterminowanych ( przedstaw graficznie przykłady tych sygnałów). Sygnały zdeterminowane – są to sygnały, które mogą być opisane za pomocą ścisłych zależności matematycznych, czyli dowolnych rzeczywistych lub zespolonych funkcji czasu. 5. Wyjaśnij, dlaczego sygnały sinusoidalne znajdują powszechne zastosowanie we współczesnej energoelektryce i elektronice. - funkcja sinusoidalna jest najprostsza funkcja matematyczną okresowo zmienną - napiecie sinusoidalne przy przekształceniu na inne napiecie dalej pozostaje sinusoidalne - łatwośc transformowanie z niskiego na wysokie napięcie i odwrotnie w transformatorach charakteryzujących się prosta budową i dużą sprawnością. - sygnał okresowo zmienny można zamienić na szereg przebiegów sinusoidalnych 6. Zdefiniuj pojęcie wartości średniej sygnału zmiennego w czasie (i(t); u(t)). Określ w jakim przypadku wartość chwilową sygnału zastępuje się równoważną wartością średnią prądu ( Iśr ) bądź napięcia ( Uśr ). Wartości chwilowe można zastąpić równoważnymi wartościami prądu stałego jeśli obliczenia dotyczą: - Ładunku elektrycznego związanego z przepływem prądu sinusoidalnego to posługujemy się wartością średnią definiowaną dla połowy okresu - Rozważań energetycznych to prąd sinusoidalny zastępuję się równoważonym pradem stałym i nazywanym wartościa skuteczną I danego prądu sinusoidalnego Wartość średnia sygnału x oznaczana jest symbolem i dla odpowiedniej klasy sygnału wyraża się następującymi zależnościami: Wartość średnia sygnału x jest granicą dla sygnałów o nieskończonym czasie trwania (2s) Wartość średnia dla sygnałów okresowych wyraża się zależnością 3s x 1 T lim t0 T 1 2 x(t ) dt 2s x x (t )dt t0 3s t0 dowolny punkt na osi czasu. Wartość średnia dla sygnałów impulsowych wyraża się zależnością 4s x 1 t2 t1 t2 x (t )dt t1 4s 7. Zdefiniuj pojęcie wartości skutecznej sygnału zmiennego w czasie (i(t); u(t)). Określ w jakim przypadku wartość chwilową sygnału zastępuje się równoważną wartością skuteczną prądu ( I ) bądź napięcia ( U ). Wartość skuteczna sygnału przemiennego jest równa wartości sygnału stałego, który powoduje takie same skutki energetyczne jak sygnał przemienny 8. Scharakteryzuj sygnał w postaci impulsu prostokątnego. Opisz jego podstawowe parametry. Sygnał prostokątny jest sygnałem cyfrowym. Parametry opisujące: tr – czas narastania tf – czas opadania tp – czas propagacji T – okres powtarzania kw – współczynnik wypełnienia 9. Kiedy stosuje się względną miarę logarytmiczną (tzw. skalę decybelową [ dB ]). Jeżeli liniowy stosunek napięć U2/U1 = 1/√ 2 to odpowiada to w skali decybelowej …. [dB]. Miarę logarytmiczna można stosować przy porównaniu amplitudy dwóch sygnałów analogowych. Jeżeli liniowy stosunek napięć U2/U1 = 1/√ 2 to odpowiada to w skali decybelowej -3 [dB]. 10. W jakich sytuacjach wykorzystuje się widmo sygnału? Widmo sygnału jest to reprezentacja sygnału w dziedzinie częstotliwości. Stosuje się wówczas gdy podczas transmisji sygnału może ulegać on deformacjom powodującym nadmierne zniekształcenie informacji. Widmo sygnału analogowego wykorzystywane jest w procesie próbkowania, co pozwala na zachowanie oryginalnej informacji zawartej w pierwotnym sygnale 11. Na czym polega modulacja AM (przedstaw graficznie zasadę modulacji tego rodzaju). Modulacja AM polega na przekształceniu sygnału modulowanego o stałej częstotliwości, niosącego informacje, w taki sposób by amplituda otrzymanego sygnału zmodulowanego była proporcjonalna do wartości sygnału modulującego. A – sygnał (zakodowana informacja) B – Fala nośna C – nałożenie sygnału na fale nośną 12. Przedstaw (graficznie) widmo sygnału zmodulowanego amplitudowo powstałego z dwóch przebiegów harmonicznych. Rysunek powyzej pokazuje widmo sygnału zmodulowanego amplitudowo (kolor czerwony) i sygnału modulującego (kolor zielony) - sygnał zmodulowany składa się z trzech elementów: fali nośnej (fn) i leżących po obu jej stronach, symetrycznie odbitych, dwóch wstęg bocznych, które są powtórzeniem kształtu widma sygnału modulującego. 