ELEKTRONIKA ANALOGOWA

Transkrypt

1 NIWESYTET LSKI WYDZIAŁ TECHNIKI INSTYTT INFOMATYKI ZAKŁAD KOMPTEOWYCH SYSTEMÓW STEOWANIA ELEKTONIKA ANALOGOWA Konspekt wykładu dla studentów kierunków Wychowanie Techniczne Informatyka Prof. dr hab. in. Zygmunt Wróbel Sosnowiec 999r.

2 SPIS TECI OZDZIAŁ I. ELEKTONICZNE ELEMENTY BIENE EZYSTOY KONDENSATOY KONDENSATOY STAŁE KONDENSATOY ZMIENNE...3 OZDZIAŁ II. MATEIAŁY PÓŁPZEWODNIKOWE MODEL PASMOWY PÓŁPZEWODNIK SAMOISTNY PÓŁPZEWODNIK TYP N I TYP P...8 OZDZIAŁ III. PÓŁPZEWODNIKOWE ELEMENTY BIENE TEMISTO WAYSTOY... OZDZIAŁ IV. ZŁCZE P-N WASTWA ZAPOOWA W ZŁCZ P-N. MODEL PASMOWY ZŁCZA POLAYZACJA ZŁCZA P-N W KIENK PZEWODZENIA POLAYZACJA ZŁCZA P-N W KIENK ZAPOOWYM ZJAWISKO TNELOWE...30 OZDZIAŁ V. DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE DIODY POSTOWNICZE DIODY STABILIZACYJNE (STABILITONY) DIODY ZENEA DIODY POJEMNOCIOWE DIODY PZEŁCZAJCE DIODA TNELOWA...40 OZDZIAŁ VI.TANZYSTOY BIPOLANE PODZIAŁ TANZYSTOÓW BIPOLANYCH ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA KŁADY PACY TANZYSTOA CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA PACJCEGO W KŁADZIE OB CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA PACJCEGO W KŁADZIE OE STAN PACY I PAAMETY TANZYSTOA SCHEMATY ZASTPCZE TANZYSTOA...5 OZDZIAŁ VII. TANZYSTOY POLOWE JFET TANZYSTOY POLOWE ZŁCZOWE JFET ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA POLOWEGO JFET PAAMETY I CHAAKTEYSTYKI TANZYSTOA POLOWEGO JEFT SCHEMAT ZASTPCZY TANZYSTOA ZŁCZOWEGO TANZYSTOY Z IZOLOWAN BAMK MOSFET ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA MIS (MOS) CHAAKTEYSTYKI TANZYSTOÓW MOSFET...6 OZDZIAŁ VIII. ELEKTONICZNE ELEMENTY PZEŁCZAJCE TANZYSTO JEDNOZŁCZOWY DYNISTO DIAK TYYSTO TIAK...70 OZDZIAŁ IX. ELEMENTY OPTOELEKTONICZNE...7 4

3 9.. DIODA ELEKTOLMINESCENCYJNA WŁACIWOCI OPTYCZNE I ELEKTYCZNE DIODY LED FOTOEZYSTO FOTODIODA FOTOTANZYSTO FOTOTYYSTO TANSOPTOY OZDZIAŁ X. WZMACNIACZE PODSTAWOWE KŁADY WZMACNIAJCE KŁAD O WSPÓLNYM EMITEZE WE KŁAD O WSPÓLNYM KOLEKTOZE WC KŁAD O WSPÓLNEJ BAZIE WB SPZENIE ZWOTNE WE WZMACNIACZACH WZMACNIACZE OPEACYJNE WZMACNIACZ ODWACAJCY WZMACNIACZ NIEODWACAJCY WTÓNIK NAPICIOWY WZMACNIACZ ODEJMJCY WZMACNIACZ SMJCY WZMACNIACZ CAŁKJCY INTEGATO WZMACNIACZ ÓNICZKJCY KONWETE PD NAPICIE PZESWNIK FAZY... 4 OZDZIAŁ XI. GENEATOY GENEATOY NAPICIA SINSOIDALNEGO WZMACNIACZ JAKO GENEATO. WANKI GENEACJI PAAMETY GENEATOÓW PZEBIEG SINSOIDALNEGO GENEATO LC ZE SPZENIEM ZWOTNYM GENEATO MEISSNEA GENEATO Z MOSTKIEM WIENA GENEATO C Z PZESWNIKIEM FAZY... 3 OZDZIAŁ XII. MODLACJA I DEMODLACJA MODLACJA AMPLITDY MODLACJA STPOCENTOWA I PZEMODLOWANIE MODLATOY AMPLITDY MODLACJA CZSTOTLIWOCI MODLATOY CZSTOTLIWOCI (FM) DEMODLACJA OZDZIAŁ XIII. KŁADY ZASILAJCE POSTOWNIKI POSTOWNIK JEDNOPOŁÓWKOWY POSTOWNIK DWPOŁÓWKOWY DOBÓ DIOD POSTOWNICZYCH STOSOWANYCH W POSTOWNIKACH POSTOWNIK TYYSTOOWY STABILIZATOY STABILIZATO Z DIOD ZENEA STABILIZATO ZE SPZENIEM ZWOTNYM STABILIZATO TANZYSTOOWY ZABEZPIECZENIA STABILIZATOÓW OZDZIAŁ XIV. PZETWONIKI ANALOGOWO-CYFOWE I CYFOWO- ANALOGOWE PZETWONIKI C/A PZETWONIKI A/C PODSTAWOWE CZŁONY PZETWONIKÓW BIBLIOGAFIA

