Uvod u POLUPROVODNICKEˇ KOMPONENTEmikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/files/Poluprovodnici.pdf · izolatora i provodnika nazivaju se poluprovodnici. Poluprovodnici mogu biti hemijski

Zoran PrijicAneta Prijic

Uvod u

POLUPROVODNICKEKOMPONENTE

i njihovu primenu

Univerzitet u NiuElektronski fakultet

Ni, 2014.

Materijal predstavljen u ovom tekstu koncipiran je tako da, ilustrujuci po-jedine fizicke pojave i tehnicke principe, slui iskljucivo u obrazovne svrhe.Zbog toga pravo na njegovo umnoavanje i distribuciju u integralnom oblikunije ograniceno. Medutim, autori ne mogu snositi bilo kakvu, direktnu ili in-direktnu, odgovornost za eventualne tete koje mogu nastati kao posledicaupotrebe navoda iz ovog teksta u bilo koje druge svrhe. Koricenje delovateksta i/ili ilustracija u drugim publikacijama bilo koje vrste, bez navodenjaoriginalnog izvora, nije dozvoljeno.

SADRAJ

1 Poluprovodnicka svojstva silicijuma 11.1 Kristalna struktura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Elektricna provodnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1 Sopstveni nosioci naelektrisanja . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2 Zonalna reprezentacija energetskih nivoa . . . . . . . . . 41.2.3 Generacija i rekombinacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Dopiranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.1 Silicijum ntipa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.2 Silicijum ptipa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3.3 Kompenzovani silicijum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 Elektricne karakteristike dopiranog silicijuma . . . . . . . . . . . 151.4.1 Pokretljivost nosilaca naelektrisanja . . . . . . . . . . . . . 151.4.2 Driftovska struja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4.3 Specificna otpornost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.5 Osnovni tehnoloki procesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.5.1 Formiranje supstrata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.5.2 Epitaksijalni rast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.5.3 Oksidacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.5.4 Fotolitografija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.5.5 Jonska implantacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.5.6 Difuzija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.5.7 Metalizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.5.8 Pasivizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.5.9 Enkapsulacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.5.10 Sortiranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2 Diode 292.1 P N spoj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.1.1 Direktna polarizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.1.2 Inverzna polarizacija i proboj . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.1.3 Uticaj temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.1.4 Kapacitivnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.1.5 Radna tacka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

i

ii Sadraj

2.1.6 Model za male signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.1.7 Difuziona kapacitivnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2 Tipovi dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.2.1 Tehnicke specifikacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.2.2 Ispravljacke diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.2.3 Prekidacke diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.2.4 Zener diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.2.5 TVS diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612.2.6 otkijeve diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.2.7 Varikap diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.2.8 LE diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.2.9 Fotodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.2.10 Ostali tipovi dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3 Bipolarni tranzistor 793.1 Struktura i princip rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.1.1 Tehnoloka realizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.2 Elektricne karakteristike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.2.1 Strujnonaponske karakteristike . . . . . . . . . . . . . . . 853.2.2 Izlazna otpornost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.2.3 Proboj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.2.4 Strujno pojacanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.2.5 Disipacija snage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.3 Tranzistor kao prekidac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.4 Tranzistor kao pojacavac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.4.1 Princip primene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033.4.2 Osnovni model za male signale . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.4.3 Naponsko pojacanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.5 Polarizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1113.5.1 Polarizacija koricenjem otpornika prema bazi . . . . . . 1113.5.2 Polarizacija koricenjem naponskog razdelnika . . . . . . 1143.5.3 Polarizacija koricenjem povratne sprege iz kolektora . . 1223.5.4 Polarizacija preko emitora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1243.5.5 Uticaj otpornosti izvora i opterecenja . . . . . . . . . . . . 1253.5.6 Pojacavac sa zajednickim kolektorom . . . . . . . . . . . . 1283.5.7 Pojacavac sa zajednickom bazom . . . . . . . . . . . . . . 132

3.6 Fototranzistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1363.6.1 Optokapler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4 MOS tranzistor 1434.1 Struktura i princip rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.1.1 Tehnoloka realizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1474.2 Elektricne karakteristike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.2.1 Strujnonaponske karakteristike . . . . . . . . . . . . . . . 151

Sadraj iii

4.2.2 Izlazna otpornost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574.2.3 Proboj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1594.2.4 Transkonduktansa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1604.2.5 Otpornost ukljucenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614.2.6 Disipacija snage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.3 Tranzistor kao prekidac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1654.3.1 CMOS invertor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

4.4 Tranzistor kao pojacavac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714.4.1 Princip primene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714.4.2 Osnovni model za male signale . . . . . . . . . . . . . . . . 1784.4.3 Naponsko pojacanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

4.5 Polarizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1794.5.1 Polarizacija koricenjem naponskog razdelnika . . . . . . 1794.5.2 Polarizacija koricenjem povratne sprege iz drejna . . . . 1834.5.3 Polarizacija koricenjem izvora konstantne struje . . . . . 1874.5.4 Pojacavac sa zajednickim drejnom . . . . . . . . . . . . . . 1884.5.5 Pojacavac sa zajednickim gejtom . . . . . . . . . . . . . . . 192

4.6 Fotonaponski relej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

5 JFET 1995.1 Struktura i princip rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1995.2 Elektricne karakteristike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

5.2.1 Strujnonaponske karakteristike . . . . . . . . . . . . . . . 2015.2.2 Transkonduktansa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2075.2.3 Ulazna otpornost i kapacitivnost . . . . . . . . . . . . . . . 2095.2.4 Disipacija snage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

5.3 Polarizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2105.3.1 Automatska polarizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2115.3.2 Polarizacija koricenjem naponskog razdelnika . . . . . . 2135.3.3 Polarizacija u omsku oblast . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Dodaci

A EbersMolov model bipolarnog tranzistora 219

B Analiza kola za polarizaciju bipolarnog tranzistora koricenjemnaponskog razdelnika 223

C Struja drejna MOSFET-a 227

D Struja drejna JFET-a 231

Literatura 239

PREDGOVOR

Poluprovodnicke komponente predstavljaju osnovne elemente savremenihelektronskih uredaja. Postoji veliki broj tipova poluprovodnickih kompone-nata, koji se medusobno razlikuju po nameni, materijalu i tehnologiji izrade.Ipak, u dananje vreme dominiraju komponente napravljene koricenjem silici-juma. Zbog toga je Glava 1 posvecena osnovnim poluprovodnickim svojstvimasilicijuma. Pored toga, predstavljeni su i osnovni tehnoloki procesi koji se ko-riste u obradi silicijuma pri proizvodnji poluprovodnickih komponenata.

Glava 2 obraduje diode, kao najjednostavnije i veoma cesto koricene polu-provodnicke komponente. U Poglavlju 2.1 je opisan princip rada pn spoja, nakome se prakticno zasniva svaka dioda. Zatim su definisane osnovne elektricnekarakteristike dioda. Poglavlje 2.2 obraduje tipove dioda koji se najcece srecuu praksi, pri cemu je princip njihove primene ilustrovan na primerima. Glave 3i 4 posvecene su bipolarnim i MOS tranzistorima, respektivno. Pored principarada i elektricnih karakteristika, opisane su i dve osnovne primene tranzistora:kao prekidaca i pojacavaca. Opisana je polarizacija tranzistora, kao i osnovnipojacavacki stepeni. U Glavi 3 detaljnije je obraden i uticaj izvora signala iopterecenja na performanse osnovnih pojacavackih stepena. Na kraju svakeglave predstavljene su i osnovne optoelektronske komponente zasnovane nabipolarnim, odnosno MOS tranzistorima. Glava 5 opisuje tranzistor sa efektompolja (JFET). U ovoj Glavi su, pored principa rada i osnovnih karakteristika,prikazane i neke specificne primene JFET-a. Osnovni pojacavacki stepeni nisuposebno predstavljeni, s obzirom da su veoma slicni pojacavackim stepenimasa MOS tranzistorima.

Ovaj tekst je pre svega namenjen studentima prve i druge godine Elektron-skog fakulteta u Niu, kao deo materijala za pracenje nastave i pripremu ispitaiz predmeta ELEKTRONSKE KOMPONENTE i POLUPROVODNICKE KOMPONENTE.Studentima prve godine namenjeni su sledeci delovi teksta:

Glava 1: 1.11.4, informativno 1.5;

Glava 2: 2.1 (2.1.12.1.5) i 2.2;

Glava 3: 3.13.3, 3.4 (samo 3.4.1) i 3.6;

Glava 4: 4.14.3, 4.4 (samo 4.4.1), informativno 4.6.

v

vi Predgovor

Za razumevanje materije izloene u tekstu studentima je neophodno zna-nje iz predmeta ELEKTROTEHNIKA 1, ELEKTROTEHNIKA 2 i FIZIKA, kao i iz delapredmeta ELEKTRONSKE KOMPONENTE koji se odnosi na osnovne elektronskekomponente. U tom smislu, citaoci se upucuju na literaturu koja je dostupnana Internet stranicama Elektronskog fakulteta (www.elfak.ni.ac.rs), kaoi na druge izvore (videti npr. [1][3]). Deo materije koji se odnosi na po-luprovodnicka svojstva silicijuma zasnovan je na naucnoj oblasti koja se na-ziva Elektronska fizika cvrstog tela (engl. SolidState Physics). S obzirom dase radi o sloenoj materiji, autori su se u tekstu ogranicili na iznoenje samonekih od osnovnih postulata, za koje procenjuju da su neophodni za razume-vanje principa rada poluprovodnickih komponenata. Dodatna saznanja citaocimogu steci iz literature (videti npr. [4][7]), kao i u predmetima na viim go-dinama studija. Takode, frekventne karakteristike pojacavaca nisu obradene,jer se razmatraju u drugim predmetima na osnovnim akademskim studijama,a detalji se mogu pronaci u [8][11]. Primeri primena samih komponenata suizabrani tako da ilustruju osnovne koncepte, pri cemu treba imati u vidu dakonkretni tipovi upotrebljenih komponenata ne predstavljaju uvek i najboljiizbor za primenu u praksi. Citaoci se, pored dodatne literature u vidu knjiga(videti npr. [9], [12]), upucuju i na aplikacione note i tehnicke specifikacijeproizvodaca komponenata koje su dostupne na njihovim Internet stranicama.

U tekstu je upotrebljena sledeca konvencija za oznacavanje elektricnih sig-nala:

Jednosmerni signali su oznaceni velikim slovima (npr. VBE , ID);

Naizmenicni signali su oznaceni malim slovima (npr. vin, iout)

Superponirani jednosmerni i naizmenicni signali su oznaceni kombina-cijom velikih i malih slova (npr. vD, iC);

Svi eksperimentalni podaci i primeri prikazani u tekstu su izmereni, od-nosno prakticno realizovani, u Laboratoriji za mikroelektroniku i elektronskekomponente pri Katedri za mikroelektroniku Elektronskog fakulteta u Niu.

Autori se posebno zahvaljuju prof. dr Stojanu Risticu, cije su im knjige izoblasti posluile kao inspiracija za ovaj tekst.

U Niu, januara 2014.

www.elfak.ni.ac.rs

GL

AV

A

1POLUPROVODNICKA SVOJSTVA

SILICIJUMA

Materijali cija se vrednost specificne elektricne provodnosti nalazi izmeduizolatora i provodnika nazivaju se poluprovodnici. Poluprovodnici mogu bitihemijski elementi ili jedinjenja. Elementi pripadaju IV-oj grupi periodnog si-stema, dok se jedinjenja tipicno formiraju kao dvokomponentna, od elemenataiz III i V ili II i VI grupe (Sl. 1.1), iako mogu biti i trokomponentna. Za sve

12 13 14 15 16

2

3

4

5

6

5

B

13 14 15 16

Al Si P S

30 31 32 33 34

Zn Ga Ge As Se

48 49 50 51 52

Cd In Sn Sb Te

80 81 82 83

Hg Tl Pb Bi

Grupa

Perioda

IIIA IVA VAIIB VIA

Slika 1.1: Izvod iz periodnog sistema sa najcece koricenim elemen-tima za proizvodnju poluprovodnickih komponenata.

poluprovodnike karakteristicno je da im se specificna elektricna provodnost

1

2 Poluprovodnicka svojstva silicijuma

moe povecati primenom tehnolokih postupaka kojima se modifikuje njihovhemijski sastav.