13. Co to jest: bit, bajt, słowo? Przedstaw strukturę słowa 16 bitowego. Bit (z ang. binary digit) – najmniejsza ilość informacji potrzebna do określenia, który z dwóch równie prawdopodobnych stanów przyjął układ. Bit przyjmuje jedną z dwóch wartości, które zwykle określa się jako 0 (zero) i 1 (jeden), choć można przyjąć dowolną inną parę wartości, np. prawda i fałsz, tak lub nie czy -1 i +1. Bajt (ang. byte) - najmniejsza adresowalna jednostka informacji pamięci komputerowej, składająca się z bitów (ang. również bit od binary digit).W praktyce przyjmuje się, że jeden bajt to 8 bitów, choć to nie wynika z powyższej definicji. Aby uniknąć niejednoznaczności, jednostka składająca się z ośmiu bitów zwana jest również oktetem. Bywa też że "bajt" definiuje się jako 8 bitów, najmniejszą adresowalną jednostkę pamięci nazywając znakiem. Słowo maszynowe lub po prostu słowo to podstawowa porcja informacji, na której operuje system komputerowy. Jest to przeważnie wielokrotność bitu, jako że obecne komputery posługują się arytmetyką dwójkową. Wielkość słowa określa rozmiar szyny danych oraz rejestrów procesora. W komputerach PC dla procesora słowem jest 2-bajtowy (16-bitowy) element danych. Procesor obsługuje także słowo podwójne (dwusłowo): 4-bajtowy (32-bitowy) element danych, jak również słowo poczwórne czyli 8-bajtowy (64-bitowy) element danych. Przykładowe 2-bajtowe słowo w zapisie dwójkowym wygląda następująco: 0011010111110010 i w takiej postaci jest przechowywane w pamięci 14. Przedstaw sposób przeliczania z systemu dziesiętnego na system binarny np. 125(10); 15. Przedstaw sposób przeliczania z systemu binarnego na system dziesiętny np. 16. Scharakteryzuj elektroniczne elementy bierne i czynne. Podaj przykłady elementów zaliczanych do poszczególnych grup. Elementy elektroniczne służą do budowy układów i urządzeń elektronicznych. Wyróżniamy elementy: bierne (pasywne), czyli takie, które mają zdolność przenoszenia lub kształtowania przebiegu elektronicznego bez podnoszenia poziomu mocy sygnałów. Schemat zastępczy elementu biernego nie zawiera źródła energii elektrycznej. Do takich elementów zaliczamy kondensatory, rezystory i elementy indukcyjne. Czynne (aktywne), są źródłem energii elektrycznej lub podwyższają poziom mocy doprowadzanego sygnału elektrycznego. Do tego typu elementów zalicza się półprzewodniki, wzmacniacze źródła. Właściwości elementów elektronicznych można scharakteryzować za pomocą: Umownych symboli graficznych Opisu wzorem/ równaniami zależności I=f(U) (charakterystyki prądowo – napięciowe) Parametrów (elektrycznych, granicznych, eksploatacyjnych, mechanicznych, klimatycznych) Modeli elektrycznych zwanych schematami zastępczymi (elementy idealne połączone w idealną strukturę modelującą zachodzące w elemencie zjawiska fizyczne) Analizy związków między prądami i napięciami w elemencie z wykorzystaniem czterozaciskowego układu o dwóch parach zacisku: wejściowych i wyjściowych. 