4 6

5 7

6 ozdział I. ELEKTONICZNE ELEMENTY BIENE Elementy bierne to kondensatory, rezystory i elementy indukcyjne. Elementy, które s tego samego rodzaju maj wspóln właciwo podstawow a róne właciwoci drugorz dne. Czego przykładem mog by rezystory. S one wykonywane z rónych materiałów i w zwizku z tym maj inne zastosowania, nazwy oraz symbole graficzne... EZYSTOY ezystory spełniaj wiele podstawowych i pomocniczych funkcji w układach elektronicznych. Poprzez rezystory doprowadza si odpowiednie prdy zasilajce do elementów czynnych, rezystory pełni rol elementów stabilizujcych punkty pracy tranzystorów, lamp elektronowych a take słu do kształtowania charakterystyki wzmacniaczy itp. ezystory dzielimy w zalenoci od: cech funkcjonalnych na: - rezystory - potencjometry - warystory - magnetorezystory qaussotrony charakterystyki prdowo napi ciowej na: - liniowe - nieliniowe stosowanego materiału oporowego na: - drutowe - niedrutowe ezystory liniowe dzielimy na stałe i zmienne. W rezystorach zmiennych mona zmienia wartoci rezystancji (rezystory nastawne lub regulacyjne) lub stosunek podziału rezystancji (potencjometry). ezystor liniowy w normalnych warunkach pracy charakteryzuje si proporcjonaln zalenoci napi cia od prdu, tzn. jest spełnione prawo Ohma ( = *I przy czym = const). Dla rezystorów nieliniowych warto rezystancji jest funkcj prdu lub napi cia. ezystory drutowe s wykonywane z drutu stopowego nawini tego na ceramiczny wałek lub rurk w postaci jednowarstwowego uzwojenia. ezystory niedrutowe s wykonane z materiału rezystywnego jako rezystory warstwowe lub obj tociowe. 8

7 W rezystorach warstwowych materiał rezystywny jest umieszczony na podłou w postaci warstwy. ezystory te mog by w glowe i metalizowane. W zalenoci od gruboci warstwy s rezystory cienkowarstwowe (> m) i grubowarstwowe (< m). Wykonuje si take rezystory objtociowe, w których prd płynie cał obj toci rezystora. Do ich budowy stosuje si organiczne lub nieorganiczne materiały oporowe. Stosowane s głównie w sprz cie profesjonalnym, gdzie wytrzymuj due obcienia prdowe i mocy. Klasyfikacja rezystorów ezystory Drutowe Niedrutowe Liniowe Nieliniowe Liniowe Nieliniowe Stałe Zmienne (potencjometry) Stałe Zmienne (potencjometry) Termistory Warstwowe Obj tociowe Warystory Fotorezystory Nieorganiczne Organiczne Magneto - rezystory ys... Klasyfikacja rezystorów. Symbole rezystorów a) b) c) ys... Symbole rezystorów. a) stały, b) zmienny (potencjometry), c) nastawny. 9

8 Parametry rezystorów. ezystancja znamionowa, b dca wskanikiem wartoci rezystancji. Podawana z najwi kszym dopuszczalnym odchyleniem rezystancji rzeczywistej od rezystancji znamionowej. Dopuszczalne odchyłki s zawarte w przedziale 0, 0 %. Moc znamionowa, która jest najwi ksz dopuszczaln moc moliw do wydzielenia w rezystorze. Moc ta jest zalena od powierzchni rezystora, sposobu odprowadzenia ciepła, maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy i temperatury otoczenia. Napicie znamionowe, jest najwi kszym dopuszczalnym napi ciem, które moe by przyłoone do rezystora bez zmiany jego właciwoci, a szczególnie bez jego uszkodzenia. Wartoci znamionowe napi dla wi kszoci rezystorów wynosz od kilkudziesi ciu do kilkuset woltów. ezystory opisywane s wieloma współczynnikami charakteryzujcymi zmian rezystancji w funkcji temperatury, wilgotnoci, napi cia itp... KONDENSATOY Kondensator stanowi układ dwóch lub wi cej przewodników (okładzin), odizolowanych warstw dielektryka, gromadzcy energi pola elektrycznego. Kondensatory maj pojemno stał (nienastawne) bd zmienn (nastawne). Kondensatory mona podzieli w zalenoci od zastosowanego dielektryka oraz od ich przeznaczenia na: stałonapi ciowe (w obwodach napi cia stałego); zmienno napi ciowe; impulsowe (w obwodach impulsowych o wi kszych wartociach prdu ładowania i rozładowania); biegunowe zwane polarnymi (pracuj przy jednym okrelonym kierunku doprowadzonego napi cia stałego); niebiegunowe zwane bipolarnymi (w obwodach napi cia stałego, przy dowolnej jego biegunowoci); zmiennej pojemnoci (do przestrajania obwodów rezonansowych). Parametry kondensatorów. pojemno znamionowa - C N wyraona w faradach, okrela zdolno kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych, podawana na obudowie kondensatora; 0

9 napicie znamionowe N, jest najwi kszym napi ciem, które moe by przyłoone trwale do kondensatora. Napi cie to jest na ogół sum napi cia stałego i wartoci szczytowej napi cia zmiennego; tangens kta stratnoci tg, stosunek mocy czynnej wydzielajcej si w kondensatorze przy napi ciu sinusoidalnie zmiennym o okrelonej cz stotliwoci; prd upływowy I, prd płyncy przez kondensator, przy doprowadzonym stałym napi ciu; temperaturowy współczynnik pojemnoci C, okrela wzgl dn zmian pojemnoci, zalen od zmian temperatury. Podział kondensatorów ys..3. Podział kondensatorów.