Vecina savremenih elektronskih komponenata izraduje se od poluprovod-nickih materijala. Iz ekonomskih i tehnolokih razloga za proizvodnju se naj-vie koristi silicijum (Si), na cijem ce primeru u nastavku teksta biti predsta-vljeni osnovni pojmovi neophodni za razumevanje nacina rada poluprovodnic-kih komponenata.

1.1 Kristalna struktura

Silicijum je, posle gvoda, drugi element po rasprostranjenosti u Zemljinojkori i ucestvuje u sastavu vecine stena koje cine njenu povrinu. Atom silici-juma sastoji se od jezgra koje u sebi sadri 14 protona i isto toliko neutrona,oko koga krui 14 elektrona. Cetiri elektrona koja su najudaljenija od jezgrapredstavljaju valentne elektrone. Ovi elektroni ucestvuju u stvaranju kova-lentnih veza izmedu atoma silicijuma. Svaku vezu cini par elektrona, unutarkoje po jedan elektron pripada po jednom od dva susedna atoma. Kovalentnihveza ima cetiri, tako da se formiraju strukture u obliku tetraedra, kao to jeilustrovano na Sl. 1.2. Na taj nacin je svaki atom silicijuma povezan sa cetiri

Slika 1.2: Simbolicki prikaz medusobne povezanosti atoma silicijuma:atomi su predstavljeni sferama, a kovalentne veze cilin-drima.

susedna atoma. Ovakav raspored atoma omogucava konstrukciju zamiljenekocke koja cini jedinicnu celiju kristalne reetke silicijuma. Stranica kocke senaziva konstanta reetke i duine je 0,543 07 nm. Translacijom jedinicne celijeza konstantu reetke du prostornih osa (x , y i z) dobija se kristalna reetkasilicijuma (Sl. 1.3). U zavisnosti od uniformnosti kristalne reetke, mogu serazlikovati tri tipa silicijuma:

1.2. Elektricna provodnost 3

Slika 1.3: Model kristalne reetke silicijuma.

monokristalni kristalna reetka je uniformna na makroskopskom ni-vou;

polikristalni kristalna reetka je uniformna na mikroskopskom nivou;

amorfni kristalna reetka nije uniformna.

Sva tri tipa silicijuma se koriste u proizvodnji poluprovodnickih komponenata,a razmatranja u nastavku teksta odnosice se na monokristalni silicijum.

1.2 Elektricna provodnost

1.2.1 Sopstveni nosioci naelektrisanja

Osnovni uslov za elektricnu provodnost bilo kog materijala predstavlja po-stojanje slobodnih nosilaca naelektrisanja u tom materijalu. Slobodni nosiocinaelektrisanja (carriers) u silicijumu su elektroni koji ne ucestvuju u kovalent-nim vezama unutar kristalne reetke silicijuma. Teorijski posmatrano, na tem-peraturi apsolutne nule svi elektroni ucestvuju u kovalentnim vezama, pa sesilicijum ponaa kao izolator. Porast temperature izaziva vibracije atoma unu-tar kristalne reetke, to deluje kao pobuda koja omogucava pojedinim elek-tronima da raskinu kovalentnu vezu i oslobode se od maticnog atoma. Na tajnacin oni postaju slobodni nosioci naelektrisanja. Kada se elektron oslobodi odmaticnog atoma, on za sobom ostavlja upljinu (hole) koja se, u elektricnomsmislu, moe posmatrati kao pozitivno naelektrisanje po apsolutnoj vrednostijednako naelektrisanju elektrona. Prema tome, u poluprovodniku postoje dvevrste nosilaca naelektrisanja: elektroni i upljine.

Uobicajeno je da se broj slobodnih nosilaca naelektrisanja izraava po je-dinici zapremine (cm3), pa se tako uvodi pojam koncentracija nosilaca na-


elektrisanja. U hemijski cistom (intrinsic) silicijumu, u termickoj ravnotei,koncentracija slobodnih elektrona n0 jednaka je koncentraciji upljina p0:

ni = n0 = p0 (cm3) . (1.1)

Velicina ni naziva se koncentracija sopstvenih nosilaca naelektrisanja. Kon-Termicka ravnotea jestanje u kome na polupro-vodnik ne deluje nikakvaspoljanja pobuda (elek-tricno i magnetno polje,gradijent temperature,itd.).

centracija sopstvenih nosilaca naelektrisanja silicijuma zavisi od temperature(Sl. 1.4) i na T = 300K iznosi ni = 1,01 1010 cm3. Silicijum poseduje

109

1010

1011

1012

1013

275 300 325 350 375

ni(

cm

-3)

T(K)

Slika 1.4: Zavisnost koncentracije sopstvenih nosilaca naelektrisanja usilicijumu od temperature.

specificnu elektricnu provodnost koja na sobnoj temperaturi1 iznosi 4,35 1061 cm1. Ova vrednost specificne provodnosti je za vie redovavelicine manja u odnosu na provodnosti metala, zbog cega se silicijum i svr-stava u poluprovodnike.

1.2.2 Zonalna reprezentacija energetskih nivoa

Svaki elektron unutar materijala poseduje odredenu diskretnu vrednostenergije koja se naziva energetski nivo. Skup po vrednosti bliskih energet-skih nivoa moe se predstaviti kao podrucje koje se naziva energetska zona.Kod poluprovodnika je od interesa razmatrati energije valentnih elektrona, tj.onih koji ucestvuju u stvaranju kovalentnih veza izmedu atoma. Skup njiho-vih energija E odreduje podrucje valentne zone (valence band), a maksimalna

1U tekstu ce se pod pojmom sobna temperatura podrazumevati temperatura od 300 K.


vrednost energije koju neki od njih moe imati odreduje energiju vrha valentnezone Ev (Sl. 1.5). Teorijski posmatrano, na temperaturi apsolutne nule svi va-

Slika 1.5: Pojednostavljeni model energetskih zona u silicijumu.

lentni elektroni imaju energije koje se nalaze u opsegu energija valentne zone.Da bi elektron postao slobodan potrebna mu je dodatna energija ciji izvor

moe biti temperatura ili neka druga vrsta pobude. Skup energija slobodnihelektrona cini podrucje provodne zone (conduction band), a minimalna vred-nost energije koju neki od njih moe da ima odreduje energiju dna provodnezone Ec. Minimalna energija koju je potrebno dodati elektronu da bi preaoiz opsega valentne u opseg provodne zone jednaka je razlici energetskih ni-voa dna provodne i vrha valentne zone. Ovim se definie zabranjena zona(bandgap) energetske irine Eg:

Eg = EC EV . (1.2)

Prakticno, Eg predstavlja opseg energija koje elektroni ne mogu da imaju. Zabranjena zona kod pro-vodnika prakticno ne po-stoji, dok je kod izolatoramnogo ira nego kod po-luprovodnika.

irina zabranjene zone zavisi od temperature (Sl. 1.6), a na T = 300K u si-licijumu iznosi 1,12 eV. Sa porastom temperature smanjuje se energija koju

Elektronvolt:1 eV=1,6 1019 J.

je potrebno dodati elektronu da bi iz opsega energije valentne zone preao uopseg energija provodne zone, pa je to jedan od mehanizama kojima se obja-njava povecanje koncentracije sopstvenih nosilaca.

Verovatnoca da ce energetski nivo energije E biti zauzet elektronom odre-dena je funkcijom koja se naziva Fermi-Dirakova funkcija raspodele:

f (E) =1

1+ exp

E EFkT

, (1.3)

pri cemu je k =8,62 105 eV K1 Bolcmanova konstanta. Velicina EF nazivase Fermijev nivo. Na temperaturi apsolutne nule svi elektroni zauzimaju ener-getske nivoe ispod EF , dok su svi energetski nivoi iznad EF prazni. Za E = EF se


1,100

1,105

1,110

1,115

1,120

1,125

1,130

275 300 325 350 375

Eg(e

V)

T (K)

Slika 1.6: Zavisnost irine zabranjene zone silicijuma od temperature.

(1.3) svodi na f (EF) = 0.5, za bilo koju temperaturu. Fermi-Dirakova funkcijaraspodele prikazana je na Sl. 1.7. Funkcija f (E) je simetricna oko Fermijevognivoa:

f (EF +E) = 1 f (EF E) , (1.4)to odraava podjednaku verovatnocu da je zauzet energetski nivo EF +E,odnosno da je prazan energetski nivo EF E. Prema tome, funkcija 1 f (E) predstavlja verovatnocu da energetski nivo energije E bude prazan, tj.da nema elektrona sa tom energijom. Detaljnije razmatranje pokazuje da sekoncentracije elektrona i upljina u termickoj ravnotei mogu izraziti kao:

n0 = Nc exp

Ec EF

kT

, (1.5a)

p0 = Nv exp

EF Ev

kT

. (1.5b)

Velicine Nc i Nv nazivaju se efektivne gustine stanja (effective densities of states)elektrona u provodnoj i upljina u valentnoj zoni, respektivno. Efektivne gu-stine stanja zavise od temperature, a za T =300 K iznose Nc =2,8 1019 cm3i Nv =2,3 1019 cm3.

Zamenom (1.5) u (1.1) i reavanjem po EF moe se odrediti poloaj Fer-mijevog nivoa u hemijski cistom silicijumu, koji se oznacava sa Ei:

Ei =1

2(Ec + Ev)

1

2kT ln

NcNv

. (1.6)


Slika 1.7: Fermi-Dirakova funkcija raspodele.

Prvi clan sa desne strane (1.6) predstavlja energiju koja odgovara sredini za-branjene zone. Drugi clan predstavlja pomeraj Fermijevog nivoa u odnosu nasredinu zabranjene zone i na T = 300K iznosi priblino 3 meV. Koncentracijasopstvenih nosilaca se u odnosu na Ei moe izraziti kao:

ni = Nc exp

Ec Ei

kT

, (1.7a)

ni = Nv exp

Ei Ev

kT

. (1.7b)

1.2.3 Generacija i rekombinacija

Proces oslobadanja elektrona iz kovalentnih veza i prelazak iz opsega ener-gija valentne u opseg energija provodne zone naziva se generacija slobod-nih nosilaca naelektrisanja. Na ovaj nacin, u elektricnom smislu, nastaje parelektronupljina (Sl. 1.8). Slobodni elektroni se nasumicno krecu unutar kri-stalne reetke i tom prilikom dolaze u blizinu upljina. Tada bivaju privuceniod strane upljina i ovaj proces se naziva rekombinacija. Rezultat rekombina-cije je nestanak para elektronupljina. U termickoj ravnotei su neto koncen- U procesu generacije vri

se eksitacija elektrona, au procesu rekombinacijeanihilacija elektrona.

tracije elektrona i upljina jednake i ne zavise od vremena, to je posledicacinjenice da se procesi generacije i rekombinacije odvijaju istim brzinama:

Gn0 = Gp0 = Rn0 = Rp0 (cm3 s1) . (1.8)

Iz (1.1) i (1.8) proizilazi da je u termickoj ravnotei:pn proizvod


Slika 1.8: Ilustracija procesa generacije i rekombinacije.

n0p0 = n2i . (1.9)

Zamenom (1.5) u (1.9) dobija se:

n2i = NcNv exp

EgkT

, (1.10)

to se dobija i kada se pomnoe 1.7a i 1.7b.Parovi elektronupljina mogu biti stvoreni i pod dejstvom spoljanje po-

bude. Na primer, poluprovodnik moe biti izloen elektromagnetnim talasimau vidu svetlosti tako da u njega prodiru fotoni energije h koja je veca od ener-gije Eg . U tom slucaju upadni foton predaje svoju energiju elektronu i preba-cuje ga iz valentne u provodnu zonu, cime se stvara par elektronupljina.Tako nastaju natkoncentracije (excess) elektrona n i upljina p. Neto kon-centracije elektrona i upljina su sada uvecane u odnosu na ravnotene:

n = n0 + n , (1.11a)

p = p0 +p . (1.11b)

Treba primetiti da je np 6= n0p0, jer je pod dejstvom spoljanje pobude sistemizveden iz termicke ravnotee.