17. Na przykładzie rezystora przedstaw, w jaki sposób można scharakteryzować elementy elektroniczne. Rezystor jest to element elektroniczny, którego właściwością użytkową jest rezystancja, stała dla danego obwodu elektrycznego. Całkowita moc pobierana przez rezystor zamieniana jest w inną postać energii (ciepło, promieniowanie elektromagnetyczne). Spadek napięcia u(t) na rezystorze zachowuje zgodność faz z przepływającym prądem i(t). Parametry opisujące (charakteryzujące) rezystor: Rezystancja znamionowa: Rn [Ω] znormalizowane szeregi E6, E12, E24… w których stosunek kolejno następujących po sobie wartości rezystancji wzrastających z postępem geometrycznym wynosi ⁿ√10, gdzie n liczba wartości mieszczących się w dekadzie Moc znamionowa Pn [W] Napięcie graniczne Ugr [V] Temperaturowy współczynnik rezystancji TWR=∆R/R*∆T [10-6/0] Połączenie szeregowe Rezystancja równoległa Rezystancyjny dzielnik napięcia Dzielnik napięcia: dzieli lub zmniejsza napięcie wejściowe zgodnie z zadanym stosunkiem rezystancji. Wykorzystywany często jako moduł dopasowywujący Rezystor idealny: ma jedynie zdolność przemiany energii elektrycznej w ciepło; w obwodzie prądu sinusoidalnego Schemat zastępczy rzeczywistego rezystora: 1. w obwodzie prądu stałego, warstwowy: 2. w obwodzie prądu zmiennego małej częstotliwości: 18. Narysuj charakterystykę I = f(U) dla dwóch wartości rezystancji R1 i R2 gdy R2 > R1 , wymień podstawowe parametry rezystorów. Parametry – jak w zadaniu poprzednim 19. R1 = 20 Ω, R2 = 30 Ω. Ile wynosić będzie wartość rezystancji rezystora zastępczego R gdy rezystory te połączymy szeregowo a ile gdy równolegle. Połączenie szeregowe – R = R1+R2 = 50 (Ohm) Połączenie równoległe – R = 1/R1 + 1/R2 = 1/6 Połączenie szeregowe: Rz R1 R2 20 30 50[ ] ; Połączenie równoległe: Rz R1 R2 R1 R2 600 50 12[ ] 20 Uwe = 100V, R1 =20 Ω, R2 = 30 Ω. Uwe=100[V], R1=20[Ω], R2=30[Ω] U wy U we R2 R1 R2 100 30 50 60[ ] 22. Wymień podstawowe rodzaje polaryzacji dielektryka. Jaka stała charakteryzuje zdolność dielektryka do jego polaryzowania? Polaryzacja dielektryka: a. elektronowa, b. jonowa, c. dipolowa. 23. Jaką podstawową właściwością charakteryzuje się kondensator? Opisz wzorem pojemność kondensatora płaskiego. Doprowadzenie napięcia do okładzin kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku: Kondensator służy do gromadzenia ładunku elektrycznego gdzie: C - pojemność, w faradach Q - ładunek zgromadzony na jednej okładce, w kulombach U - napięcie elektryczne między okładkami, w woltach. Pojemnością elektryczną kondensatora płaskiego będziemy nazywali stosunek ładunku zgromadzonego na jednej z okładek kondensatora do napięcia pomiędzy tymi okładkami 24. C1 = 20 pF, C2 = 30 pF. Ile wynosić będzie pojemność zastępcza C, gdy kondensatory te połączymy szeregowo a ile, gdy połączymy je równolegle. Wymień podstawowe parametry kondensatorów. Szeregowe łączenie kondensatorów Przy połączeniu szeregowym kondensatorów, odwrotność pojemności wypadkowej jest równa sumie odwrotności wszystkich pojemności składowych: 1 Cz 1 C1 1 C2 1 ... C3 gdzie: Cz - pojemność zastępcza (wypadkowa) C1, C2, C3 - pojemności składowe C1=20pF, C2=30pF Cz C1 C 2 C1 C 2 600 12 12[ pF ] Równoległe łączenie kondensatorów Przy połączeniu równoległym kondensatorów, pojemność wypadkowa jest równa sumie pojemności składowych: Cz = C1 + C2 + C3 ... gdzie: Cz - pojemność zastępcza (wypadkowa) C1, C2, C3 - pojemności składowe Cz=20+30=50[pF] Parametry kondensatorów: Pojemność znamionowa Napięcie znamionowa Stratność kondensatora zastępcza rezystancja szeregowa 