10 ys..4. Przykłady budowy kondensatorów: a) papierowego zwijanego, b) ceramicznego płaskiego, c) ceramicznego rurkowego.... KONDENSATOY STAŁE Podstawowe parametry jak pojemno znamionowa i napi cie znamionowe zale przed wszystkim od rodzaju zastosowanego w nich dielektryka. Ze wzgl du na t zaleno dzielimy kondensatory na: mikowe (symbol KM); ceramiczne (KCP, KFP, KC, KF); papierowe (KLMP, KSMP); z tworzyw sztucznych (organiczne symbol KSF, MKSE, MKSF, MKSP); elektrolityczne (KEN, KEO, SM, E, T, L, KEMS); powietrzne. Kondensatory mikowe. ywa si moskwitu. Maj mały temperaturowy współczynnik pojemnoci i mały tangens kta stratnoci dielektrycznej. Kondensatory ceramiczne. Wykonywane z ceramiki alundowej, rutylowej oraz steatytowej. Maj one mał warto kta stratnoci oraz duy współczynnik pojemnoci. Zalet jest dua pojemno znamionowa i małe wymiary. Maj niewielkie wartoci indukcyjnoci własnej, w zwizku z tym mog by stosowane w obwodach wielkiej cz stotliwoci oraz jako pojemnoci sprz gajce.

11 Kondensatory papierowe. Maj małe wymiary przy duych wartociach pojemnoci oraz duy współczynnik stratnoci dielektrycznej. Dielektrykiem jest bibuła nasycona olejem syntetycznym, kondensatorowym lub parafinowym. Kondensatory z tworzyw sztucznych. Dielektrykiem moe by: folia polistyrenowa, poliestrowa lub polipropylenowa. ozróniamy kondensatory takie jak: a) Kondensatory polistyrenowe: maj mały współczynnik temperaturowy pojemnoci, mały tangens kta stratnoci oraz stosowane s w układach pracujcych w zakresie wielkich cz stotliwoci. b) Kondensatory poliestrowe: maj duy współczynnik kta stratnoci dielektrycznej, stosowane głównie w układach napi cia stałego lub zmiennego o małej cz stotliwoci. c) Kondensatory polipropylenowe: maj zblione właciwoci do właciwoci kondensatorów poliestrowych, stosuje si je w obwodach prdu zmiennego o cz stotliwoci 50Hz. Kondensatory elektrolityczne. Ze wzgl du na uyty materiał dzielimy na: aluminiowe; tantalowe; Ze wzgl du na zastosowanie układu dzielimy na: biegunowe; niebiegunowe. S stosowane w układach filtracji napi cia zasilania i jako kondensatory sprz gajce w układach małej cz stotliwoci. Kondensatory elektrolityczne maj due wartoci pojemnoci znamionowej. Wad natomiast jest duy prd upływowy, którego warto ronie wraz ze wzrostem temperatury. Kondensatory te maj okrelon biegunowo. Zmiana biegunów (elektrod) powoduje zniszczenie kondensatora.... KONDENSATOY ZMIENNE Kondensatory o zmiennej pojemnoci to kondensatory z dielektrykiem powietrznym (symbol AM, FM) lub kondensatory ceramiczne dostrojcze zwane trymerami (TCP). 3

12 Kondensator powietrzny zbudowany jest z dwóch zespołów równoległych płytek (rotor i stator), które zmieniajc swe połoenie powoduj zmian wartoci pojemnoci kondensatora. Charakter zmian pojemnoci kondensatora zaley natomiast od płytek rotora i statora. Ze wzgl du na charakter zmian wartoci pojemnoci, w zalenoci od kta obrotu rotora, rozróniamy kondensatory o: prostoliniowej zmianie pojemnoci; prostoliniowej zmianie długoci fali; prostoliniowej zmianie cz stotliwoci; logarytmicznej zmianie pojemnoci. C C C 0 α 0 α 0 α ys..5. Charakterystyki kondensatorów zmiennych, a) o prostoliniowej zmianie pojemnoci; b) o prostoliniowej zmianie długoci fali w obwodzie rezonansowym; c) o prostoliniowej zmianie czstotliwoci w obwodzie rezonansowym. Kondensatory obrotowe maj pojemnoci mniejsze ni 500pF natomiast kondensatory nastawne, zwane trymerami, maj pojemnoci mniejsze ni 00pF. 4

13 ozdział II. MATEIAŁY PÓŁPZEWODNIKOWE Półprzewodniki to materiały powszechnie stosowane do produkcji elementów i układów elektronicznych. Kady materiał ma pewn warto rezystywnoci. W zalenoci od tej wartoci dzielimy je na metale i niemetale (dielektryk, półprzewodnik), rónice si właciwociami fizykochemicznymi. Półprzewodniki obejmuj obszern grup materiałów, które ze wzgl du na przewodnictwo elektryczne zajmuj porednie miejsce pomi dzy metalami a izolatorami. Półprzewodniki stanowi oddzieln klas substancji, gdy ich przewodnictwo ma szereg charakterystycznych cech. Naley podkreli odwrotn ni dla metali zaleno przewodnictwa elektrycznego od temperatury. W dostatecznie niskich temperaturach półprzewodnik staje si izolatorem. W szerokim zakresie temperatur przewodnictwo przewodników szybko ronie wraz ze wzrostem temperatur. Drug wan cech półprzewodników jest zmiana przewodnictwa elektrycznego w wyniku niewielkich zmian ich składu... MODEL PASMOWY Teoria pasmowa jest to teoria kwantowa opisujca stany energetyczne elektronów w krysztale. W odrónieniu od atomów, w których dozwolone stany energetyczne elektronów stanowi zbiór poziomów dyskretnych, dozwolone elektronowe stany energetyczne w kryształach maj charakter pasm o szerokoci kilku elektronowoltów. Elektronowolt (ev) jest to energia, jak uzyskuje elektron w wyniku zmiany swojego potencjału o V. W Pasmo przewodnictwa Pasmo zabronione W g Pasmo podstawowe X ys... Model energetyczny pasmowy półprzewodnika. 5

