Overzicht derde college SVR “Actieve electronica: dioden & transistoren” doping in halfgeleiders eigenschappen van de p-n overgang enkele schakelingen met dioden Transistoren (bipolair) slim gebruik van p-n-p en n-p-n overgangen emitter - basis - collector differentiële versterking enkele schakelingen met transistoren

Electrische geleiding vertoont veel spreiding Metalen ijzer 1.5 x 10-7 m koper 2.2 x 10-8 m koper (77K) 0.2 x 10-8 m Isolatoren geleiding beperkt door onzuiverheden > 1010 m Halfgeleiders “float-zone refined” silicium 1.0 x 102 m silicium met 4 x 1015 cm-3 n-doping 1.0 x 10-2 m silicium met 2 x 1016 cm-3 p-doping 1.0 x 10-2 m (atomaire dichtheid silicium 1.4 x 1022 cm-3)

Halfgeleiders Halfgeleiders geleiden half (tussen metaal en diëlectricum) Bijna alle elektronen zijn “afgepaard” Kleine badgap (beetje thermisch aangeslagen vrije lading) Voorbeelden van halfgeleiders Silicium Germanium, Gallium-arsenide (GaAs), … Doping bepaald elektrische eigenschappen n-silicium door toevoeging van donoren: 5-waardig (N, P, As) p-silicium door toevoeging van acceptoren: 3-waardig (B, Al, Ga)

Electron bandstructuur van Silicium Indirecte bandkloof (bandgap)  1.1 eV Soorten ladingsdragers: Elektronen Gaten (3 soorten) Licht Zwaar Split-off

Doping van halfgeleiders “n- & p-type” Doping in ppm (10-6) range Large effect on concentration of free carrier, because hardly any carriers in undoped material (paired electrons) most doping atoms releases their “excess charge” n-type p-type N.B. gat  positron

Contact tussen p en n type halfgeleider Fermi niveau  = Chemische potentiaal Hook & Hall 6.1

Formelere beschrijving van p-n overgang Bezettingsgraad niveaus = Fermi-Dirac verdeling Chemische potentiaal = Fermi-niveau =  losse delen: p-type n-type verbonden: Fermi niveau 

De p-n overgang Meerderheids ladingsdragers combineren op grensvlak Verarmingslaag Ingebouwde potentiaalsprong (niet direct meetbaar) Balans: diffusiestroom van meerderheidslading, spanningsgedreven stroom van minderheidslading Regtien-9.1

p-n overgang in detail Vraag: Welke ladingsstromen lopen er in evenwicht ? Wat verandert er “uit evenwicht”?

Internal structure of p-n junction Hook & Hall 6.2

p-n junction under bias conditions Forward bias: Reverse bias: Question: What is the thickness of the depletion region? What happens with the drift & diffusion current? Hook & Hall 6.3

Karakteristieken van p-n overgang Drie regiems: Zener, Sper (reverse), Voorwaards (forward) kT/q = 25 meV (kT bij kamertemp.) kT/q = 25 meV I0 sperstroom of lekstroom (Uk  0.6 V) Vraag: Wat is de differentiële weerstand van een diode ? Regtien-9.2 & 9.3

Ladingstransport in Zener regiem Hook & Hall 6.5

1. Spanningsbegrenzing met diodes (Uk  0.6 V) Regtien-9.6

2. Maximumzoeker met diode Regtien-9.8

Gelijkrichting met diodes Diodebrug van Graetz Regtien-9.13

Wat is U0/Ui in dit schema ? Regtien-opg.9.6

Bipolaire transistoren Twee dioden “zij-aan-zij” Regtien-10.1

Ladingstransport in bipolaire transistor Het geheim van de bipolaire transistor: dunne basislaag (1 - 10 m) doorschietende ladingsdragers Hoe werken bipolaire transistoren? Bij n-p-n transistor staat emitter-basis overgang open. Elektronen uit emitter schieten door dunne basislaag en bereiken basis-collector overgang (die in sper staat). Het interne electrische veld trekt ze door de verarmingslaag (depletion zone) heen. Bij voldoende dunne basislaag zullen de meeste elektronen doorschieten van emitter naar collector, slechts een klein deel bereikt de basis => IC >> IB Regtien-10.1

Ladingstransport in detail

Ladingstransport in detail Hook & Hall 6.8

Karakteristieken van bipolaire transistor 1. Spanningsgestuurde stroombron 2. Stroomversterkingsfactor  UBE  0.6 V   20 - 1000 Regtien-10.2

Transistoren (een kort overzicht) Nulde-orde aanpak: 1. Transistor open bij vast voltage VBE  0.6 V 2. Basis trekt vrijwel geen stroom (»1) Eerste-orde aanpak: 1. VBE verandert toch een beetje (eindige steilheid s = 1/Rdiff ) 2. Eindige “stroomversterking ” Toepassingen van transistoren Voltage-stroom omzetter (Regtien §10.2.1) Voltage versterker (Regtien §10.2.2 en 10.2.3) Emitter volger = buffer versterker (Regtien §10.2.4)

Vervangingsschema transistor Gebruik als spannings-stroom omzetter Vraag: Wat is de relatie tussen IC en Ui ? Regtien-10.5 & 10.6

Transistor als spanningsversterker Instelling werkpunt is heel belangrijk !! Differentiële versterking rond werkpunt Regtien-10.7 & 10.10

Transistor als spanningsversterker Instelling werkpunt is heel belangrijk !! Differentiële versterking rond werkpunt UB(t) = UB,0 + ui sin(t) UC(t) = UC,0 + uo sin(t+) A = uo/ui Regtien 10.10

Vervangingsschema AC spanningsversterker Spanningsversterker met instelling basisspanning capacitieve koppeling van ingang en uitgang Regtien-10.11

Vergroting van hoogfrequente versterking Extra condensator ! Regtien-10.12

Emittervolger (als bufferversterker) Vb. RE = 10 k, Iwerk = 1.0 mA,  = 200 => Rin = RE/  = 2 M Rout = re = 25  Regtien-10.13

Samenvatting SVR3 Halfgeleiders & doping Dioden als p-n overgang Transistoren uit p-n-p en n-p-n overgangen Schakelingen met dioden & transistoren Spanningsbegrenzers & piekzoekers Spanningsstroomomzetters Spanningsversterkers, … ZELFSTUDIE: Regtien Hoofdstukken 9, 10, 11