25.) Zdefiniuj pojęcia: półprzewodnik (wymień znane ci materiały, rodzaje), defekty strukturalne ( opisz ich naturę). a) PÓŁPRZEWODNIKI - > są to materiały nieorganiczne lub organiczne najczęściej krystaliczne o rezystywności (10-6 ÷ 106 Ωm), co plasuje je między przewodnikami a izolatorami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV, (np. Ge (german) 0,7 eV, Si (krzem) 1,1 eV , GaAs (arsenek galu) 1,4 eV, GaN 3,4 eV) - > są to materiały, których własności elektryczne (rezystywność) silnie zależą od: 1. temperatury, 2. oświetlenia, 3. koncentracji domieszek (czystości), Ze względu na skład chemiczny dzieli się je na: 1. pierwiastkowe (zbudowane z atomów jednego pierwiastka) IV gr.- StIV, GeVI CIV, (BIII, SeVI, TeVI) 2. związki chemiczne (o składzie ilościowym zgodnym z wymaganiami wartościowości – skład stechiometryczny AIVBIV,- SiC, AIIIBv - GaAs, A IIBVI - ZnS, CdTe,HgTe, AIVBVI 3. kryształy mieszane (dwa lub więcej pierwiastków lub związków, skład ilościowy może się zmieniać w szerokich granicach, nie są idealnie jednorodne) GexSi1-X (0< x <1), GaAs1-x PX - mieszanina GaAs i Gap -> LED W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku. b) Defekty strukturalne - > są to zakłócenia spowodowane nieprawidłowym rozmieszczeniem niektórych atomów w sieci krystalicznej. - luki węzłowe -> wakanse, węzły sieci krystalicznej przypadkowo nie obsadzone przez właściwe atomy. - atomy międzywęzłowe -> dodatkowe atomy własne znajdują się w położeniach, które w idealnej sieci nie powinny być obsadzone. - atomy obce -> w węzłach lub położeniach międzywęzłowych sieci. - dyslokacje - zaburzenia ciągłości przesunięcie części sieci w stosunku do pozostałe) - powierzchnia -> powierzchnia kryształu na której urywa się periodyczna struktura sieci krystaliczną. Domieszki ( zanieczyszczenia sieci) powodują pojawienie się dozwolonych poziomów energetycznych w paśmie zabronionym, energia jonizacji domieszek jest bardzo mała w porównaniu z szerokością pasma zabronionego, zatem nośniki z poziomów domieszkowych mogą być łatwo dostarczane do odpowiednich pasm. Defektami nazywa się półprzewodniki niesamoistne lub półprzewodniki domieszkowe. 26.) Dokonaj klasyfikacji materiałów z użyciem modelu pasmowego. Klasyfikacja materiałów z użyciem modelu pasmowego -> W powszechnie stosowanej klasyfikacji materiałów elektronicznych wyróżnia się : przewodniki półprzewodniki dielektryki (izolatory) W klasyfikacji tej jako kryterium podziału zwykle przyjmuje się umownie wartości graniczne rezystywności p w temperaturze T = 300, (Innym), często stosowanym kryterium, głębiej ujmującym istotę fizyczną tej klasyfikacji, jest wartość szerokości pasma zabronionego Wg. Gdy szerokość pasma zabronionego jest większa niż pewna umownie przyjęta wartość, najczęściej 2 eV, wówczas materiał jest dielektrykiem. Dla przewodników Wg w przybliżeniu = 0, natomiast dla półprzewodników 0 < Wg < 2 eV Podana wyżej klasyfikacja materiałów została dokonana ze względu na właściwości elektryczne, najważniejsze ze względu na zastosowanie materiałów w elektronice. Przyjmując inne kryteria podziału można oczywiście wydzielić jeszcze inne grupy materiałów o wspólnych specyficznych cechach. 