14 W temperaturze zera bezwzgl dnego (T = 0K) najmniejsz energi maj elektrony walencyjne. Pasmo odpowiadajce temu stanowi energetycznemu nosi nazw pasma walencyjnego lub podstawowego i jest najniej połoonym pasmem energetycznym (rys..). Powyej tego pasma ley pasmo przewodnictwa, w którym znajduj si swobodne elektrony wyrwane z sieci krystalicznej. Pomi dzy tymi pasmami jest odst p, który nazwany jest pasmem zabronionym lub przerw zabronion i oznacza si przez W g. Warto W g okrela minimaln warto energii, która musi by dostarczona elektronom, aby zostały one wyrwane z wiza atomowych sieci krystalicznej. Szeroko t mierzy si w elektronowoltach (ev)... PÓŁPZEWODNIK SAMOISTNY Półprzewodnik samoistny jest to monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawieraj obcych atomów w sieci krystalicznej. W półprzewodnikach ju w temperaturze 300 K (a nawet niszej) pewna cz elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa, pozostawiajc miejsca nie obsadzone w pamie podstawowym. Miejsca te mog by zajmowane przez elektrony usytuowane na niszych poziomach w tym pamie (po otrzymaniu z zewntrz odpowiedniej energii). Proces pojawiania si elektronów w pamie przewodnictwa i wolnych miejsc (dziur) w pamie podstawowym pod wpływem wzrostu temperatury nosi nazw generacji termicznej par dziur-elektron (rys..). Dziur nazywa si dodatni nonik ładunku, b dcy brakiem elektronu. W półprzewodnikach o małych szerokociach pasma zabronionego generacja termiczna par dziura-elektron jest ułatwiona. Liczb noników w ciałach stałych wyraa si za pomoc gstoci lub koncentracji (liczba noników na jednostk obj toci. Liczba generowanych par, czyli ich koncentracja, jest tym wi ksza, im jest w sze pasmo zabronione danego półprzewodnika oraz im temperatura monokryształu jest wysza. Po pewnym czasie pobudzony elektron powraca do stanu podstawowego z wyemitowaniem kwantu promieniowania. Taki proces nazywamy rekombinacj (rys..). redni czas jaki upływa mi dzy procesem generacji a procesem rekombinacji nazywamy czasem ycia τ danego nonika (elektronu, dziury). 6

15 W T >0 K Generacja Foton W pr ekombinacja W c W v Foton 0 L X ys... Proces generacji i rekombinacji pary elektron dziura. W V wierzchołek pasma podstawowego, W c dno pasma przewodnictwa, W pr energia wyjcia elektronu z półprzewodnika. W półprzewodniku samoistnym mamy do czynienia z generacj par elektron-dziura, w zwizku z czym koncentracja elektronów i dziur jest taka sama i nosi nazw koncentracji samoistnej. Zaleno koncentracji samoistnej od temperatury przedstawiona jest na rysunku.3. Na tej charakterystyce zaznaczono równie szeroko przerwy zabronionej danego półprzewodnika. 000 C 600 C 400 C 300 C 00 C 00 C 50 C 5 C n i ,5,5,5 /K 3,5 000/T ys..3. Zaleno koncentracji samoistnej półprzewodnika od temperatury. 7

16 .3. PÓŁPZEWODNIK TYP n I TYP p (półprzewodniki niesamoistne) Półprzewodnik niesamoistny jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryształu zamiast atomów pierwiastka materiału półprzewodnikowego znajduje si inny atom (np. w sieci krystalicznej krzemu znajduje si fosfor). Powstaje wówczas tzw. półprzewodnik domieszkowany, a ten inny atom nazywamy domieszk. ozróniamy dwa rodzaje domieszek: donorow i akceptorow. Jeli na skutek nieregularnoci sieci krystalicznej w półprzewodniku b d przewaa noniki typu dziurowego, to półprzewodnik taki nazywa b dziemy półprzewodnikiem typu p (niedomiarowy). A gdy b d przewaa noniki elektronowe, b dziemy nazywa je półprzewodnikami typu n (nadmiarowy). Półprzewodnik typu n uzyskuje si przez dodanie w procesie wzrostu kryształu krzemu domieszki pierwiastka pi ciowartociowego (np. antymon, fosfor). Niektóre atomy krzemu zostan zastpione w sieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami (rys..4). Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 P +5 Elektron nadmiarowy Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 ys..4. Model sieci krystalicznej z domieszk atomów fosforu. Kady atom domieszki ma pi elektronów walencyjnych, z których cztery s zwizane z ssiednimi atomami krzemu. A pity elektron jest wolny i moe by łatwo oderwany od atomu domieszki jonizujc dodatnio. Elektron wówczas przechodzi do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Atomy domieszki w modelu pasmowym półprzewodnika znajduj si na tzw. 8