Moguca je i rekombinacija izmedu elektrona iz provodne i upljine iz va-lentne zone pri kojoj se energija predaje drugom elektronu u provodnoj, od-nosno upljini u valentnoj zoni. Ova vrsta rekombinacije naziva se Oeova(Auger) rekombinacija i kod hemijski cistog silicijuma nije od veceg znacaja.

Opisani mehanizmi generacije i rekombinacije zasnivaju se na direktnomprelasku elektrona iz valentne u provodnu zonu i obratno (band-to-band). Me-dutim, kristalna reetka silicijuma nije idealna i u njoj su prisutni defekti, kao

1.3. Dopiranje 9

i strani atomi. Njihovo prisustvo unosi dodatne energetske nivoe koji se najce-ce nalaze oko sredine zabranjene zone, a oni se ponaaju kao centri zahvata(traps) elektrona i upljina. Mehanizmi generacije i rekombinacije preko cen-

Slika 1.9: Ilustracija procesa generacije i rekombinacije preko centarazahvata.

tara zahvata ilustrovani na Sl. 1.9 su:

a) elektron iz provodne i upljina iz valentne zone se rekombinuju na centruzahvata;

b) elektron iz provodne zone se rekombinuje sa upljinom iz valentne zonepreko centra zahvata;

c) elektron iz valentne zone prelazi u provodnu zonu preko centra zahvata.

Kako realna kristalna reetka silicijuma sadri dosta defekata, ovi mehanizmirekombinacije dominiraju u odnosu na mehanizme zasnovane na direktnomprelasku iz zone u zonu.

1.3 Dopiranje

Elektricna provodnost silicijuma se moe povecati ugradnjom atoma dru-gih hemijskih elemenata u njegovu kristalnu reetku. Atomi koji se ugradujuse nazivaju primesni atomi (impurities), a sam proces ugradnje se naziva dopi-ranje (doping). Dopiranje je proces koji se odvija na visokim temperaturama(8501200 C). Dopiranje se moe izvriti tako da se poveca koncentracijaslobodnih elektrona ili upljina. U prvom slucaju se dopirani silicijum nazivasilicijum n-tipa, a u drugom silicijum p-tipa.


1.3.1 Silicijum ntipa

Povecanje koncentracije slobodnih elektrona u silicijumu postie se ugrad-njom atoma iz V grupe periodnog sistema (Sl. 1.1) u njegovu kristalnu reetku.Najcece se za dopiranje koriste fosfor ili arsen. Ovi elementi imaju po 5 va-lentnih elektrona, od kojih 4 ucestvuju u kovalentnim vezama sa susednimatomima silicijuma. Peti valentni elektron se prakticno moe smatrati slobod-nim na svim temperaturama od interesa za praktican rad poluprovodnickihkomponenata. Time svaki primesni atom dodaje po jedan slobodni elektronsilicijumu, pa se ovakvi atomi nazivaju donori (Sl. 1.10). Koncentracija do-

donorski atom

slobodni elektron

Slika 1.10: Model kristalne reetke silicijuma sa donorskim prime-sama.

norskih atoma oznacava se sa ND. Slobodni elektroni se mogu kretati unutarkristalne reetke i udaljiti od maticnih atoma, tako da za sobom ostavljaju po-zitivne donorske jone, cija se koncentracija oznacava sa N+D .

Donorski atomi u zabranjenu zonu unose energetski nivo Ed blizak dnuprovodne zone (Sl. 1.11) koji je, teorijski gledano, potpuno popunjen samo natemperaturi apsolutne nule. Poto je valentnom elektronu donorskog atomakoji ne ucestvuje u kovalentnoj vezi sa susednim atomima silicijuma potrebnododati jako malo energije da bi se oslobodio maticnog atoma, na sobnoj tem-peraturi se svi ovi elektroni mogu smatrati slobodnim (odnosno svi donorskiatomi se mogu smatrati jonizovanim). Zbog vece popunjenosti stanja u pro-vodnoj nego u valentnoj zoni Fermijev nivo celog sistema EF se udaljava odsredine zabranjene zone Ei i pomera ka dnu provodne zone, kao na Sl 1.11.

Maksimalna koncentracija donora odredena je granicom rastvorljivosti (so-lid solubility limit) donorskog elementa u silicijumu, koja zavisi od tempera-ture na kojoj se odvija dopiranje. Za fosfor je ta granica 1,2 1021 cm3 na

1.3. Dopiranje 11

Slika 1.11: Poloaji energetskih nivoa u ntipu silicijuma.

1100 C. Kada je koncentracija primesnih atoma veca od 1 1019 cm3 sma-tra se da je silicijum jako dopiran (heavily doped). Efekti jakog dopiranja sutakvi da se silicijum moe vie smatrati provodnikom nego poluprovodnikom iu slucaju dovoljno visoke koncentracije donora Fermijev nivo se pomera iznadenergije dna provodne zone. Jako dopirani poluprovodnik se naziva i dege-nerisani poluprovodnik i oznacava se sa "+" u eksponentu, odnosno silicijumn+tipa.

1.3.2 Silicijum ptipa

Povecanje koncentracije upljina u silicijumu postie se ugradnjom atomaiz III grupe periodnog sistema (Sl. 1.1) u njegovu kristalnu reetku. Najcecese za dopiranje koristi bor. Ovi elementi imaju po 3 valentna elektrona i sviucestvuju u kovalentnim vezama sa susednim atomima silicijuma. Jedna ko-valentna veza, zbog nedostatka cetvrtog elektrona, ostaje neformirana, pa semoe smatrati da na tom mestu postoji upljina. Time svaki primesni atomoduzima po jedan elektron silicijumu, pa se ovakvi atomi nazivaju akceptori(Sl. 1.12). Koncentracija akceptorskih atoma oznacava se sa NA. upljine semogu kretati unutar kristalne reetke i udaljiti od maticnih atoma, tako da zasobom ostavljaju negativne akceptorske jone, cija se koncentracija oznacava saNA . U sutini, kretanje upljina je prividno, zbog toga to njih popunjavajuvalentni elektroni iz nekog od susednih atoma (zbog tenje sistema da uspo-stavi energetsku ravnoteu naruenu pojavom upljine), koji opet za sobomostavljaju upljinu.

Akceptorski atomi u zabranjenu zonu unose energetski nivo Ea blizak vrhuvalentne zone (Sl 1.13) koji je, teorijski gledano, potpuno popunjen samo natemperaturi apsolutne nule. Na sobnoj temperaturi se svi akceptorski atomimogu smatrati jonizovanim, pa u ovom poluprovodniku postoji viak upljinau valentnoj zoni koji je nastao bez stvaranja slobodnih elektrona u provodnoj


akceptorski atom

upljina

Slika 1.12: Model kristalne reetke silicijuma sa akceptorskim prime-sama.

zoni. Zbog vece popunjenosti stanja u valentnoj nego u provodnoj zoni, Fermi-jev nivo celog sistema EF se udaljava od sredine zabranjene zone Ei i pomeraka vrhu valentne zone, kao na Sl 1.13.

Slika 1.13: Poloaji energetskih nivoa u ptipu silicijuma.

Maksimalna koncentracija akceptora odredena je granicom rastvorljivostiakceptorskog elementa u silicijumu, koja zavisi od temperature na kojoj seodvija dopiranje. Za bor je ta granica 3,3 1020 cm3 na 1100 C. Kada jekoncentracija primesnih atoma veca od 5 1018 cm3 smatra se da je silicijumjako dopiran. Efekti jakog dopiranja su takvi da se silicijum moe vie smatratiprovodnikom nego poluprovodnikom i u slucaju dovoljno visoke koncentracijeakceptora Fermijev nivo se pomera ispod energije vrha valentne zone. Jako

1.3. Dopiranje 13

dopirani poluprovodnik i u ovom slucaju se naziva degenerisani poluprovodniki oznacava sa "+" u eksponentu, odnosno silicijum p+tipa.

1.3.3 Kompenzovani silicijum

Kompenzovani silicijum sadri i donorske i akceptorske primese, koncen-tracija ND i NA, respektivno. Ako je ND > NA kompenzovani silicijum je ntipa,a ako je NA > ND kompenzovani slicijum je ptipa. Ako su koncentracije prime-snih atoma jednake, kompenzovani silicijum ima svojstva cistog silicijuma. Zaizracunavanje koncentracija elektrona i upljina u kompenzovanom silicijumukoristi se jednacina elektroneutralnosti:

jednacina elektroneutral-nosti

n0 + NA = p0 + N

+D , (1.12)

pri cemu su n0 i p0 koncentracije elektrona i upljina u termickoj ravnotei.Pod pretpostavkom da su svi primesni atomi jonizovani, moe se napisati:

n0 + NA = p0 + ND . (1.13)

Zamenom p0 iz (1.9) dobija se:

n20 (ND NA)n0 = n2i . (1.14)

Reavanjem kvadratne jednacine (1.14) po n0, uzimajuci u obzir fizicki smisaoreenja, dobija se:

n0 =ND NA

2+

ND NA2

2

+ n2i . (1.15)

Kada je ND NA, tada se (1.15) svodi na n0 = ND, dok je p0 = n2i /ND.Na slican nacin se moe dobiti:

p0 =NA ND

2+

NA ND2

2

+ n2i . (1.16)

Kada je NA ND, tada se (1.16) svodi na p0 = NA, dok je n0 = n2i /NA.

Primer 1.1: Silicijum je dopiran atomima bora cija je koncentracija NA =6 1015 cm3. Na T = 300 K koncentracija elektrona u termickoj ravnoteije:

n0 =n2iNA=(1, 01 1010)2

6 1015 = 1,7 104 cm3 .


Primer 1.2: Na osnovu dijagrama sa Sl. 1.4 je, za T = 325 K, koncentracijasopstvenih nosilaca ni 7 1010 cm3. U silicijumu dopiranom atomima ar-sena koncentracije ND = 2 1017 cm3 je na T = 325 K koncentracija upljinau termickoj ravnotei:

p0 =n2iND=(7 1010)2

2 1017 = 2,4 104 cm3 .

Za T = 300 K je p0 = 5,1 102 cm3.

Treba primetiti da se, kada je ND = NA, jednacine (1.15) i (1.16) svode na(1.1). U kompenzovanom silicijumu ntipa elektroni su vecinski (majority), aupljine manjinski (minority) nosioci naelektrisanja. U kompenzovanom silici-

vecinski i manjinski nosi-oci naelektrisanja jumu ptipa upljine su vecinski, a elektroni manjinski nosioci naelektrisanja.

Kada je u pitanju dopirani poluprovodnik, u praksi se cesto (1.6) aproksi-mira kao:

Ei 1

2(Ec + Ev) , (1.17)

cime se smatra da se Fermijev nivo u hemijski cistom silicijumu Ei nalazi tacnona sredini zabranjene zone. Ako se (1.5a) napie u obliku:

n0 = Nc exp

Ec Ei

kT

exp

EF EikT

,

koricenjem (1.7a) dobija se:

n0 = ni exp

EF EikT

, (1.18)

na osnovu cega se moe odrediti pozicija Fermijevog nivoa u ntipu polupro-vodnika u odnosu na sredinu zabranjene zone:

EF Ei = kT ln

n0ni

. (1.19)

Na slican nacin se moe odrediti pozicija Fermijevog nivoa u ptipu polupro-vodnika u odnosu na sredinu zabranjene zone:

Ei EF = kT ln

p0ni

. (1.20)

Zavisnosti (1.19) i (1.20) prikazane su na Sl. 1.14. Kao to je napomenutou 1.3.1 i 1.3.2, porast koncentracije primesnih atoma uzrokuje udaljavanjeFermijevog nivoa od sredine zabranjene zone.

Primer 1.3: Za silicijum dopiran atomima fosfora cija je koncentracija ND =2 1017 cm3 na temperaturi T = 323 K je, na osnovu (1.19):

EF Ei = kT ln

NDni

.

1.4. Elektricne karakteristike dopiranog silicijuma 15

Slika 1.14: Poloaj Fermijevog nivoa u funkciji koncentracije prime-snih atoma u silicijumu na T = 300K.

Iz dijagrama na Sl. 1.4 je, za 323 K, ni 6 1010 cm3, pa je:

EF Ei = 8, 62 105 323 ln

2 10176 1010

0,42 eV .