27.) Określ pojęcie: poziom Fermiego ( energia Fermiego WF ). Poziom Fermiego (energia Fermiego WF) -> maksymalna energia elektronu w T = 0, energia (w T różnym od 0), której prawdopodobieństwo posiadania przez elektron wynosi 1/2, średnia energia swobodnego elektronu (liczona na jeden elektron). (czyli jest to poziom energetyczny, którego prawdopodobieństwo zajęcia przez elektron jest równe 0,5) Energia ta odpowiada maksymalnemu poziomowi energetycznemu, zajętemu przez fermion (elektron) w układzie znajdującym się w temperaturze zera bezwzględnego, w której wszystkie poziomy aż do energii Fermiego są zajęte, a powyżej wolne. Istnienie tego poziomu jest konsekwencją zakazu Pauliego a ten konsekwencją tego, iż elektrony są fermionami (podlegają statystyce Fermiego – Diraca). Przedstaw statystykę Fermiego – Diraca: - funkcja rozkładu Fermiego – Diraca - f(W), - wykres W =f(x) dla T=0; T>0; 29.) Na modelu pasmowym przedstaw procesy: - generacji prostej, generacji pośredniej, - rekombinacji prostej, rekombinacji pośredniej Gdzie : Wc - > pasmo przewodnictwa Wv -> pasmo walencyjne WT -> przerwa zabroniona 30.) Przedstaw półprzewodnik samoistny wykorzystując model pasmowy. Półprzewodnik samoistny. 31.) Przedstaw półprzewodnik domieszkowy typu „n” wykorzystując model pasmowy. Większa koncentracja elektronów niż dziur 32). Przedstaw półprzewodnik domieszkowy typu „p” wykorzystując model pasmowy Koncentracja dziur przeważa nad koncentracją elektronów 33.) Jak zmienia się położenie poziomu Fermiego półprzewodnika domieszkowanego gdy rośnie T oraz gdy rośnie koncentracja domieszek ( odpowiednio dla półprzewodnika typu n i półprzewodnika typu p Położenie poziomu Fermiego w półprzewodniku typu p oraz odpowiednio koncentrację dziur. Odpowiednie zależności będą dane przez wzory. nh N 1/ 2 h mh k B T 2 2 3/ 4 e Ea 2 k BT oraz 1 Ea 2 k BT ln 2 Na m k T 4 a B2 2 3/ 2 Półprzewodnik silnie domieszkowany, tzn. o dużej koncentracji domieszek, w którym poziom Fermiego znajduje się blisko krawędzi pasma zabronionego lub poza tym pasmem, a więc w paśmie przewodnictwa lub w paśmie walencyjnym, nazywa się półprzewodnikiem zdegenerowanym. Wpływ temperatury na właściwości półprzewodnika najwyraźniej jest widoczny w przebiegu temperaturowej zależności konduktywności (rysunek) Interpretacja tej krzywej jest w zasadzie taka, jak temperaturowej zależności koncentracji nośników w półprzewodniku, bowiem wpływ temperaturowych zmian ruchliwości jest znacznie słabszy. W zakresie temperatur niskich (odcinek 1) przyrost konduktywności spowodowany zwiększaniem temperatury wynika ze wzrostu koncentracji nośników pochodzących z jonizacji domieszek -jest to zakres przewodnictwa niesamoistnego. Gdy wszystkie domieszki są już zjonizowane, dalszy wzrost temperatury wywołuje stosunkowo małe zmiany konduktywności (odcinek 2), spowodowane głównie wpływem temperatury na ruchliwość, bowiem koncentracja nośników jest, praktycznie rzecz biorąc, stała - zakres ten nazywa się zakresem nasycenia. Jest on najważniejszy w charakterystyce półprzewodników, bowiem stałość koncentracji nośników w funkcji temperatury jest warunkiem poprawnej pracy tranzystorów, diod, układów scalonych. W wysokiej temperaturze (odcinek 3) znaczny przyrost konduktywności jest spowodowany szybkim wzrostem koncentracji samoistnej nośników wskutek generacji bezpośredniej par elektrondziura - jest to zakres przewodnictwa samoistnego 34. Sklasyfikuj i omów ruch nośników prądu w półprzewodnikach. Nośniki prądu w półprzewodniku wykonują: -bezwładne ruchy cieplne ( około 105 m/s) -ruchy skierowane: -Unoszenie (dryft) w polu elektrycznym E, -Dyfuzja pod wpływem gradientu koncentracji. Działanie pola elektrycznego E na nośniki powoduje, że na chaotyczny ruch cieplny nakładają się ruchy skierowane. Nośniki ładunku poruszają się w