17 poziomie donorowym, który wyst puje w pobliu dna pasma przewodnictwa półprzewodnika (rys..5). W Pasmo przewodnictwa (nadmiar elektronów) Poziom donorowy Elektrony Pasmo podstawowe ys..5. Model pasmowy półprzewodnika krzemowego z domieszkami donorowymi. W temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy domieszkowe zostały zjonizowane. Oznacza to, e na poziomach donorowych nie ma ju elektronów, gdy wszystkie przeszły do pasma przewodnictwa. Liczba elektronów w pamie przewodnictwa jest znacznie wi ksza ni dziur w pamie podstawowym. Dlatego te te pierwsze nosz nazw noników wikszociowych, a te drugie noników mniejszociowych. Półprzewodnik typu p uzyskuje si przez zastpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartociowych (np. glinu, galu). Na rysunku.6 przedstawiono model sieci krystalicznej krzemu z domieszk atomów indu. X Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 In +3 Dziura Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 ys..6. Model sieci krystalicznej krzemu z domieszk atomów indu. 9

18 Atom tej domieszki ma trzy elektrony walencyjne, zwizane z ssiednimi atomami krzemu. Do wypełnienia czwartego wizania ssiadujcego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej jednego elektronu i zostaje on uzupełniony przez pobranie elektronu z jednego z ssiednich wiza, w którym powstaje dziura. Atom pierwiastka trójwartociowego, zwanego akceptorem, po uzupełnieniu elektronu w nieprawidłowym wizaniu (na skutek niedostatku ładunków dodatnich w jdrze) staje si jonem ujemnym, wywołujc lokaln polaryzacj kryształu. Elektron ten przechodzi z pasma podstawowego półprzewodnika na poziom akceptorowy, jonizujc tym samym ujemnie atom domieszki. Poziom akceptorowy znajduje si w pobliu wierzchołka pasma podstawowego półprzewodnika (rys..7). W Pasmo przewodnictwa Poziom akceptorowy Dziury Pasmo podstawowe (nadmiar dziur) ys..7. Model pasmowy półprzewodnika krzemowego z domieszkami akceptorowymi. W temperaturze pokojowej wszystkie poziomy akceptorowe s zapełnione elektronami, które przeszły z pasma podstawowego. Na skutek tego liczba dziur w pamie podstawowym jest wielokrotnie wi ksza ni elektronów w pamie przewodnictwa. W półprzewodniku typu p dziury w pamie podstawowym s nonikami wi kszociowymi, a elektrony w pamie przewodnictwa nonikami mniejszociowymi. W kadym półprzewodniku (niezalenie od koncentracji domieszek) w stanie równowagi termicznej jest spełniony warunek neutralnoci, tzn. w kadym punkcie półprzewodnika wypadkowy ładunek elektryczny jest równy zeru. Wszelkie zaburzenia warunku neutralnoci powoduj powstanie pola elektrycznego, które przywraca stan równowagi elektrycznej. stalenie si koncentracji noników na odpowiednim poziomie zachodzi w wyniku rekombinacji, który równoway te generacj termiczn noników. X 0

19 ozdział III. PÓŁPZEWODNIKOWE ELEMENTY BIENE 3.. TEMISTO Termistor jest elementem półprzewodnikowym, którego rezystancja zaley od temperatury. Zmiana wartoci rezystancji moe nastpi na skutek wzrostu temperatury otoczenia termistora lub (i) wydzielonego w nim ciepła. Termistor charakteryzuje si duym współczynnikiem temperaturowym rezystancji T. Współczynnik ten okrela wzgl dn zmian rezystancji termistora przy zmianie temperatury o T, gdy T 0 α T = ; T Zalenie od wartoci i znaku współczynnika T dzieli si na trzy grupy:. NTC o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji;. PTC o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji; 3. CT o skokowej zmianie rezystancji. T 3 V ma 80 I ys.3.. Charakterystyka napiciowo prdowa termistora. Termistor NTC, Termistor PTC, 3 Termistor CT.

20 Parametry termistora: rezystancja nominalna; temperaturowy współczynnik rezystancji: W g α T =. kt Termistory s elementami wykonywanymi ze spieków sproszkowanych tlenków metali. Stosuje si je: do pomiaru temperatury metod oporow; do pomiaru mocy w zakresie mikrofal; do pomiaru cinienia; do pomiaru gazu i poziomu cieczy; w układach sygnalizacji, regulacji i stabilizacji temperatury; do kompensacji temperaturowej układów elektronicznych. 3.. WAYSTOY Warystory s to rezystory wykonane z półprzewodnika, których rezystancja zaley od napi cia doprowadzonego do ich zacisków. Warystory maj nieliniow charakterystyk napi ciowo prdow, któr okrela wzór: β = DI, w którym: napi cie doprowadzone do warystora, I prd płyncy przez warystor, D rezystancja, której warto jest równa spadkowi napi cia na warystorze w wyniku przepływu prdu stałego o wartoci A, współczynnik nieliniowoci. Parametry charakteryzujce warystory: Współczynnik nieliniowoci, wyznaczony na podstawie pomiaru spadków napi (, ) wywołanymi rónymi prdami (I, I ), lg lg I β = = ; lg lg I lg lg I / / I