1.4 Elektricne karakteristike dopiranog silicijuma

Kada na dopirani silicijum deluje spoljanje elektricno polje, kretanje slo-bodnih nosilaca naelektrisanja postaje usmereno, to za rezultat ima protokelektricne struje. Ovo kretanje se naziva driftovsko kretanje (drift), a samastruja driftovska struja.

1.4.1 Pokretljivost nosilaca naelektrisanja

Ako se na krajeve komada dopiranog silicijuma dimenzija L W H pri-kljuci napon V , u njemu ce se uspostaviti elektricno polje ~E (Sl. 1.15). Poddejstvom elektricnog polja doci ce do usmerenog kretanja slobodnih elektronai upljina, pri cemu ce njihove driftovske brzine ~vdn i ~vdp biti proporcionalnepolju:

~vdn = n ~E , (1.21a)~vdp = p ~E . (1.21b)


V

+

L

W

H

+

-

Slika 1.15: Ilustracija dejstva spoljanjeg napona na dopirani silicijum.

Negativni predznak u (1.21a) odraava cinjenicu da se elektroni krecu su-protno smeru dejstva polja. Velicinen ip nazivaju se pokretljivosti (mobility)elektrona i upljina, respektivno. Jedinica za pokretljivost je cm2 V1 s1. Mak-

brzina zasicenjasimalna brzina kojom se nosioci mogu kretati kroz silicijum naziva se brzinazasicenja (saturation velocity) i iznosi priblino 1 107 cm s1.

Fizicki smisao pokretljivosti nalazi se u prirodi kretanja nosilaca naelektri-sanja kroz kristalnu reetku. Termicke vibracije atoma kristalne reetke silici-juma povecavaju verovatnocu da se slobodni nosioci na svom putu sudare sanjima. Pored toga, oni mogu doci i u interakciju sa jonizovanim primesnimatomima. Na kraju, moguci su i medusobni sudari samih nosilaca. Ovi procesinazivaju se rasejanje (scattering) nosilaca. Pokretljivost generalno opada saporastom temperature i koncentracije primesa. S obzirom da je kretanje u-pljina u stvari kretanje valentnih elektrona (videti 1.3.2), pokretljivost upljinaje, za istu koncentraciju primesa i temperaturu, tipicno 23 puta manja od po-kretljivosti elektrona2. Na primer, za koncentraciju primesa od 1 1015 cm3i T = 300K je n = 1360cm

2 V1 s1, a p = 460cm2 V1 s1.

1.4.2 Driftovska struja

Gustine struja koje proticu kroz silicijum usled drifta elektrona i upljinasu:

~Jn(dr) = qn~vdn , (1.22a)~Jp(dr) = qp~vdp , (1.22b)

pri cemu je q = 1,6 1019 C elementarno naelektrisanje, a n i p koncentracijeelektrona i upljina, respektivno. Negativni predznak u (1.22a) uzima u obzir

2Kvantna fizika ovu pojavu objanjava cinjenicom da je efektivna masa upljina veca odefektivne mase elektrona

1.4. Elektricne karakteristike dopiranog silicijuma 17

cinjenicu da je naelektrisanje elektrona negativno. Ukupna gustina driftovskestruje koja protice kroz silicijum predstavlja zbir struja elektrona i upljina:

~Jdr = ~Jn(dr) + ~Jp(dr) . (1.23)

Zamenom (1.21) u (1.22), (1.23) postaje:

~Jdr = q(nn+p p)~E (A cm2) . (1.24)

1.4.3 Specificna otpornost

Gustina driftovske struje (1.24) se u kompaktnom obliku moe napisatikao:

~Jdr = ~E , (1.25)

pri cemu je specificna provodnost (conductivity). Reciprocna vrednost speci-ficne provodnosti naziva se specificna otpornost (resistivity):

specificna otpornost

=1

=

1

q(nn+p p)( cm) . (1.26)

Specificna otpornost zavisi od koncentracije primesa i temperature. Tipicnezavisnosti su prikazane na Sl. 1.16.

Slika 1.16: Zavisnost specificne otpornosti od koncentracije primesnihatoma za p i ntip silicijuma na T = 300K.


Koricenjem dimenzija sa Sl. 1.15 izraz (1.25) se u skalarnom obliku moenapisati kao:

I

W H =1

V

L, (1.27)

gde je I jacina struje koja protice kroz dopirani silicijum. Lako je uociti da(1.27), u stvari, predstavlja Omov zakon:

Omov zakon

V =L

W H I = RI , (1.28)

gde je R otpornost komada dopiranog silicijuma.

Primer 1.4: Komad silicijuma u obliku kvadra dimenzija 50m10m2m dopiran je fosforom koncentracije ND = 5 1015 cm3. Potrebno je odre-diti otpornost ovakvog silicijumskog otpornika na temperaturi T = 300 K.

Za datu koncentraciju primesnih atoma fosfora, sa Sl. 1.16 specificna ot-pornost silicijuma je 1 cm. Otpornost otpornika je:

R= L

W H = 150 104

(10 104) (2 104) = 25 k .

1.5 Osnovni tehnoloki procesi

Za proizvodnju poluprovodnickih komponenata koristi se veci broj tehno-lokih procesa. Svaki od procesa je dosta sloen u fizickom i hemijskom smislu.Pored toga, postoji veliki broj razlicitih tehnologija kojima se oni realizuju. Uovom potpoglavlju je dat kratak prikaz najznacajnijih procesa, neophodan zarazumevanje strukture osnovnih poluprovodnickih komponenata.

1.5.1 Formiranje supstrata

Osnovni materijal u proizvodnji poluprovodnickih komponenata predstav-lja monokristalni silicijum. On se dobija tehnolokim procesom koji se nazivaizvlacenje monokristala, nakon koga se dobija ipka oblika kao na Sl. 1.17,precnika 2,530 cm, koja se naziva ingot. Tokom procesa izvlacenja odvija sedopiranje primesama p ili ntipa, tako da je rezultujuci ingot homogeno do-piran unutar cele svoje zapremine. Dobijeni ingot se sece na plocice (wafer)debljine 250750m. Ove plocice se nazivaju i supstratske plocice ili, skra-ceno, supstrat (substrate) i predstavljaju osnovu nad kojom se kasnije odvijajusvi tehnoloki procesi.

1.5.2 Epitaksijalni rast

Epitaksija (epitaxy) je proces narastanja monokristalnog silicijuma na si-licijumskom supstratu. Epitaksijalni (epi) sloj moe biti debeo do nekolikodesetina mikrometara (Sl. 1.18). Epitaksija je hemijski proces koji se moe

1.5. Osnovni tehnoloki procesi 19

Ingot

Slika 1.17: Monokristalni silicijum u obliku ingota od koga se dobijajuplocice.

Slika 1.18: Epitaksijalni sloj silicijuma ntipa na supstratu.

realizovati na vie nacina. Tokom epitaksijalnog rasta dodaju se primese, takoda se kao rezultat dobija uniformno dopirani epitaksijalni sloj. Koncentracijaprimesa u epitaksijalnom sloju moe biti veca ili manja od koncentracije pri-mesa u supstratu. Tip primesa u epitaksijalnom sloju moe biti isti ili razlicitu odnosu na tip primesa u supstratu.

1.5.3 Oksidacija

Oksidacija predstavlja proces formiranja sloja silicijumdioksida (SiO2) napovrini silicijuma (Sl. 1.19). Oksidacija moe biti termicka ili hemijska. Ter-micka oksidacija se odvija na temperaturama 8001100 C u prisustvu ki-seonika. Debljina sloja silicijumdioksida dox zavisi od temperature i vre-mena trajanja procesa. Tokom procesa se debljina supstrata smanji za 0, 44


Slika 1.19: Sloj silicijumdioksida (SiO2) na supstratu.

dox , tj. izgubi se deo silicijuma koji ucestvuje u reakciji sa kiseonikom stvara-juci sloj silicijumdioksida. Hemijska oksidacija podrazumeva nanoenje slojasilicijum-dioksida na supstrat procesom depozicije u pari koji se skraceno na-ziva CVD (Chemical Vapour Deposition). Ona se odvija na temperaturama200600 C. Debljina sloja silicijumdioksida zavisi od temperature, pritiskai vremena trajanja procesa. Tehnoloki procesi oksidacije silicijuma omoguca-vaju formiranje slojeva silicijumdioksida cije se debljine krecu u opsegu odpar nanometara do nekoliko desetina mikrometara.

Vano je istaci da je silicijumdioksid dielektrik, odnosno da se u elektric-nom smislu ponaa kao izolator. Ova osobina ga cini posebno pogodnim za

SiO2 je dielektrik. primenu u proizvodnji poluprovodnickih komponenata.Oksidacija se moe vriti i lokalno, na delu povrine plocice, pri cemu se

kao maska koja sprecava narastanje oksida na ostatku povrine koristi silici-jumnitrid (Si3N4).

1.5.4 Fotolitografija

Fotolitografija je proces kojim se definiu abloni (pattern) na povrini ma-terijala. U proizvodnji poluprovodnickih komponenata primenjuje se tako tose povrina plocice najpre prekrije slojem fotoosetljivog materijala koji se na-ziva fotorezist (Sl. 1.20). Nakon toga se fotorezist prekrije fotomaskom nakojoj se nalaze otvori koji predstavljaju ablone. Sledeci korak predstavlja ek-spozicija, odnosno izlaganje maskirane povrine plocice ultraljubucastoj sve-tlosti ili fokusiranom mlazu elektrona. Na povrinama kroz koje svetlost pro-dire kroz masku fotorezist menja svoj hemijski sastav (polimerizuje se). Nakontoga se fotomaska uklanja, a fotorezist izlae hemijskom nagrizanju (etching).Nagrizanje je selektivno, tako da se uklanjaju samo polimerizovani delovi fo-torezista (Sl. 1.21). Zatim se, takode hemijskim postupkom, nagriza silicijum


Slika 1.20: Nanoenje fotorezista (levo) i maskiranje i ekspozicija (de-sno).

Slika 1.21: Nagrizanje fotorezista (levo) i silicijumdioksida (desno).

dioksid, cime se stvaraju otvori do povrine supstrata. Na kraju se fotorezistuklanja (Sl. 1.22), cime je plocica spremna za dalje procesiranje.

Rezolucija fotolitografskog postupka predstavlja najmanju dimenziju otvo-ra koja se moe ostvariti na fotomasci, a u vreme nastanka ovog teksta iznosipar desetina nanometara. Treba napomenuti da fotolitografija ukljucuje i vecibroj medukoraka u procesiranju plocica koji ovde, jednostavnosti radi, nisuprikazani.

1.5.5 Jonska implantacija

Jonska implantacija predstavlja proces ubacivanja primesa u obliku jona usilicijum. Povrina plocice se bombarduje snopom jona primesnog elementa(fosfora, arsena, bora, . . . ), pri cemu silicijumdioksid slui kao barijera, od-nosno maska (Sl. 1.23). Na taj nacin joni se nagomilavaju u sloju neposrednoispod povrine supstrata na onim mestima na kojima su fotolitografskim po-


Slika 1.22: Struktura sa Sl. 1.19 nakon zavrenog fotolitografskog po-stupka.

Slika 1.23: Ilustracija procesa jonske implantacije.

stupkom napravljeni otvori u silicijumdioksidu. Kolicina unetih primesa pre-cizno se moe kontrolisati podeavanjem parametara koji se nazivaju doza ienergija implantacije. Jonska implantacija prakticno predstavlja prvi korak uprocesu dopiranja silicijuma. Da bi se primese distribuirale unutar supstrata,neposredno nakon jonske implantacije potreban je dodatni termicki proces kojise naziva difuzija.