sieci krystalicznej półprzewodnika z prędkością średnią V = μE μ-ruchliwość; stały współczynnik proporcjonalności (przy małych wartościach E do około 105 V/m) Ruchliwość μ zależy od: -koncentracji domieszek (μn, μp) -temperatura T Natężenia pola elektrycznego E. 35. Jak zależy ruchliwość nośników w pp gdy zmienia się -koncentracja (Nd) -Temperatura (T) -Natężenie pola elektrycznego (E) 36. Zdefiniuj pojęcie konduktywności półprzewodnika, omów zmiany konduktywności półprzewodnika od temperatury. Konduktywność – podatność materiału na przepływ prądu elektrycznego gdzie: G - konduktancja, S - pole przekroju poprzecznego elementu, l - długość elementu. konduktywność półprzewodników wzrasta wraz z temperaturą. 37. Narysuj wykres zmian koncentracji nośników nadmiernych w czasie n, (p)=f(t). Zdefiniuj pojęcie czasu życia nośników nadmiernych. 39. Wymień rodzaje złącz p-n. -Złącze p-n (homozłącze) – dwa obszary tego samego pp. Różniące się typem przewodnictwa. -Heterozłącze – dwa obszary różnych pp. (np..Si i Ge) -złącze metal – półprzewodnik, m-s -złącze metal – izolator – półprzewodnik MIS 40. Przedstaw model pasmowy złącza p-n bez polaryzacji zewnętrznej. 41. Przedstaw model pasmowy złącza p-n dla polaryzacji przewodzenia. 42. Przedstaw model pasmowy złącza p-n dla polaryzacji zaporowej. 43. Przedstaw mechanizm powstawania złącza p-n. Wyjaśnij pojęcia: bariera potencjału, warstwa zaporowa, napięcie dyfuzyjne. Przed połączeniem oba obszary „p” i „n” są elektrycznie neutralne. Po połączeniu (w skali atomowej) nośniki większościowe z każdego obszaru dyfundują do drugiego i tam rekombinują. W strefie granicznej pozostaje nieskompensowany ładunek donorów/akceptorów, tworzy się warstwa dipolowa i odpowiadająca jej bariera potencjału hamująca dalszą dyfuzję nośników większościowych. Pole bariery sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych o ile trafiają one w obszar warstwy ładunku przestrzennego złącza (warstwy zubożonej) Bariera potencjału - ograniczony obszar (zazwyczaj niewielki), w którym energia potencjalna cząstki (punktu materialnego) przyjmuje wartości większe niż w otoczeniu tego punktu. W mechanice klasycznej cząstka, której energia jest mniejsza od energii maksymalnej w barierze potencjału nie przejdzie przez barierę potencjału. Warstwa zaporowa - wskutek dyfuzyjnego przepływu elektronów/dziur w obszarze granicznym warstwy N/P pozostają nieskompensowane ładunki dodatnie nieruchomych centrów donorowych/akceptorowych. W obszarze granicznym warstw P, N powstaje zatem warstwa dipolowa ładunku, wytwarzająca pole elektryczne przeciwdziałające dyfuzji nośników większościowych. Tę warstwę dipolową nazywa sie warstwą zaporową lub warstwą ładunku przestrzennego. Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0.8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2-0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 mV na kelwin. 44. Co to jest napięcie dyfuzyjne złącza p – n . Od czego zależy jego wartość (wzór). Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0.8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2-0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 mV na kelwin. 