ﻚﻴﻧوﺮﺘﻜﻟاوﺮﻜﻴﻣ ﻲﻧﺎﺒﻣ - KNTU · 2015-12-18 · B. Razavi, “Fundamentals of Microelectronics”, John Wiley ... ﯼﺮﺘﺸﻴﺑ داﺪﻌﺗ
Post on 13-Jul-2020
17 Views
Preview:
Transcript
مباني ميكروالكترونيك
:سرفصل ها فيزيك نيمه هاديمداررهاي ديوديفيزيك ترانزيستور دو قطبيتقويت كننده ها با استفاده از ترانزيستورهاي دوقطبيفيزيك ترانزيستور ماسفت تقويت كننده ها با استفاده از ترانزيستورهايMOS ترانزيستورJFET
1
References
"ين تاليف بهزاد رضوي، مترجم محمود دياني، محمد حس "مباني ميكروالكترونيك.1388زارع، انتشارات نص،
B. Razavi, “Fundamentals of Microelectronics”, John Wiley
.2006& Sons,
"مولف بهزاد رضوي، مترجمان عماد ابراهيمي، محمد "مباني ميكروالكترونيك.1389، آسيايي، انتشارات اميد انقالب
"ترجمه محمود -، عادل شفيق سدره، كنت اسميت1جلد "مدارهاي ميكروالكترونيك.1385ويرايش پنجم، انتشارات نص، -دياني
"نشر شيخ بهايي2ويراست -علي مير عشقي "مباني الكترونيك ،.
2
نحوه ارزيابي
%5تمرينQuiz#15%14الي 13ساعت دوشنبه
1394/7/27Quiz#25% 14الي 13دوشنبه ساعت
1394/8/11Quiz#35% 14الي 13دوشنبه ساعت
1394/8/25Quiz#45% 14الي 13دوشنبه ساعت
1394/9/16%5حضور در كالس
%70پايان ترم
3
4
فيزيك نيمه هادي ها
مواد نيمه هادي و خواص آنها ديود پيونديPNپديده شكست معكوس در ديودها
CH2 Basic Physics of Semiconductors 5
جدول تناوبي مندليفPeriodic Table: جدول تناوبي
CH2 Basic Physics of Semiconductors 6
طبقه بندی مواد
چگالي الكترون هاي آزاد–عايق :n=0 cm-Ω510>ρ: مقاومت ويژه–3: چگالي اتم ها در يك ماده جامد–هاديatom/cm23 10 : الذا يك ماده هادي درياي الكترون ازاد است و چگالي الكترون هاي آزاد آن برابر است ب– … ,m=1, 2, 3. الكترون آزاد دارد mهر اتم از يك ماده هادي – 2310×n=m cm-Ω2-10<ρ: مقاومت ويژه–نيمه هادي–cm-Ω510<ρ <cm -Ω2-10 : در يك نيمه هادي چگالي الكترون هاي آزاد به دما بستگي دارد– •At T=0K n=0 •3free electron/cm10 10≅nK 300For Si semiconductor, at T= Si, Ge, GaAs: نيمه هادي هاي رايج–
CH2 Basic Physics of Semiconductors 7
ويژگي هاي مهم نيمه هادي ها
درجه خلوص بسيار زياد (99.9999999% purity)
)شبيه به الماس( ساختار بلورين اتم ها
pure: خالصCrystalline : بلورينDiamond: الماس
CH2 Basic Physics of Semiconductors 8
نيمه هادي سيليكن
پيوند 4اتم مجاورش مي تواند 4بنابراين با . الكترون ظرفيت دارد 4سيليكن. كوواالنس برقرار كند
وواالنس وقتي دما افزايش مي يابد بعضي از الكترون هاي شركت كننده در پيوندهاي ك. آزاد مي شوند
رون مقدار انرژي الزم جهت شكسته شدن يك پيوند و به تبع آن آزاد شدن يك الكتeV1.1 =gE: برابر است با
نيمه اين. شبكه اتم هاي سيليكن فوق كامال خالص و عاري از هر گونه ناخالصي است(intrinsic semiconductor). هادي خالص را نيمه هادي ذاتي مي نامند
covalent bond: پيوند كوواالنس intrinsic: ذاتي lattice: شبكه
CH2 Basic Physics of Semiconductors 9
الكترون آزاد و حفره
جاي خالي الكترون آزاد در پيوندSi باSi را حفره گويند.هم با شكسته شدن يك پيوند كوواالنس و آزاد شدن يك الكترون عمال يك حفره
.ايجاد مي شودحفره ها مي توانند بوسيله الكترون هاي آزاد پر شوند.چگالي حجمي الكترون هاي آزاد :nچگالي حجمي حفره ها :p
Hole: حفره
CH2 Basic Physics of Semiconductors 10
ذاتي سيليكنچگالي الكترون هاي آزد در نيمه هادي