1.5.6 Difuzija

Difuzija predstavlja proces dopiranja silicijuma. Difuzija se odvija na viso-kim temperaturama, tipicno u opsegu 8501200 C. Tokom procesa difuzijedolazi do redistribucije primesnih atoma koji su uneti jonskom implantacijom


u dubinu supstrata (Sl. 1.24). Ako su primese koje difunduju suprotnog tipa

Slika 1.24: Ilustracija procesa difuzije i formiranja pn spoja.

od tipa primesa u supstratu formira se struktura koja se naziva pn spoj (pnjunction). Profil distribucije primesa zavisi pre svega od temperature i vre-

formiranje pn spoja.mena trajanja procesa. Dubina do koje se difundovane primese distribuirajuoznacava se sa x j. Tokom procesa dolazi i do lateralne difuzije primesa ispodsilicijumdioksida tako da se pn spoj iri priblino po 0, 7x j sa svake straneoksidne maske. Ako su primese koje difunduju istog tipa kao primese u sup-stratu, formira se struktura koja se naziva hl spoj (highlow). Koncentracijaprimesa u difundovanoj oblasti je uvek veca od koncentracije primesa u obla-sti u kojoj se difuzija vri (Sl. 1.25). Difuzija se najcece odvija u prisustvukiseonika, pa pri tom nad difuzionim otvorom naraste sloj silicijumdioksida.

Dubine pn spojeva koji se dobijaju difuzijom krecu se u opsegu od pardesetina nanometara do par desetina mikrometara. Plici pn spojevi nastajuposebnom vrstom kratkotrajne difuzije koja se naziva brzo termicko odariva-nje ili, skraceno, RTA (Rapid Thermal Annealing). S druge strane, za dobijanjedubljih pn spojeva se kao izvor primesa ne koristi prethodno implantirani slojjona, vec atomi koji se nalaze u smei odgovarajucih gasova kojima se supstrat-ske plocice izlau na visokoj temperaturi.

1.5.7 Metalizacija

Metalizacija je proces koji ima svrhu stvaranja elektricnih kontakata, kaoi medusobnog povezivanja komponenata koje se nalaze na istom komadu si-licijuma. Nakon difuzije se silicijumdioksid uklanja sa cele povrine plocice.Procesom oksidacije narasta novi, uniformni sloj silicijumdioksida. U pri-meru sa Sl. 1.25 ovaj proces pomera granicu medupovrine Si-SiO2 sa vredno-sti x = 0 na vrednost koja je priblino jednaka vrednosti koja odgovara mak-simalnoj neto koncentraciji primesa (jer se taj deo silicijuma utroi u procesu


1019

1018

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

x (m)

Kon

cen

traci

ja p

rim

esa

(cm

-3)

p

n

xj

neto koncentracija

fosfor (n-supstrat)

bor (p-difuzija)

Slika 1.25: Primer profila primesa u preseku du x ose sa Sl. 1.24; x joznacava dubinu pn spoja.

oksidacije). Na novoformiranom sloju silicijumdioksida se fotolitografskimpostupkom definiu otvori za metal. Nakon toga se CVD postupkom nanosisloj metala preko citave povrine plocice. Narednim fotolitografskim postup-kom se definiu mesta na kojima metal treba da ostane, a ostatak se nagrizasve do silicijumdioksida (Sl. 1.26). Metal dolazi u dodir sa silicijumom kojije jako dopiran tako da se stvara kvalitetan elektricni kontakt koji se nazivaomski kontakt. U slucaju da koncentacija primesa na povrini silicijuma nije

omski kontaktdovoljna za formiranje omskog kontakta, pre metalizacije se vri jo jedna jon-ska implantacija primesa istog tipa (u ovom slucaju bora). Elektricna otpornostomskog kontakta se u prvoj aproksimaciji moe smatrati zanemarljivom.

Radi stvaranja omskog kontakta sa donje strane plocice vri se jonska im-plantacija primesa istog tipa kao to je i tip supstrata. Ovaj proces se obicnoradi na samom pocetku proizvodnje, pre prvog fotolitografskog postupka, takoda tokom narednih termickih procesa ove primese difunduju u supstrat for-mirajuci hl spoj. Koncentracija primesa uz donju povrinu supstrata ostajedovoljno visoka da se taj deo moe smatrati jako dopiranim poluprovodnikom(oznaka n+ u primeru sa Sl. 1.26). Nanoenjem metala sa donje strane plociceostvaruje se omski kontakt sa supstratom.

Uobicajeno se za metalizaciju koristi aluminijum, ali i drugi metali kao tosu titan, nikl ili njihove legure. Debljine metala krecu se u opsegu od par sto-tina nanometara pa do par mikrometara. Umesto metala se na pojedinim me-stima koristi i polikristalni silicijum (polisilicijum) koji se jako dopira tako da


Slika 1.26: Ilustracija procesa metalizacije.

po elektricnoj provodnosti bude blizak metalu. Polisilicijum nema osobinu daprodire u silicijum i silicijumdioksid, kao to je to slucaj kod metala, pa je zatopogodan za metalizaciju iznad vrlo tankih slojeva silicijumdioksida. Za me-talizaciju iznad vrlo plitkih pn spojeva koriste se silicidi (nrp. PtSi, TiS2). Me-talizacija se izvodi i u vie slojeva, medusobno izolovanih silicijumdioksidom.

1.5.8 Pasivizacija

Pasivizacija predstavlja proces hemijskog nanoenja sloja silicijumdioksidapreko cele povrine komponente, pre svega radi zatite od mehanickih otece-nja i uticaja vlage. Ovaj sloj se uobicajeno naziva CVD oksid. Nakon toga sefotolitografskim postupkom na CVD oksidu otvaraju otvori na onim mestimagde elektrode komponente treba da budu povezane sa izvodima na kucitu(Sl. 1.27).

Po zavretku procesa pasivizacije plocice izgledaju kao na Sl. 1.28. Nasvakoj plocici se, u zavisnosti od primenjene tehnologije i precnika, nalazi vecibroj identicnih struktura. Svaka od ovih struktura predstavlja po jedan cip.

cipSvaki cip prolazi grupu elektricnih testova. Odnos broja funkcionalnih cipovau odnosu na ukupan broj na plocici predstavlja prinos (yield). Plocica se zatimsece dijamantskim noem i neispravni cipovi se odbacuju. Ova operacija senaziva probiranje (screening). Za sve proizvodne procese karakteristicno jeda nisu uniformni, pa se cipovi sa najboljim karakteristikama nalaze na srediniplocice.

Ako se na jednom cipu nalazi samo jedna komponenta radi se o diskretnojkomponenti. Ako se na jednom cipu nalazi vie komponenata povezanih u

diskretne komponente iintegrisana kola


Slika 1.27: Ilustracija procesa pasivizacije.

Slika 1.28: ematski prikaz (levo) i realni izgled (desno) plocice na-kon zavretka procesiranja.


elektricno i logicki funkcionalnu celinu radi se o integrisanom kolu.

1.5.9 Enkapsulacija

Kontakti na cipovima se povezuju sa metalnim icama (bonds) pomocuultrazvucnog procesa koji se naziva bondiranje. Nakon toga vri se enkapsu-lacija, odnosno zatvaranje cipa u kucite (Sl. 1.29). Postoji veliki broj tipova

Slika 1.29: Ilustracija komponente u kucitu.

i familija kucita, a njihov izbor pre svega zavisi od vrste i namene kompo-nente/kola, povrine cipa, broja kontakata na cipu i disipacije snage. U svimkucitima cip je hermeticki zatvoren i do njega se ne moe dopreti bez primenedestruktivnih metoda. Treba napomenuti da se pod pojmom cip u tehnickojliteraturi cesto podrazumeva integrisano kolo zapakovano u kucite sa vecimbrojem izvoda.

1.5.10 Sortiranje

Komponente u kucitu prolaze kroz seriju elektricnih testova. Na osnovurezultata testova komponente se sortiraju u podgrupe i obeleavaju na odgo-varajuci nacin, tipicno sufiksom u nazivu (npr. bipolarni tranzistor BC547 sepojavljuje kao BC547A, BC547B i BC457C). Glavna razlika izmedu podgrupaje u opsegu vrednosti pojedinih kriticnih elektricnih parametara. to je op-seg iri, to je vece rasipanje parametara (manufacturing spread) unutar jednepodgrupe, tj. komponenta je, uslovno receno, manje prihvatljiva za zahtevnijeprimene. Tipican primer je klasifikacija mikroprocesora u racunarskoj indu-striji.

Odredeni broj komponenata iz svake proizvedene serije se uzima kao uzo-rak za testove pouzdanosti (reliability). Testovi pouzdanosti obuhvataju iz-laganje komponenata razlicitim naprezanjima (temperatura, vlanost, salini-


tet). Na osnovu rezultata ovih testova komponente se sortiraju u klase, tipicnou klasu visoke pouzdanosti i komercijalnu klasu. Komponente u klasi visokepouzdanosti su namenjene upotrebi pre svega u vojnim uredajima i tzv. kri-ticnim primenama (medicinski uredaji, avio i auto elektronika, itd.), dok sukomponente u komercijalnoj klasi namenjene za optu upotrebu.

Nakon obeleavanja i sortiranja, komponente se pakuju u zbirna pakova-nja. Nacin pakovanja pre svega zavisi od kucita komponente, a pakovanja suprilagodena upotrebi u mainama za automatsku montau komponenata natampane ploce. Najeci oblik pakovanja je traka namotana na kotur (tape-on-reel). Za veca integrisana kola koriste se cevi i palete, oblika posebno prila-godenog konkretnom kucitu. S obzirom da su poluprovodnicke komponenteosetljive na staticki elektricitet, sva pakovanja se izraduju od antistatickih ma-terijala.

GL

AV

A

2DIODE

Dioda je naziv za poluprovodnicku komponentu koja ima dve elektrode,anodu i katodu. Elektricni simbol diode prikazan je na Sl. 2.1. Uobicajena

Anoda Katoda

D

Slika 2.1: Elektricni simbol diode.

slovna oznaka za diodu u elektricnim emama je D.U poluprovodnickoj tehnologiji dioda predstavlja pn spoj, cija je realizacija

opisana u 1.5.6.

2.1 P N spoj

Nakon tehnoloke realizacije, oblast koja obuhvata pdifuziju i nsupstratna Sl. 1.24 se moe posmatrati kao kompenzovani poluprovodnik u cijem jed-nom delu kao slobodni nosioci naelektrisanja dominiraju upljine, a u drugomdelu elektroni. Zamiljena linija dodira p i noblasti, na koordinati x = 0,naziva se metalurki spoj (Sl. 2.2). Unutar ovakvog sistema, zbog tenje zauspostavljanjem ravnotenog stanja, dolazi do difuzije1 slobodnih nosilaca na-elektrisanja sa obe strane spoja, odnosno do njihovog kretanja sa mesta vieka mestu nie koncentracije. upljine, kao vecinski nosioci naelektrisanja u poblasti, krecu se ka noblasti i za sobom ostavljaju negativne akceptorske jone.

1Ovde opisan proces difuzije odnosi se na slobodne nosioce naelektrisanja i ne treba gapoistovecivati sa procesom difuzije primesnih atoma koji je opisan u 1.5.6.

29

30 Diode

---------

---------

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

n-oblastp-oblast

metalurki

spoj

osiromaena oblast Wd

negativni

akceptorski

joni

pozitivni

donorski

joni

IDiff

IDrift

0-xp xn

Slika 2.2: Formiranje ugradenog elektricnog polja na p-n spoju.

Kada predu u noblast postaju manjinski nosioci naelektrisanja i rekombinujuse sa elektronima. Elektroni, kao vecinski nosioci naelektrisanja u noblasti,krecu se ka poblasti i za sobom ostavljaju pozitivne donorske jone. Kadapredu u poblast postaju manjinski nosioci naelektrisanja i rekombinuju se saupljinama. Na taj nacin se u okolini pn spoja stvara osiromaena oblast i-rine Wd , tj. oblast u kojoj nema slobodnih nosilaca naelektrisanja (depletionregion). Zbog uslova elektroneutralnosti osiromaene oblasti, broj slobodnihelektrona koji naputaju donorske jone jednak je broju upljina koje naputajuakceptorske jone. S obzirom da je koncentracija upljina u poblasti veca odkoncentracije elektrona u noblasti (Sl. 1.25), irina osiromaene oblasti xp napstrani ce biti manja od irine osiromaene oblasti xn na nstrani spoja. Osi-osiromaena oblastromaena oblast se naziva jo i oblast prostornog naelektrisanja (space chargeregion), jer u njoj ostaju naelektrisani joni. Naelektrisani joni dovode do stva-ranja elektricnog polja ~E koje se suprotstavlja daljem difuzionom kretanju slo-bodnih nosilaca naelektrisanja. Ovo elektricno polje naziva se ugradeno (builtin) polje.