21 I I jeli: = 0, to β = lg ; warto zaley od materiału i technologii wykonania warystora; napicie charakterystyczne spadek napi cia na warystorze, okrelany dla stałej wartoci prdu płyncego przez niego; moc znamionowa. 00 V ma 0 I ys. 3.. Charakterystyka napiciowo prdowa warystora. Warystory wykonuje si z masy złoonej z proszku w glika krzemu (karborundu) i ceramicznego spoiwa jako spiek. Produkuje si dwa podstawowe typy warystorów: walcowe (typu WN) o napi ciu charakterystycznym V, dyskowe (typu WD) o napi ciu charakterystycznym 8 330V. Warystory stosuje si do zabezpieczania obwodów elektrycznych przed przepi ciami, do stabilizacji napi cia, ochrony styków, w układach przetworników cz stotliwoci itp. 3

22 ozdział IV. Złcze p-n Działanie wi kszoci elementów półprzewodnikowych opiera si na współdziałaniu złcza p-n i obszaru przelotowego (transportu), stanowicego na ogół obszar półprzewodnika jednego rodzaju. Złcza umoliwiaj wprowadzenie, odprowadzenie i sterowanie strumienia noników ładunku. Złcza mog by nast pujce: metal metal, półprzewodnik półprzewodnik, dielektryk dielektryk, metal półprzewodnik oraz dielektryk półprzewodnik. Najcz ciej wykorzystywane s złcza metal półprzewodnik i półprzewodnik półprzewodnik. 4.. WASTWA ZAPOOWA W ZŁCZ p-n. MODEL PASMOWY ZŁCZA. Połczenie dwóch kryształów (monokryształów) ciała stałego (półprzewodnik, metal) w ten sposób, e tworz one cisły kontakt nazywamy złczem. Złcze p-n stanowi warstw przejciow mi dzy obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n. Domieszka akceptorowa w obszarze typu p sprawia, e koncentracja dziur w tym obszarze jest wi ksza ni elektronów przewodnictwo dziurowe. Natomiast domieszka donorowa w obszarze typu n prowadzi do przewagi elektronów w tym obszarze przewodnictwo elektronowe. Dziury w obszarze p i elektrony w obszarze n stanowi noniki wi kszociowe. Przed zetkni ciem kady z obszarów jest elektrycznie oboj tny, poniewa ładunek dziur i elektronów zostaje skompensowany ładunkiem jonów domieszki umieszczonych w w złach siatki krystalicznej. W momencie zetkni cia si półprzewodnika typu p i typu n, nast puje wzajemny przepływ noników. ónica koncentracji noników ładunku powoduje ich przemieszczanie dyfuzj. Elektrony z obszaru przyzłczowego n dyfunduj do obszaru p; podobnie post puj dziury z obszaru przyzłczowego p przechodz do obszaru n. W wyniku procesu dyfuzji płyn prdy dyfuzyjne. Noniki przedostajce si do przeciwnych obszarów staj si nadmiarowymi nonikami mniejszociowymi w tych obszarach. Noniki te rekombinuj z nonikami wi kszociowymi, które nie przeszły na drug stron złcza. W wyniku tego w obszarze n powstaje nadmiar ładunku jonów dodatnich, a w obszarze p nadmiar ładunku jonów ujemnych. S to ładunki jonów ulokowanych (nieruchomych) w w złach siatki krystalicznej. W obszarach przyzłczowych powstaje wi c podwójna warstwa nieskompensowanych ładunków. Nazywa si ona warstw zaporow, obszarem ładunku przestrzennego lub obszarem zuboonym, gdzie nie praktycznie noników wi kszociowych. 4

23 Po utworzeniu takiej warstwy przepływ noników wi kszociowych zostaje zahamowany, gdy ładunek przestrzenny dodatni po stronie n b dzie hamował dalszy dopływ noników (dziur) dodatnich z obszaru p do n oraz ładunek ujemny po stronie p b dzie hamował dalszy dopływ noników (elektronów) ujemnych z obszaru n do p. tworzy si pole elektryczne reprezentowane przez barier potencjału. Wysoko bariery, a wi c rónica potencjałów, nazywana napiciem dyfuzyjnym. D kt q N N ln = ; (4.) gdzie: q ładunek elektronu; k- stała Boltzmanna; T- temperatura bezwzgl dna; N a, N d koncentracja akceptorów i donorów; n i koncentracja samoistna półprzewodnika. a d ni G sto ładunku nieskompensowanego po obu stronach bariery potencjału jest równa odpowiednim koncentracjom domieszek akceptorów i donorów (N a, N d ) w temperaturze pokojowej. Pole elektryczne wytworzone przez ładunek przestrzenny sprzyja przepływowi noników mniejszociowych. Noniki mniejszociowe (elektrony w obszarze p, dziury w obszarze n) powstaj w wyniku generacji termicznej. Niektóre z nich dyfunduj ku kraw dziom warstwy zaporowej i przechodz na drug stron. Oprócz prdów dyfuzyjnych noników wi kszociowych przez złcze płyn prdy unoszenia I pu i I nu noników mniejszociowych. Kierunki tych prdów s przeciwne do kierunków prdów dyfuzyjnych. a) p n b) p n W W W C W C W F D W i W F W V W i W V W C W F W i l d W V ys. 4.. Model pasmowy złcza. a) przed utworzeniem, b) po utworzeniu. n, p typ półprzewodnika, W V wierzchołek pasma podstawowego, W C dno pasma przewodnictwa, W F poziom Fermiego, W i poziom samoistny, l d szeroko warstwy zaporowej, D napi cie dyfuzyjne. 5