gE بع آن آزاد بيانگر انرژي مورد نياز به منظور شكستن يك پيوند كوواالنس و به ت.كردن يك الكترون است
يك رابطه نمايي بين چگالي الكترون هاي آزاد وgE وجود دارد.در يك نيمه هادي ذاتي سيليكن داريم :in=p=nكن بنابراين در دماي صفر كلوين هيچ الكترون آزاد و حفره اي در نيمه هادي سيلي
n=p=0: وجود ندارد
1-2-223-
3150
3100
32/315
K s kg m 10 × 1.3806488
1.1/1054.1)600(
/1008.1)300(
/2
exp102.5
k
eVEcmelectronsKTn
cmelectronsKTn
cmelectronskTE
Tn
g
i
i
gi
Band gap: شکاف باند Exponential: نمايی relationship : رابطه Density: چگالیIntrinsic: ذاتی
مكانيسم حركت حفره
11
انيميشن مكانيسم حركت حفره در نيمه هادي
12
13
Nناخالصی نوع
اين . سيليکن ذاتی را می توان به صورت هوشمندانه توسط اتم های ديگر ناخالص کرد.کار باعث تغيير خواص الکتريکی سيليکن می شود
باشد به نيمه هادی سيليکن که به صورت هوشمندانه توسط اتم های ديگر ناخالص شده.نيمه هادی غير ذاتی می گويند
اتم جدول تناوبی مندليف را ناخالصی های بخشنده گويند و چگالی 5ناخالص های گروه.نشان می دهند DNهای ناخالصی بخشنده را با
يک نيمه هادی غيرذاتی در صفر کلوين هيچ الکترون آزاد و حفره ای ندارد :n=p=0
Pure: خالص Dope: دوپينگ کردنDonor: بخشندهDopant: ماده ناخالص سازExtrinsic: غير ذاتی
CH2 Basic Physics of Semiconductors 14
Nناخالصی نوع
0.05حدودeV برای يونيزه کردنAs الزم است . 200-اين انرژی در دمای°C فراهم است. اگرSi بوسيلهAs ناخالص شود در آن صورت ماده نيمه هادی تعداد بيشتری الکترون
.می نامند Nآزاد خواهد داشت و اصطالحا آن را نيمه هادی نوع
Pure: خالص Dope: دوپينگ کردن
CH2 Basic Physics of Semiconductors 15
Pناخالصی نوع
اتم جدول تناوبی مندليف را ناخالصی های پذيرنده گويند و چگالی 3ناخالص های گروه.نشان می دهند ANهای ناخالصی پذيرنده را با
در دماهای بسيار پايين اتم هایB يونيزه می شوند. اگرSi بوسيلهB ناخالص شود در آن صورت ماده نيمه هادی تعداد بيشتری حفره
.می نامند Pخواهد داشت و اصطالحا آن را نيمه هادی نوع
Acceptor: پذيرنده
CH2 Basic Physics of Semiconductors 16
جمع بندی
Summary : جمع بندیIntrinsic: ذاتیExtrinsic: غير ذاتیCrystal: بلورMajority: اکثريت
در فيزيک مدرن اثبات می شود که در نيمه هادی های ذاتی و غير ذاتی همواره رابطه2: زير برقرار است
i=np×n
CH2 Basic Physics of Semiconductors 17
Nدر نيمه هادی سيليکن نوع pو nمحاسبه
D
D
i
D
i
D
iD
D
iDiDD
iDiDi
D
NnNnp
Nn
NnN
NnNnNN
p
npNpnppNnpn
pNn
2
2
2
2
2
222
2222
42111
2411
224
0
در عمل چگالی اتم های ناخالصی در محدوده زير قرار دارد:1014 dopant/cm3 <ND < 1018 dopant/cm3
:dopantناخالص ساِز
CH2 Basic Physics of Semiconductors 18
چگالی حفره ها و الکترون ها
2innp
D
i
D
A
i
A
Nnp
NnNnn
Np
2
2
Majority Carriers :
Minority Carriers :
Majority Carriers :
Minority Carriers :
Majority: اکثريت Minority: اقليت
P-type
N-type
CH2 Basic Physics of Semiconductors 19
مکانيسم انتقال بار در نيمه هادی ها
جريان رانشیجريان نفوذی
Transportation: انتقالDrift: رانشDiffusion: نفوذ
CH2 Basic Physics of Semiconductors 20
جريان رانشی
در جريان رانشی حامل های بار به دليل وجود يک ميدان الکتريکی حرکت می کنند.سرعت حرکت حامل های بار متناسب با اندازه ميدان الکتريکی است.