U elektricnom smislu, difuziono kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanjapredstavlja difuzionu struju IDi f f . Istovremeno, unutar noblasti dolazi do ter-malne generacije upljina, kao manjinskih nosilaca naelektrisanja. Deo ovihupljina, koji se nalazi uz granicu osiromaene oblasti, pod dejstvom ugra-denog elektricnog polja prelazi u poblast. Slicno, deo termalno generisanihelektrona iz poblasti prelazi u noblast. Na taj nacin se stvara driftovska struja

2.1. P N spoj 31

Idri f t . Sistem ulazi u termicku ravnoteu kada je:

IDi f f = IDri f t , (2.1)

cime je opisana cinjenica da, s obzirom da pn spoj sa Sl. 2.2 predstavlja otvo-reno elektricno kolo, ne moe biti ni neto protoka struje. Ovakvo stanje odgo-vara uniformnoj vrednosti energije Fermijevog nivoa EF unutar citavog sistema(Sl. 2.3).

Slika 2.3: Poloaji energetskih nivoa na p-n spoju.

Ugradeno elektricno polje stvara pad napona na osiromaenoj oblasti:

Vbi =kT

qln

NDNAn2i

= Vt ln

NDNAn2i

. (2.2)

Napon Vbi naziva se ugradeni napon diode, a velicina Vt = kT/q termicki na- ugradeni naponpon. Za silicijumske diode na sobnoj temperaturi ugradeni napon se krece uopsegu 0,61 V, a tipicna vrednost iznosi 0,8 V. Za tipicnu vrednost termic-kog napona na sobnoj temperaturi uzima se 26 mV. Pod pretpostavkom da susvi primesni atomi jonizovani, ND u (2.2) odgovara ravnotenoj koncentracijielektrona u noblasti nn0, a NA ravnotenoj koncentraciji upljina u poblastipp0 (u oba slucaja radi se o vecinskim nosiocima naelektrisanja):

nn0 = ND , (2.3a)

pp0 = NA . (2.3b)

Ravnotene koncentracije manjinskih nosilaca naelektrisanja u p i noblastisu, na osnovu (1.9):

np0 =n2iNA

, (2.4a)

pn0 =n2iND

. (2.4b)

32 Diode

irina osiromaene oblasti je:

Wd =

2sq

1

NA+

1

ND

Vbi, (2.5)

gde je s = 0 Si = 1,04 1012 F cm1 dielektricna konstanta silicijuma(0 = 8,85 1014 F cm1 dielektricna konstanta vakuuma, a Si = 11, 8 relativna dielektricna konstanta silicijuma).

2.1.1 Direktna polarizacija

Direktna polarizacija diode predstavlja dovodenje spoljanjeg napona nanjene prikljucke tako da je pozitivan kraj napona na anodi, a negativan nakatodi (Sl. 2.4). Spoljanji napon generie elektricno polje koje je suprotnog

D1

VFID

Slika 2.4: Direktna polarizacija diode.

smera od ugradenog elektricnog polja diode. Pod dejstvom tog polja upljineiz poblasti se krecu ka pn spoju i pri tom nailaze na deo osiromaene obla-sti koji se sastoji od negativnih akceptorskih jona (Sl. 2.2) i koje neutralizuju.S druge strane, elektroni iz noblasti se takode krecu ka pn spoju i pri tomnailaze na deo osiromaene oblasti koji se sastoji od pozitivnih donorskih jonakoje takode neutralizuju. Na taj nacin se ukupna osiromaena oblast suava,pa se samim tim smanjuje i ugradeno elektricno polje. Smanjenje ugradenogelektricnog polja omogucava da vie upljina iz poblasti prede u noblast,a da vie elektrona iz noblasti prede u poblast. Ovaj proces se naziva in-jekcija manjinskih nosilaca. Na granicama (sada suene) osiromaene oblastipojavljuju se koncentracije elektrona np(xp) i upljina pn(xn), koje su znatnovece od ravnotenih vrednosti (2.4), kao to je ilustrovano na Sl. 2.5. Pojavanatkoncentracija manjinskih nosilaca uzrokuje pojavu difuzione struje koja jeznatno veca nego to je to bilo u stanju termicke ravnotee. Balans se odravauz pomoc spoljanjeg napona VF koji daje struju ID:

ID = IDi f f IDri f t . (2.6)

2.1. P N spoj 33

n-oblastp-oblast0-xp xn

np0

np(x) pn0

pn(x)

pn(xn)

np(-xp)

Slika 2.5: Natkoncentracije manjinskih nosilaca na p-n spoju pri di-rektnoj polarizaciji.

Natkoncentracije injektovanih manjinskih nosilaca na granicama osiromaeneoblasti zavise od napona direktne polarizacije VF :

np(xp) = np0 exp

VFVt

, (2.7a)

pn(xn) = pn0 exp

VFVt

. (2.7b)

Tokom difuzije unutar p i noblasti dolazi do rekombinacije, pa se natkon-centracije np(x) i pn(x) smanjuju (Sl. 2.5) i, ako su oblasti dovoljno dugacke,padaju na ravnotene vrednosti. Spoljanji napon dodaje dovoljno elektronada bi se ovakav proces odravao. Ukupna struja kroz diodu je:

struja kroz diodu pri di-rektnoj polarizaciji

ID = IS

exp

VFVt

1

. (2.8)

Struja IS naziva se inverzna struja zasicenja (reverse saturation current) diodei zavisi, u prvoj aproksimaciji, od povrine pn spoja, koncentracije primesa itemperature.

inverzna struja zasicenjaStrujnonaponska karakteristika diode pri direktnoj polarizaciji prikazana

je na Sl. 2.6. Moe se uociti da znacajna struja pocinje da protice tek kadaspoljanji napon VF postane blizak vrednosti ugradenog napona diode Vbi .Nakon toga, struja eksponencijalno raste, u skladu sa (2.8), i za male promenenapona dobijaju se velike promene struje. Uobicajeno se kae da dioda provodistruju u ovim uslovima. Struja koja tece kroz diodu pri direktnoj polarizacijije tipicno reda velicine mA ili veca. Kod realnih dioda se struja pri direktnojpolarizaciji najcece opisuje izrazom:

ID IS exp

VFnVt

, (2.9)

34 Diode

Slika 2.6: Strujnonaponska karakteristika diode pri direktnoj polari-zaciji (linlin razmera).

pri cemu je 1 n 2 faktor idealnosti. Model opisan izrazom (2.8) ne uzimau obzir generacionorekombinacione efekte, koji su znacajni pri malim napo-nima direktne polarizacije. Zbog toga je pri naponima direktne polarizacijeVF < 0,3V faktor idealnosti n = 2. Pri vecim naponima direktne polarizacije(VF > 0,75V) do izraaja dolazi parazitna redna otpornost, koja predstavljazbir otpornosti izvoda, kontakata i otpornosti poluprovodnickog tela diode.Pored toga, pojavljuje se efekat visokih nivoa injekcije nosilaca, kada natkon-centracije manjinskih nosilaca postaju vece od koncentracija primesa u p inoblasti. Oba efekta smanjuju struju kroz diodu, kao to je ilustrovano naSl. 2.7. Pokazuje se da faktor idealnosti n = 2 opet dosta dobro opisuje oveefekte. Izmedu ovih oblasti je faktor idealnosti 1 < n < 2. Vrednost n = 1faktor idealnosti ima tipicno u uskom opsegu napona direktne polarizacije0, 6 < VF < 0,65V.

Za diode u elektricnim kolima je bitna vrednost napona vodenja diode VDkoja predstavlja vrednost napona direktne polarizacije diode pri kojoj strujakroz nju pocinje da ima znacajnu vrednost. Napon vodenja diode se sa strujnonaponske karakteristike dobija u preseku tangente na krivu u njenom ekspo-nencijalnom delu i naponske ose kao to je prikazano na Sl. 2.6.

2.1.2 Inverzna polarizacija i proboj

Inverzna polarizacija diode predstavlja dovodenje spoljanjeg napona nanjene prikljucke tako da je negativan kraj napona prikljucen na anodu, a po-zitivan na katodu (Sl. 2.8). Spoljanji napon generie elektricno polje koje je

2.1. P N spoj 35

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

I D (

A)

VF (V)

uticaj rednih otpornosti i

visokog nivoa injekcije

ID

Slika 2.7: Eksperimentalna strujnonaponska karakteristika diode1N914 [13] pri direktnoj polarizaciji (linlog razmera).

D1

VRIS

Slika 2.8: Inverzna polarizacija diode.

istog smera kao ugradeno elektricno polje diode. Pod dejstvom tog polja u-pljine iz poblasti naputaju okolinu pn spoja ostavljajuci za sobom negativneakceptorske jone. S druge strane, elektroni iz noblasti takode naputaju oko-linu pn spoja ostavljajuci za sobom pozitivne donorske jone. Na taj nacin seukupna irina osiromaene oblasti povecava. Zbog toga se povecava i vrednostugradenog elektricnog polja koje sprecava difuziono kretanje nosilaca naelek-trisanja izmedu p i n oblasti. Jedino se, pod uticajem ugradenog elektricnogpolja, krecu termalno generisani nosioci naelektrisanja, pa je ukupna strujakroz diodu jednaka driftovskoj struji IDri f t , odnosno inverznoj struji zasicenjaIS:

ID = IDri f t = IS . (2.10)

36 Diode

Inverzna struja zasicenja naziva se jo i struja curenja (leakage current). Nasobnoj temperaturi tipicno je reda velicine nA i moe se smatrati nezavisnomod vrednosti spoljanjeg napona inverzne polarizacije VR.

Proboj

Povecanje spoljanjeg napona inverzne polarizacije dovodi vrednost ugra-denog elektricnog polja do granice pri kojoj je ono u mogucnosti da raskinekovalentne veze unutar kristalne reetke u blizini osiromaene oblasti. Na tajnacin se generiu parovi elektronupljina. Generisani elektroni bivaju prevu-ceni na n, a upljine na p stranu spoja, povecavajuci naglo struju kroz diodu.Ovaj proces se naziva Zenerov proboj (Zener breakdown). Pored toga, pri joviim vrednostima inverzne polarizacije, moe se dogoditi da manjinski nosi-oci koji prolaze kroz osiromaenu oblast dostignu dovoljnu kineticku energijuda u sudarima sa atomima kristalne reetke raskidaju kovalentne veze izmedunjih. Na ovaj nacin se generiu novi slobodni nosioci koji, opet, imaju dovoljnukineticku energiju da u sudarima sa drugim atomima kristalne reetke raski-daju kovalentne veze izmedu njih i stvaraju jo slobodnih nosilaca. Rezultatje opet naglo povecanje struje kroz diodu. Proces je kumulativan i zato se na-ziva lavinski proboj (avalanche breakdown). Strujnonaponska karakteristikadiode pri inverznoj polarizaciji i lavinskom proboju prikazana je na Sl. 2.9.

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

IS

VBproboj

VR (V)

I D

Slika 2.9: Strujnonaponska karakteristika diode pri inverznoj polari-zaciji i lavinskom proboju.

Spoljanji napon inverzne polarizacije pri kome nastupa proboj naziva seprobojni napon VB. Pojava odredene vrste proboja zavisi pre svega od teh-nologije izrade diode. Zenerov proboj obicno je dominantan kod dioda sa

2.1. P N spoj 37

probojnim naponom manjim od 5 V, a lavinski proboj kod dioda sa probojnimnaponom vecim od 7 V. Proboj moe nastupiti i kao kombinacija Zenerovog ilavinskog efekta. Proboj nije destruktivna pojava2, to znaci da se smanjenjemspoljanjeg napona inverzne polarizacije ispod vrednosti VB struja kroz diodusmanjuje na vrednost struje IS. Na osnovu Sl. 2.6 i 2.9 moe se izvesti vaanzakljucak:

Dioda je usmeracka komponenta, to znaci da provodi struju samo kadaje direktno polarisana.

U oblasti inverzne polarizacije, sve do proboja, struja IS se moe smatrati za-nemarljivom, pa se kae da dioda ne provodi (blokira) struju kada je inverznopolarisana.