24 W modelu pasmowym złcza powstaniu ładunku przestrzennego odpowiada przesuniecie połoenia pasm energetycznych (rys. 4.). ónica poziomów jest proporcjonalna do napi cia dyfuzyjnego. Naley zwróci uwag na wyst powanie pewnego jednakowego i wspólnego poziomu dla obu cz ci półprzewodnika. Jest to tzw. poziom Fermiego. Dla półprzewodnika typu n poziom ten ley w górnej połowie pasma zabronionego, dla półprzewodnika typu p w dolnej połowie pasma zabronionego. Poziom Fermiego przesuwa si w kierunku pasma przewodnictwa (dla typu n) lub podstawowego (dla typu p) przy wzrocie koncentracji domieszek. W półprzewodniku samoistnym poziom ten umieszczany jest w modelu w pobliu rodka pasma zabronionego. Stan równowagi złcza wyst puje gdy liczba unoszonych noników mniejszociowych jest równa liczbie dyfundujcych noników wi kszociowych. I I = 0 i I = 0 pd + pu I. (4.) nd + nu Szeroko warstwy zaporowej d zaley od wartoci napi cia dyfuzyjnego i koncentracji domieszek w obu obszarach półprzewodnika (N a, N d ), jak równie od tego, czy złcze jest liniowe, czy te skokowe. gdzie: d = ε Na + N q N N a d d D ; (4.3) ε = ε r ε 0 przenikalno elektryczna półprzewodnika. Najcz ciej szeroko warstwy zaporowej wynosi d = 0, 0,5 µm. Jeeli koncentracja domieszek jednego z obszarów jest mniejsza ni drugiego, to gł biej w obszar ten wnikn noniki ładunku z obszaru drugiego i szeroko d > d. 4.. POLAYZACJA ZŁCZA p-n W KIENK PZEWODZENIA. Polaryzacja to stan, jaki wyst puje w złczu pod wpływem przyłoenia z zewntrz rónych potencjałów do obydwu obszarów półprzewodnika. Jeeli do półprzewodnika typu p przyłoymy potencjał dodatni, a do półprzewodnika typu n potencjał ujemny (rys.4.a), wówczas mówimy, e złcze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Zmniejsza si bariera potencjału (rys. 4.b) do wartoci: F = ; (4.4) D przy czym: napi cie zewn trzne, D napi cie dyfuzyjne. 6

25 ys. 4.. Złcze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. a) polaryzacja złcza, b) model pasmowy, c) gsto noników, d) prdy dyfuzyjne. Maleje szeroko warstwy zaporowej (we wzorze 4.3 naley zamiast D podstawi D ), malej ładunek i nat enie pola elektrycznego. Zmniejszenie bariery potencjału powoduje wzrost prdu dyfuzyjnego, tj. wzrost liczby dziur przechodzcych z obszaru p do obszaru n i elektronów przechodzcych z obszaru n do obszaru p. Te dodatkowe noniki s nazywane wstrzyknitymi nadmiarowymi nonikami mniejszociowymi p i n. W chwili wprowadzenia przycigaj one noniki o przeciwnym znaku wi kszociowe w danym obszarze. Koncentracja noników nadmiarowych p i n zmniejsza si zatem wykładniczo w miar oddalania si od warstwy zaporowej w wyniku rekombinacji z nonikami wi kszociowymi (rys. 4.c). Wskutek niejednakowej koncentracji, wstrzykni te noniki mniejszociowe 7

26 dyfunduj do obszarów o mniejszej koncentracji, a wi c w kierunku doprowadze. Jednoczenie od strony doprowadze napływaj nowe noniki wi kszociowe, wprowadzone przy polaryzacji złcza, zapewniajce neutralizacj ładunku wprowadzonego do poszczególnych obszarów. Prdy unoszenia I pu i I nu praktycznie zostaj niezmienne. W wyniku zwi kszania składowej dyfuzyjnej prdu, w obwodzie zewn trznym płynie prd q = I satexp = I sat exp kt T I ; (4.5) I sat prd nasycenia złcza, zaley od stałych fizycznych materiałowych oraz konstrukcyjnych złcza. Symbol T oznacza potencjał termodynamiczny wynoszcy ok. 6 mv przy T = 300K. kt T = ; (4.6) q 4.3. POLAYZACJA ZŁCZA p-n W KIENK ZAPOOWYM. Złcze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym wtedy, gdy do półprzewodnika typu n przyłoymy potencjał wyszy (plus), a do półprzewodnika typu p niszy (minus) (rys. 4.3a). Napi cie zewn trzne ma kierunek zgodny z kierunkiem napi cia D. Nast puje dalszy odpływ swobodnych noników z obszaru otaczajcego warstw zaporow. Zwi ksza si szeroko i wzrasta bariera potencjału (rys. 4.3b). = ; (4.7) D + Zwi kszenie bariery potencjału powoduje zmniejszenie dyfuzji noników, czyli zmniejszenie koncentracji noników wprowadzanych na drug stron złcza (rys. 4.3c). Bariera ta nie stanowi przeszkody dla przepływu prdu unoszenia prdu wstecznego. Jest on jednak niewielki A i bardzo nieznacznie zaley od wartoci przyłoonego napi cia, zaley natomiast od temperatury złcza i technologii jego wytwarzania. Zaleno prdu I od napi cia zewn trznego przy polaryzacji w kierunku zaporowym jest analogiczna z wzorem (4.5), z tym e przy polaryzacji w kierunku przewodzenia napi cie jest dodatnie, a przy polaryzacji w kierunku zaporowym jest ujemne. Charakterystyka prdowo napi ciowa pokazana została na rysunku