Ev
Ev
ne
ph
Transportation: انتقالDrift: رانشVelocity: سرعتProportional :متناسب
CH2 Basic Physics of Semiconductors 21
مفاهيم کلی در مورد عبور جريان رانشی
qnhWvI en
Current Flow: عبور جريان
cross-section: مقطع عرضی For electron carriers:
qphWvI hp For hole carriers:
12 ttdv
: سرعت حرکت حامل های بار
qnhWtt
dtt
qnhWdtt
QIn
121212
CH2 Basic Physics of Semiconductors 22
)(
)(
pnq
EEpnq
qpEqnEJ
qpEqpvhW
IJ
qnEqnvhW
IJ
pn
pn
pntot
php
p
nen
n
عبور جريان رانشی
به دليل اينکه اندازه سرعت حامل ها برابر باE می توان روابط فوق را ساده تر کرد. است. ها توجه شود که جريان رانشی دارای دو مولفه جريان رانشی الکترون ها و جريان رانشی حفره
.است
J: چگالی سطحی جريانhW
IAIJ
)( pnqEJ
AIJ
pn
σ:رسانايی ρ :مقاومت ويژه
1
CH2 Basic Physics of Semiconductors 23
پديده اشباع سرعت حرکت حامل ها
و با در عمل سرعت الکترون به صورت متناسب با ميدان الکتريکی افزايش نمی يابدی افزايش ميدان الکتريکی نهايتا سرعت الکترون ها به يک مقدار مشخصی محدود م
.به اين پديده، پديده اشباع سرعت حرکت الکترون می گويند. شودمورد پديده اشباع سرعت حرکت الکترون به طور دقيق تردر دروس تحصيالت تکميلی
.مطالعه قرار می گيرد
E
vEv
sat
0
0
1
Saturation: اشباع
Treat: پرداختن
CH2 Basic Physics of Semiconductors 24
جريان نفوذی
ل حامل های بار از جايی که چگالی حامل ها بيشتر است به سمت مکانی که چگالی حام اين. ها در آن مکان کمتر است، نفوذ می کنند و باعث ايجاد جريان نفوذی می شوند
.تپديده قابل مقايسه با پديده نفوذ يک قطره کوچک جوهر در يک ظرف بزرگ آب اس
Diffusion: نفوذInjection: تزريقConcentration: غلظتAnalogous: قابل مقايسهDroplet: قطره کوچک
CH2 Basic Physics of Semiconductors 25
)ادامه(جريان نفوذی
جريان نفوذی متناسب با گراديان چگالی حامل ها(dn/dx) در امتداد عبور جريان.است
در محاسبه جريان نفوذی بايستی هم الکترون ها و هم حفره ها را در نظر گرفت .