Primer 2.1: Iz prethodnog zakljucka proizilazi i jedna elementarna pri-mena diode, a to je zatita elektronskih kola od suprotne polarizacije. Naime,kod elektronskih uredaja koji se napajaju jednosmernom strujom iz spolja-njeg izvora jednosmernog napona VS (Sl. 2.10), cesto se u praksi dogada dase zamene polovi prikljucka na izvoru. Upotrebom diode na samom ulazu ure-daja sprecava se otecenje elektronskog kola iza nje usled primene suprotnepolarizacije. Prilikom izvodenja ovog vida zatite treba izabrati diodu cija je

D1

VS VINID

Slika 2.10: Zatita elektronskih kola od suprotne polarizacije koricenjem di-ode.

maksimalna dozvoljena stalna jednosmerna struja veca od maksimalne strujekoja je potrebna elektronskom kolu za normalan rad. Jedan nedostatak je utome to je ulazni napon elektronskog kola VIN u odnosu na napon VS umanjenza pad napona na diodi. Drugi nedostatak je u tome da u slucaju vecih op-terecenja protok struje kroz diodu proizvodi znacajnu disipaciju snage, zbogcega je diodi potrebno obezbediti dodatno hladenje. Na primer, ako je po-tronja struje elektronskog kola 1 A, onda je snaga koja se disipira na diodi0,7 V 1A = 0,7W.

2Sve dok je struja kroz diodu u opsegu dozvoljene sa stanovita disipacije snage (videtistr. 47).

38 Diode

2.1.3 Uticaj temperature

S obzirom da temperatura ima znacajan uticaj na elektricne osobine po-luprovodnika, to ce se njena promena odraziti i na strujnonaponske karak-videti Glavu 1teristike diode (Sl. 2.11). Porast temperature uzrokuje smanjenje vrednosti

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

T=25C

T=50C

T=75C

VF (V)

I D (

A)

Slika 2.11: Promena strujnonaponske karakteristike diode sa tempe-raturom pri direktnoj polarizaciji.

napona diode, sa priblino konstantnim temperaturnim koeficijentom:

dVDdT 2 mV C1 . (2.11)

Zbog toga se pri direktnoj polarizaciji struja diode menja kao na Sl. 2.11. Sdruge strane, pri inverznoj polarizaciji dolazi do porasta inverzne struje zasi-cenja diode (Sl. 2.12). Vrednost inverzne struje zasicenja se priblino udvo-strucuje na svakih 10 C porasta temperature.

Sa porastom temperature probojni napon se smanjuje, kada je dominan-tan mehanizam proboja Zenerov proboj. S druge strane, kada je dominantanmehanizam proboja lavinski proboj, probojni napon raste sa porastom tempe-rature.

Uopteno, moe se zakljuciti da porast temperature degradira elektricnekarakteristike diode.

Primer 2.2: Kolo na Sl. 2.13 predstavlja jednostavan diodni termometar.Kroz dve identicne direktno polarisane diode teku konstantne struje I1 i I2,koje su nezavisne od temperature. S obzirom da su diode identicne, njihoveinverzne struje zasicenja su jednake, tj. IS1 = IS2 IS. Razlika napona na

2.1. P N spoj 39

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-10 -8 -6 -4 -2 0

T=25C

T =50C

T =75C

VR (V)

I D (

nA

)

Slika 2.12: Promena strujnonaponske karakteristike diode sa tempe-raturom pri inverznoj polarizaciji.

Slika 2.13: Ilustracija principa rada diodnog termometra.

40 Diode

diodama je:

VD1 VD2 =kT

qln

I1IS

kT

qln

I2IS

=kT

qln

I1I2

.

Vrednosti struja I1 i I2 su poznate, pa je razlika napona direktno proporcio-nalna apsolutnoj temperaturi. Ovo je osnovni princip rada popularnih rucnihkontaktnih digitalnih termometara, pri cemu su diode izdvojene na vrh ter-mometra i zajedno cine temperaturni senzor. Izvori konstantne struje, displeji prateca elektronska kola su smeteni u rucicu termometra. Ovi termometrise strucno nazivaju PTAT (Proportional To Absolute Temperature).

2.1.4 Kapacitivnost

Postojanje osiromaene oblasti na pn spoju (Sl. 2.2) rezultuje pojavom ka-pacitivnosti koja se moe izraziti relacijom koja opisuje kapacitivnost konden-zatora sa ravnim oblogama povrine A i medusobnog rastojanja Wd , izmedukojih je dielektrik dielektricne konstante s:

C j =sA

Wd. (2.12)

Primenom spoljanjeg napona inverzne polarizacije VR, osiromaena oblast seiri, pa se (2.5) moe napisati u obliku:

Wd =

2sq

1

NA+

1

ND

(Vbi + |VR|) . (2.13)

Zamenom (2.13) u (2.12) dobija se:kapacitivnost spoja

C j =C j0

1+|VR|Vbi

n , (2.14)

gde je n = 1/2. Kod realnih dioda je 1/3 n 1/2, to zavisi od oblikaprofila primesa pn spoja (Sl. 1.25). Kapacitivnost C j naziva se kapacitivnostspoja (junction capacitance) ili kapacitivnost osiromaene oblasti. KapacitivnostC j0 predstavlja kapacitivnost spoja u odsustvu spoljanje polarizacije:

C j0 =sA

2sq

1

NA+

1

ND

Vbi

. (2.15)

Pored kapacitivnosti spoja, dioda se karakterie i difuzionom kapacitivno-cu, koja dolazi do izraaja pri direktnoj polarizaciji na visokim ucestanostima.videti 2.1.7

2.1. P N spoj 41

2.1.5 Radna tacka

Postavljanjem otpornika u kolo diode (Sl. 2.14) moguce je ograniciti strujukroz nju pri direktnoj polarizaciji. Iz kola na Sl. 2.14 struja kroz diodu je:

Slika 2.14: Diodno kolo sa otpornikom.

ID1 =VF VD1

R1, (2.16)

pri cemu je VD1 pad napona na diodi D1. Izraz (2.16) u koordinatnom sistemu(VD1, ID1) predstavlja pravu liniju sa koeficijentom pravca (nagibom) 1/R1 iodseckom VF/R1 (Sl. 2.15). Ova prava linija se naziva radna prava (load line).

VD1

I D1

Slika 2.15: Postavljanje radne tacke diode.

42 Diode

Presek radne prave i strujnonaponske karakteristike diode definie radnuradna prava i radna tacka

tacku Q (quiescent point). Radna tacka odreduje struju kroz diodu IQ i padnapona na njoj VDQ pri toj struji. U radnoj tacki dioda ima staticku otpornost:staticka otpornost diode

RD1 =VDQIQ

. (2.17)

Promenom vrednosti otpornika R1 menja se, za poznatu vrednost VF , nagibradne prave, pa time i pozicija radne tacke na strujnonaponskoj karakteristicidiode.

2.1.6 Model za male signale

Pod malim signalima (small signal) se u elektronici generalno podrazume-vaju naizmenicni elektricni signali cije su amplitude mnogo manje od vrednostijednosmernih signala u kolu. To znaci da, ako je naizmenicni signal ugaoneUgaona brzina = 2 f

se u domacoj strucnoj lite-raturi cesto naziva krunaucestanost.

brzine u kolu sa Sl. 2.16 oblika3:

vin = Vin sin(t) , (2.18)

onda je Vin VF . Ulazni napon vI N je, po principu superpozicije:

Slika 2.16: Diodno kolo sa naizmenicnom pobudom.

vI N = VF + vin . (2.19)

Napon na diodi vD1 ce biti zbir jednosmerne i naizmenicne komponente:

vD1 = VD1 + vd1 . (2.20)

S obzirom da je, za datu vrednost VF , radna tacka diode odredena izboromotpornika R1, to ce se napon na diodi u okolini radne tacke menjati kao na

2.1. P N spoj 43

Slika 2.17: Mali signali u okolini radne tacke diode.

Sl. 2.17. Zbog strmine strujnonaponske karakteristike, mala promena naponavd1 izazvace veliku promenu struje id1 kroz diodu u okolini radne tacke.Odnos ovih promena definie dinamicku otpornost diode:

rd1 =vd1id1

. (2.21)

Ako se na strujnonaponsku karakteristiku povuce tangenta u radnoj tacki,onda njen nagib odgovara reciprocnoj vrednosti dinamicke otpornosti, kao toje ilustrovano na Sl. 2.17.

Ako je trenutna vrednost napona na diodi vD1 onda je, prema (2.9), tre-nutna vrednost struje kroz diodu:

iD1 = IS exp

vD1nVt

= IS exp

VD1 + vd1nVt

= IS exp

VD1nVt

exp

vd1nVt

= ID1 exp

vd1nVt

, (2.22)

pri cemu je ID1 jednosmerna komponenta struje kroz diodu. Ako je: za x 1 je:exp(x) 1+ x .3Uobicajeno je da se u osnovnoj analizi elektronskih kola mali signali uzimaju kao prosto-

periodicni.

44 Diode

vd1nVt 1 , (2.23)

onda se (2.22) moe napisati u obliku:aproksimacija za male sig-nale

iD1 ID1

1+vd1nVt

. (2.24)

S obzirom da je na sobnoj temperaturi Vt = 26mV, treba primetiti da aprok-simacija (2.24) u praksi vai samo za naizmenicne signale cije su amplitude uopsegu 510 mV, u zavisnosti od vrednosti n. Drugim recima, smatra se da jedeo strujnonaponske karakteristike u okolini radne tacke linearan (Sl. 2.17).U tom slucaju ce izlazni signal po obliku odgovarati ulaznom signalu, tj. necebiti izoblicen.

Poto je u radnoj tacki ID1 = IQ, iz (2.24) se moe napisati:

iD1 = IQ +IQ vd1nVt

= IQ +vd1rd1= IQ + id1 (2.25)

pri cemu je id1 naizmenicna komponenta struje kroz diodu. Iz (2.25) je dina-micka otpornost diode:

dinamicka otpornost di-ode rd1 =

nVtIQ

, (2.26)

to dovodi do zakljucka da se, uz koricenje aproksimacije za male signale,dinamicka otpornost diode moe odrediti koricenjem jednosmerne struje uradnoj tacki. Ekvivalentno kolo za male signale dobija se zamenom diode ukolu sa Sl. 2.16 njenom dinamickom otpornocu i kratkim spajanjem izvora VF(Sl. 2.18). Ekvivalentno kolo za jednosmerne signale isto je kao na Sl. 2.14.

R1

vin

+

vd1

id1

rd1

Slika 2.18: Ekvivalentno kolo za male signale diodnog kola sa Sl. 2.16.

2.1. P N spoj 45

2.1.7 Difuziona kapacitivnost

Primena malog naizmenicnog signala superponiranog na jednosmerni sig-nal u radnoj tacki diode (Sl. 2.16) uticace na natkoncentracije nosilaca napn spoju, tako to ce se one naizmenicno povecavati i smanjivati, kao to jeilustrovano na Sl. 2.19. Ako se ukupno naelektrisanje natkoncentracija ma-

n-oblastp-oblast0-xp xn

np0

np(x)

pn0

pn(x)

Slika 2.19: Ilustracija promene natkoncentracija manjinskih nosilacana pn spoju diode u kolu sa Sl. 2.16.

njinskih nosilaca u blizini granica osiromaene oblasti oznaci sa Q, onda semoe napisati:

difuziona kapacitivnost

Cd =dQ

dV, (2.27)

gde je Cd difuziona kapacitivnost, a V napon na diodi. Difuziona kapacitivnostdolazi do izraaja pri visokim ucestanostima naizmenicnih signala i znatno jeveca od kapacitivnosti spoja C j . Difuziona kapacitivnost i dinamicka otpornostu paralelnoj vezi predstavljaju ekvivalentno kolo diode za male signale privisokim ucestanostima (Sl. 2.20).

rd

Cd

Slika 2.20: Ekvivalentno kolo diode za male signale pri visokim uce-stanostima.