45. Wymień założenia przyjmowane dla opisu idealnego złącza p – n. 46. Przedstaw charakterystykę I = f (U) idealnego złącza p – n , opisz ją wzorem ( wzór Shockley`a), określ przedział zmian wartości współczynnika doskonałości złącza p – n – co opisuje ten współczynnik? wzór Shockley`a Natężenie prądu płynącego przez idealne złącze p-n w funkcji napięcia polaryzacji złącza definiuje wzór Shockley’a opisujący dyfuzyjny mechanizm przepływu nośników prądu: I I S exp qU 1 kT czyli – I I S exp qU IS kT (1) (2) gdzie: I S qS Dn n p Ln D p pn Lp tzw. prąd nasycenia złącza U – napięcie polaryzacji, T – temperatura [K], S – powierzchnia złącza, Dp, Dn – stałe dyfuzji dziur i elektronów, Ln, Lp – drogi dyfuzji elektronów i dziur, np, pn – koncentracje nośników mniejszościowych, k=8,62·10-5eV/K–stała Boltzmanna, q=1,6·10-19 C – ładunek elementarny. Wartość współczynnika doskonałości złącza n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej i rekombinacyjnej w prądzie płynącym przez złącze. Teoretycznie n powinno się zawierać między 1 (tylko prąd dyfuzji) i 2 (tylko prąd rekombinacji). 47. Omów przepływ nośników w złączu p – n dla kierunku przewodzenia. Polaryzacja w kierunku przewodzenia W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru N do P i z P do N. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ale ze źródła zasilania dopływają wciąż nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. 48. Omów przepływ nośników w złączu p – n dla kierunku zaporowego. Polaryzacja w kierunku zaporowym W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych. 49. Przedstaw charakterystykę I = f(U) rzeczywistego złącza p – n ( zaznacz wpływ rezystancji szeregowej i równoległej złącza). Wpływ rezystancji szeregowej 50. Z czego wynika występowanie w złączu p – n rezystancji szeregowej i równoległej. Przedstaw sposób jej wyznaczania z charakterystyki I = f(U) złącza rzeczywistego. Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody poza obszarem ładunku przestrzennego zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji szeregowej. Trzecia składowa prądu w kierunku zaporowym związana jest ze zjawiskiem upływu po powierzchni złącza i po defektach wewnętrznych. Ta składowa zwykle jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia i modeluje się ją rezystancją równoległą (rezystancją upływu). 51. Określ warunki, w jakich występuje zjawisko przebicia Zenera. Zilustruj mechanizm tego zjawiska na modelu pasmowym. Podaj praktyczny sposób wykorzystania tego zjawiska. 52. Określ warunki, w jakich występuje zjawisko przebicia lawinowego. Zilustruj mechanizm tego zjawiska. Podaj wzór empiryczny określający współczynnik powielania. 53. Czym jest przebicie złącza p – n ? Wymień i opisz rodzaje przebić występujących w przyrządach półprzewodnikowych. Przy polaryzacji zaporowej złącza p-n prąd przez niepłynący daje opisać się wzorem (9) tylko dla ograniczonych wartości napięcia polaryzacji złącza. Po przekroczeniu pewnego napięcia krytycznego następuje przebicie, czyli gwałtowny wzrost natężenia płynącego prądu. Dwa podstawowe mechanizmy przebicia to efekt Zenera i zjawisko powielania lawinowego. Efekt Zenera polega na tunelowym przejściu elektronu (tzn. bez straty energii) z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje on przede wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych (cienkie złącze, a co za tym idzie duże natężenie pola elektrycznego w jego obszarze (≈108 V/m)). Zjawisko powielania lawinowego polega na powielaniu nośników prądu w warstwie zaporowej złącza w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Efekt ten występuje w złączu słabo domieszkowanym (złącze grube, o grubości znacznie przekraczającej średnią drogę swobodną elektronu, więc o dużym prawdopodobieństwie powielania lawinowego; Brak opracowanych pytań: 21, 28, 38 i od 54 do 60