dxdnqDJ nn
)(dxdpD
dxdnDqJ
dxdpqDJ
pntot
pp
Gradient: شيبAlong: در امتداد
CH2 Basic Physics of Semiconductors 26
مثال
LNqD
dxdnqDJ nnn
dd
nn L
xL
NqDdxdnqDJ
exp
dLxNxn
exp LxLNxn
CH2 Basic Physics of Semiconductors 27
رابطه انيشتين
تين اگرچه مبانی فيزيک جريان رانشی و جريان نفوذی متفاوت است ولی رابطه انيش.ارتباطی مرموز بين اين دو برقرار می کند
qkTD
Mysterious: مرموز
Relation: رابطه
CH2 Basic Physics of Semiconductors 28
جمع بندی
pn
pn
qpqndxdpqD
dxdnqDEJ
Drift Diffusion
CH2 Basic Physics of Semiconductors 29
PNاتصال )ديود(
اگر در يک سمت نيمه هادی از ناخالصی نوعN و در سمت مقابل از ناخالصی نوعP .يا همان ديود ايجاد خواهد شد PNاستفاده شود، در آن صورت پيوند
CH2 Basic Physics of Semiconductors 30
عبور جريان نفوذی
ر به دليل اينکه چگالی حامل ها در دو طرف محل اتصال متفاوت است، جريان نفوذی د.محل اتصال برقرار می شود
Across: از يک طرف به طرف ديگرExcess: اضافهFlow: جاری شدن
CH2 Basic Physics of Semiconductors 31
ناحيه تهی
هنگامی که الکترون های آزاد و حفره ها از يک طرف محل اتصال به طرف مقابل نفوذ می کنند، ناحيه ای ايجاد می شود که در آن جا فقط يون وجود دارد و آن جا تهی از
.به اين ناحيه، ناحيه تهی يا تخليه می گويند. حامل های بار است
Depletion: تهی -تخليهIon: يون
32
ناحيه تهی
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AS+
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
AL-
با چگالی ناخالصی زياد PNپيوند
E
E
با چگالی ناخالصی کم PNپيوند عرض ناحيه تخليه
عرض ناحيه تخليه
CH2 Basic Physics of Semiconductors 33
Current Flow Across Junction: Drift
دان اين مي. يون های ثابت موجود در ناحيه تخليه يک ميدان الکتريکی ايجاد می کنند.الکتريکی سبب ايجاد جريان رانشی می شود
CH2 Basic Physics of Semiconductors 34
حالت تعادل
ذی در حالت تعادل جريان رانشی برابر با جريان نفوذی و جهت آن برخالف جريان نفو.بنابراين جريان برآيند برابر با صفر است. است
شکل فوق چگالی حامل های بار در پيوندPN و در حالت تعادل نشان می دهد.
ndiffndrift
pdiffpdrift
II
II
,,
,,
Equilibrium: تعادلNet: برآيند
Dn Nn Ap Np
D
in N
np2
A
ip N
nn2
CH2 Basic Physics of Semiconductors 35
پتانسيل داخلی
به دليل وجود ميدان الکتريکی در دو طرف محل اتصال، در آن جا يک پتانسيليان شده نحوه محاسبه اين پتانسيل الکتريکی در باال ب. الکتريکی داخلی ايجاد می شود
.است
p
n
p
pp
x
xp
pp
pdpDdV
dxdpqDpEq
2
1
n
p
p
p
pp
ppD
xVxV
dxdpD
dxdVp
ln)()( 12
200 ln,lni
DA
n
p
nNN
qkTV
pp
qkTV
Built-in Potential: پتانسيل داخلیDerivation: استخراج
CH2 Basic Physics of Semiconductors 36
ديود در حالت باياس معکوس
هرگاه ولتاژی که از بيرون به ناحيهN از يک ديود اعمال می کنيم نسبت به ناحيهP کوس پتانسل بيشتری داشته باشد، اصطالحا می گوييم که ديود در شرايط باياس مع
.استلی در شرايط باياس معکوس ميدان الکتريکی خارجی هم جهت با ميدان الکتريکی داخ
ايجاد می شود و به تبع آن PNبنابراين ميدان الکتريکی قوی تری در محل پيوند . است.عرض ناحيه تخليه افزايش می يابد
CH2 Basic Physics of Semiconductors 37
کاربردهای ديود در ناحيه باياس معکوس )خازن متغير با ولتاژ(
يک پيوندPN با . در حالت باياس معکوس را می توان همانند يک خازن در نظر گرفت.عرض ناحيه تخليه تغيير کرده و به تبع آن مقدار خازن تغيير می کند RVتغيير
يک پيوندPN در حالت باياس معکوس همانند خازن متغير با ولتاژ عمل می کند.