46 Diode

2.2 Tipovi dioda

2.2.1 Tehnicke specifikacije

Tehnicke specifikacije (datasheet) predstavljaju skup podataka koji karak-teriu diodu, pre svega sa stanovita primene u elektronskim kolima 4. Podacise generalno mogu podeliti u tri grupe:

numericki parametri

parametarski dijagrami

mehanicki podaci

Numericki parametri se prikazuju u tabelarnom obliku i obuhvataju:

granicne radne uslove (Absoulte Maximum Ratings),

termicke karakteristike (Thermal Characteristics),

tipicne vrednosti elektricnih karakteristika (Electrical Characteristics).

Parametarski dijagrami predstvaljaju skup dijagrama koji opisuju promenekarakteristika diode, a u zavisnosti od radnih uslova.

Mehanicki podaci obuhvataju opis i dimenzije kucita diode, kao i zbirnihpakovanja u kojima se isporucuju.

Primer 2.3: Tabela 2.1 prikazuje izvod iz tehnickih specifikacija dioda fa-milije 1N4000, koja obuhvata sedam tipova (1N40011N4007), a koji se od-nosi na granicne radne uslove. Standardna inenjerska praksa prilikom pro-

Tabela 2.1: Granicni radni uslovi za diode familije 1N4000 [14].

MAXIMUM RATINGS

Rating Symbol 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007 Unit

Peak Repetitive Reverse Voltage

Working Peak Reverse Voltage

DC Blocking Voltage

VRRMVRWM

VR

50 100 200 400 600 800 1000 V

NonRepetitive Peak Reverse Voltage

(halfwave, single phase, 60 Hz)

VRMS 60 120 240 480 720 1000 1200 V

RMS Reverse Voltage VR(RMS) 35 70 140 280 420 560 700 V

Average Rectified Forward Current

(single phase, resistive load,

60 Hz, TA = 75C)

IO 1.0 A

NonRepetitive Peak Surge Current

(surge applied at rated load conditions)

IFSM 30 (for 1 cycle) A

Operating and Storage Junction

Temperature Range

TJTstg

65 to +175 C

jektovanja elektricnih kola je da se komponente ne izlau, cak ni kratkotrajno,granicnim radnim uslovima. Iskustveno pravilo je da, prilikom proracunakola, kao najgori moguci slucaj treba uzimati vrednosti koje su maksimalno

4Ovde opisana struktura tehnickih specifikacija odnosi se i na ostale poluprovodnicke kom-ponente, pa zato nece biti predmet posebnog razmatranja u narednim poglavljima.

2.2. Tipovi dioda 47

oko 80% vrednosti granicnih radnih uslova. Na primer, ako se u kolu upo-trebljava dioda 1N4002, poeljno je obezbediti da efektivna vrednost naponainverzne polarizacije (RMS Reverse Voltage VR(RMS)) na njoj ne bude veca od55 V (u tehnickim specifikacijama se daju apsolutne vrednosti; realno, radi seo naponu VR(RMS) = 55 V).

Tabela 2.2 prikazuje izvod iz tehnickih specifikacija dioda familije 1N4000koji se odnosi na termicke karakteristike. Od posebnog znacaja je disipacija

Tabela 2.2: Termicke karakteristike za diode familije 1N4000 [14].

THERMAL CHARACTERISTICS

Rating Symbol Typ Max Unit

Power Dissipation PD 3 W

Thermal Resistance, Junction to Ambient C/WRJA 50

snage PD, koja je, prema Vatovom zakonu, definisana kao: disipacija snage

PD = I V , (2.28)

pri cemu je I struja kroz diodu, a V napon na diodi, bilo pri direktnoj iliinverznoj polarizaciji. Disipacija snage je ogranicenje koje obavezno trebauzeti u obzir prilikom projektovanja elektronskih kola, a ako je neophodnostruja kroz diodu se moe ograniciti otpornikom. Termicka otpornost R JA termicka otpornostili, skraceno, JA predstavlja razliku temperatura izmedu cipa i okoline kojase pojavljuje po svakom W disipirane snage. Ovaj parametar je od znacajaprilikom izbora velicine i materijala hladnjaka. videti Primer 3.4

Tabela 2.3 prikazuje izvod iz tehnickih specifikacija dioda familije 1N4000,koji se odnosi na tipicne vrednosti elektricnih karakteristika. Ove vrednosti se

Tabela 2.3: Tipicne vrednosti elektricnih karakteristika za diode familije1N4000 [14].

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Rating Symbol Typ Max Unit

Maximum Instantaneous Forward Voltage Drop, (iF = 1.0 Amp, TJ = 25C) vF 0.93 1.1 V

Maximum Full Cycle Average Forward Voltage Drop, (IO = 1.0 Amp, TL = 75C, 1 inch leads) VF(AV) 0.8 V

Maximum Reverse Current (rated DC voltage)

(TJ = 25C)

(TJ = 100C)

IR0.05

1.0

10

50

mA

Maximum Full Cycle Average Reverse Current, (IO = 1.0 Amp, TL = 75C, 1 inch leads) IR(AV) 30 mA

definiu prema skupu standarda u mikroelektronskoj industriji koji se nazivaJEDEC (www.jedec.org). Svaka od vrednosti se definie za odgovarajuceradne uslove. Na primer, tipicna vrednost pada napona na diodi pri direktnojpolarizaciji VF = 0,95 V definisana je za protok struje kroz diodu od 1 A natemperaturi od 25 C.

Na Sl. 2.21 prikazane su strujnonaponske karakteristike dioda familije1N4000 pri direktnoj polarizaciji. U ovom slucaju parametar je temperatura.Za diode se jo, kao standardni, daju i parametarski dijagrami funkcija IR =f (VR) i C j = f (VR).

Na Sl. 2.22 prikazan je izvod iz tehnicke specifikacije proizvodaca koji seodnosi na tip kucita i njegove dimenzije, za diode familije 1N4000. Kucitapoluprovodnickih komponenata definisana su JEDEC standardima. U ovom

www.jedec.org

48 Diode

Slika 2.21: Strujnonaponske karakteristike pri direktnoj polarizaciji za di-ode familije 1N4000. TC je temperatura kucita diode. Adapta-cija na osnovu tehnicke specifikacije proizvodaca [14].

PACKAGE OUTLINE DIMENSIONS in inches (millimeters)

1.0 (25.4)

MIN.

1.0 (25.4)

MIN.

0.205 (5.2)

0.160 (4.1)

0.107 (2.7)

0.080 (2.0)

DIA.

0.034 (0.86)

0.028 (0.71)

DIA.

DO-204AL (DO-41)

Slika 2.22: Dimenzije kucita za diode familije 1N4000 [14].


slucaju prikazano je kucite DO-41 iz DO-Xx familije kucita. U pitanju je radi-jalno kucite sa izvodima za montau kroz rupe na tampanoj ploci (throughhole). Na kucitu je katoda obeleena obojenim prstenom. Dimenzije kucitase uobicajeno daju u milimetrima i incima (1in= 25,4 mm).

2.2.2 Ispravljacke diode

Usmeracka svojstva dioda omogucavaju pretvaranje naizmenicnih signalakoji imaju pozitivne i negativne vrednosti u signale sa iskljucivo pozitivnimili negativnim vrednostima. Ovaj postupak se naziva ispravljanje signala, adiode koje se pri tom koriste ispravljacke (rectifying) diode. Signali koji seispravljaju najcece su prostoperiodicni, a njihove amplitude mogu biti znatnovece od napona vodenja diode. Osnovno kolo za ispravljanje prikazano je naSl. 2.23. Tokom pozitivne poluperiode ulaznog signala vin dioda provodi struju

D1

1N4003

vin

+

vout

Slika 2.23: Kolo za polutalasno ispravljanje.

koja stvara pad napona vout na otpornosti opterecenja RL. Amplituda izlaznog Otpornost opterecenja sekonvencionalno oznacavakao RL(oad).

napona umanjena je za pad napona na diodi (Sl. 2.24). Tokom negativnepoluperiode dioda ne provodi, pa kroz otpornik RL ne tece struja. Pri tome,amplituda ulaznog napona ne sme biti veca od probojnog napona diode. Ovavrsta ispravljanja naziva se polutalasno (halfwave) ispravljanje naizmenicnogsignala.

U praksi se za ispravljanje naizmenicnog signala najcece koristi kolo pri-kazano na Sl. 2.25, koje se sastoji od cetiri diode povezane u konfiguracijumosta. Tokom pozitivne poluperiode ulaznog napona provode diode D1 i D2,a diode D3 i D4 su zakocene. Situacija je obrnuta tokom negativne poluperiode,kada provode diode D3 i D4, dok su diode D1 i D2 zakocene. Rezultat je da seobe poluperiode ulaznog napona pojavljuju kao ispravljene na izlazu. Ova vr-sta ispravljanja naziva se punotalasno (fullwave) ispravljanje naizmenicnogsignala. Amplituda izlaznog napona umanjena je za dvostruku vrednost pada Punotalasni ispravljac sa

Sl. 2.25 se u domacojstrucnoj literaturi cestonaziva Grecov spoj.

50 Diode

Slika 2.24: Eksperimentalni talasni oblici ulaznog i izlaznog napona ukolu za polutalasno ispravljanje sa Sl. 2.23.

D1

vin

D3

D4D2 10KRL

+

vout

struja tokom pozitivne poluperiode

struja tokom negativne poluperiode

Slika 2.25: Kolo za punotalasno ispravljanje.


napona na diodi (Sl. 2.26). Punotalasni ispravljac je efikasniji od polutalasnog

Slika 2.26: Eksperimentalni talasni oblici ulaznog i izlaznog naponau kolu za punotalasno ispravljanje sa Sl. 2.25 (D1D4:1N4003; RL = 10k).

ispravljaca jer su prakticno iskoricene obe poluperiode ulaznog napona.Izlazni napon sa Sl. 2.25 moe se smatrati ispravljenim sa stanovita znaka,

ali se i dalje menja u vremenu. Da bi se pretvorio u jednosmerni napon kon-stantne amplitude, na izlaz punotalasnog ispravljaca dodaje se kondenzatorC , kao to je ilustrovano na Sl. 2.27 (pri cemu su cetiri diode sa Sl. 2.25 zame-njene ematskim simbolom U1). Kondenzator ce se puniti preko dioda sve dok

RL vin

~~

- +

U1

C+

VOUT

Slika 2.27: Kolo za punotalasno ispravljanje sa izlaznim kondenzato-rom.

52 Diode

ispravljeni napon vout sa Sl. 2.25 raste. Kada ispravljeni napon prede maksi-malnu vrednost i pocne da opada, kondenzator ce poceti da se prazni prekootpornosti RL . Vreme pranjenja kondenzatora zavisi od vremenske konstante = RLC . Sa nailaskom nove poluperiode ispravljenog napona kondenzatorvideti [15]se ponovo puni i proces se ciklicno ponavlja. Efekat izlaznog kondenzatorana punotalasni ispravljeni napon VOUT prikazan je na Sl. 2.28. Povecanjem

Slika 2.28: Efekat izlaznog kondenzatora na punotalasni ispravljeninapon (RL = 10k).

kapacitivnosti povecava se vremenska konstanta, pa se samim tim kondenza-tor sporije prazni. Time se smanjuje talasnost (ripple) izlaznog napona Vr(pp).Izlazni kondenzator se naziva filtarski kondenzator ili kondenzator za porav-nanje napona (smoothing capacitor).

Ispravljacke diode se tehnoloki realizuju kao standardne silicijumske di-ode. Najcece su u upotrebi diode serije 1N4000. Punotalasni ispravljaci se re-alizuju kao monolitna kola, u kojima su sve cetiri diode integrisane na jednomcipu, a mogu biti i diskretne, unutar jednog kucita. Kucita mogu biti razli-cita, u zavisnosti od predvidenog nacina montae i disipacije snage (Sl. 2.29).

Primer 2.4: Standardna primena ispravljackih dioda je u uredajima za is-pravljanje mrenog napona, poznatim pod skracenim nazivom ispravljaci. Kodovih uredaja se mreni napon, preko osiguraca F1 dovodi na primar transfor-matora T1 (Sl. 2.30). Vrna (peak) vrednost ulaznog mrenog napona naprimaru je:

Vp(pri) =p

2 230 325 V .

2.2. Tip

Documents

Uvod u POLUPROVODNICKEˇ KOMPONENTEmikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/files/Poluprovodnici.pdf · izolatora i provodnika nazivaju se poluprovodnici. Poluprovodnici mogu biti hemijski