Voltage-Dependent Capacitor: خازن متغير با ولتاژ
CH2 Basic Physics of Semiconductors 38
خازن متغير با ولتاژ
شود می اثبات الکترونيک فيزيک درس در فوق رابطه.
00
0
0
12
1
VNNNNqC
VV
CC
DA
DAsij
R
jj
CH2 Basic Physics of Semiconductors 39
(VCO)نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ
يک کاربرد بسيار مهم پيوندPN در حالت باياس معکوس اين است که از آن در مدارVCO ياداوری می شود که در نوسان ساز ها معموال از مدار تانک . استفاده می شود
LC استفاده می شود. با تغييرRV مقدارC تغيير کرده و در نتيجه فرکانس نوسان تغيير می کند.
LCfres
121
Oscillator: نوسان سازTank: مخزن
CH2 Basic Physics of Semiconductors 40
ديود در ناحيه باياس مستقيم
هرگاه ولتاژ اعمال شده از بيرون به گونه ای باشد که نيمه هادیN پتانسيل کمتری.داشته باشد در آن صورت ديود در باياس مستقيم خواهد بود Pنسبت به نيمه هادی
وددر اين حالت ميدان الکتريکی خارجی بر خالف جهت ميدان الکتريکی داخلی خواهد ب .متر می به عبارت ديگر عرض ناحيه تخليه ک. لذا ميدان الکتريکی برايند کاهش می يابد
.شودجريان کاهش ميدان الکتريکی برآيند سبب غلبه جريان نفوذی بر جريان رانشی شده و
.برقرار می شود Nبه Pالکتريکی از
CH2 Basic Physics of Semiconductors 41
مشخصه جريان بر حسب ولتاژ
رابطه جريان بر حسب ولتاژ در حالت باياس مستقيم نمايی است.رابطه جريان بر حسب ولتاژ در حالت باياس معکوس تقريبا ثابت است.
)1(exp T
DSD V
VII
holesofLengthDiffusion:LElectronsofLengthDiffusion:L
)(
p
n
2
pD
p
nA
nis LN
DLN
DAqnI
mVVKTifq
kTV
T
T
26300
CH2 Basic Physics of Semiconductors 42
PNموازی کردن پيوند های
موضوع فوق با توجه به اينکهsI متناسب باA کامال واضح است)اساليد قبل(است ،.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 43
مدل ديود با ولتاژ ثابت
CH2 Basic Physics of Semiconductors 44
مثال
S
XTXDXX I
IVRIVRIV ln11
mAImAI
X
X
2.02.2
VVVV
X
X
13
for
for
CH2 Basic Physics of Semiconductors 45
پديده شکست معکوس
هرگاه ولتاژ معکوس زيادی به ديود اعمال شود، پديده شکست رخ می دهد و جريان.معکوس زيادی از ديود عبور می کند
Breakdown: شکستEnormous: از حد معمول بزرگ تر -زياد
CH2 Basic Physics of Semiconductors 46
پديده شکست زنری و بهمنی
هر گاه در حالت باياس معکوس ولتاژ معکوس زيادی اعمال شود، در آن صورت دره شده اين ميدان قوی سبب شکست. ناحيه تخليه ميدان الکترريکی قوی خواهيم داشت
می شود و به تبع آن الکترون آزاد و حفره ازاد در ناحيه تهی Siبا Siپيوند کوواالنس وس با توجه به جهت ميدان الکتريکی در ناحيه تهی قاعدتا جريان معک. ايجاد می شود
.گويندپديده شکست زنری به اين پديده، . از ديود عبور خواهد کرد ی اين حامل ها. به الکترون ها و حفره های پر انرژی بر می گرددپديده شکست بهمنی
ه شدن پر انرژی در ناحيه تخليه به اتم های سيليکن برخورد می کنند و سبب شکسته اين پديده ب. پيوند های کوواالنس و به تبع آن ايجاد الکترون و حفره ازاد می شود
.دصورت بهمنی تکرار می شود و نهايتا جريان معکوس بزرگی از ديود عبور می کن
Avalanche: بهمن
Collide: به هم خوردن
top related