27 ys Złcze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym. a) polaryzacja złcza, b) model pasmowy, c) gsto noników. ys Charakterystyka prdowo napiciowa złcza p-n 9

28 4.4. ZJAWISKO TNELOWE. Zjawisko tunelowe wyst puje w złczach bardzo silnie domieszkowanych, przy polaryzacji złcza w kierunku przewodzenia (rys. 4.5). ys Zjawisko tunelowe. W modelu pasmowym, dno podstawowego półprzewodnika typu p jest powyej wierzchołka pasma przewodnictwa półprzewodnika typu n. Takie ustawienie pozwala na przejcie tunelowe noników z jednego półprzewodnika (p) do drugiego (n), natomiast utrudnione jest w przeciwn stron, nawet przy bardzo małym napi ciu polaryzacji. Na pocztku wzrost napi cia polaryzujcego złcze w kierunku przewodzenia powoduje wzrost prdu w złczu (odc.). Zwi kszajc dalej napi cie przewodzenia, prd tunelowy maleje do zera, poniewa podnosi si poziom Wc w półprzewodniku typu n maleje napi cie na warstwie zaporowej. Pod wpływem zjawiska tunelowego coraz mniej noników moe przepływa z obszaru p do n. W zwizku z czym powstaje na charakterystyce prdowo napiciowej odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej (rys. 4.6, odc.3). 30

29 ys Charakterystyka prdowo napiciowa złcz p-n ze zjawiskiem tunelowym. Charakterystyka prdowo napiciowa złcza p-n. Prd tunelowy. 3 odcinek charakterystyki o ujemnej rezystancji. 3

30 ozdział V. DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE Dioda półprzewodnikowa to element wykonany z półprzewodnika, zawierajcego jedno złcze najcz ciej p-n z dwiema kocówkami wyprowadze. Złczem nazywa si atomowo cisły styk dwóch kryształów ciała stałego. Odległo mi dzy stykajcymi si obszarami jest porównywalna z odległociami mi dzy atomami w kryształach. Diody s stosowane w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywana jest zaleno rezystancji dynamicznej od napi cia lub prdu wejciowego, lub te zmiany pojemnoci w funkcji napi cia. W układach cyfrowych istotne s właciwoci przełczajce diody. Diody półprzewodnikowe stosuje si w układach prostowania prdu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełczania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych. Diody klasyfikujemy ze wzgldu na: materiał - krzemowe - germanowe konstrukcj - ostrzowe i warstwowe - stopowe i dyfuzyjne - mesa - planarne i epiplanarne struktur fizyczn złcza - p-n - MS - Heterozłcza zastosowanie - prostownicze - uniwersalne - impulsowe - stabilitrony Zenera - pojemnociowe warikapy i waraktory - tunelowe - mikrofalowe: detekcyjne i mieszajce przebiegajce zjawiska - Zenera - Gunna - lawinowe - tunelowe 3

31 DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE GEMANOWE KZEMOWE MAŁEJ MOCY POSTOWNICZE EDNIEJ I DEJ MOCY MAŁEJ MOCY POSTOWNICZE EDNIEJ I DEJ MOCY DETEKCYJNE FOTODIODY MAŁEJ DEJ CZSTOTLIWOCI CZSTOTLIWOCI LMINENSCENCYJNE IMPLSOWE WAIKAPY I WAAKTOY ZENEA FOTODIODY ys. 5.. Podział diod ze wzgldu na zastosowanie. ys. 5.. Charakterystyki prdowo napiciowe diod..prostownicza (krzemowa).. Zenera (stabilitron). 3. Zwrotna (detekcyjna, mieszajca). 4. Tunelowa. Lini grub zaznaczono typowy obszar pracy kadej diody. 33

32 5.. DIODY POSTOWNICZE Diody prostownicze s przeznaczone do prostowania napi cia bd prdu przemiennego o małej cz stotliwoci. Prostowanie jest to przetwarzanie prdu przemiennego na prd jednokierunkowy. Diody zaczynaj przewodzi dopiero po przekroczeniu pewnej wartoci napi cia w kierunku przewodzenia. Dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Diody prostownicze s stosowane w układach prostowniczych urzdze zasilajcych, przekształcajcych prd zmienny w jednokierunkowy prd pulsujcy. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcj zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje si tutaj właciwo polegajca na rónicy zdolnoci przewodzenia prdu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia. Przez diod prostownicz na ogół płyn due prdy w kierunku przewodzenia, dlatego te stosujemy diod warstwow wykonan z krzemu. Diody prostownicze maj mał rezystancj w kierunku przewodzenia rz du pojedynczych, co pozwala na uzyskanie duych sprawnoci prostowania. Mamy diody prostownicze takie jak: diody wysokiego napi cia, diody typowe, diody mocy, diody szybkiej mocy, stos diodowy, Parametry charakteryzujce diody prostownicze napicie przewodzenia F, przy okrelonym prdzie przewodzenia, prd wsteczny I, przy okrelonym napi ciu w kierunku zaporowym, czas ustalania si prdu wstecznego t, pojemno C, przy okrelonym napi ciu przewodzenia. Dopuszczalne (graniczne) parametry: maksymalny prd przewodzenia I 0 ; szczytowe napi cie wsteczne WM ; parametr przecieniowy I t, podawany dla diod mocy. 34

33 Diody prostownicze wykonuje si głównie z krzemu. Warto prdu płyncego przez diod spolaryzowan w kierunku przewodzenia jest razy wi ksza od wartoci prdu w kierunku zaporowym. Diody prostownicze ze wzgl du na wydzielan w nich moc dzielimy na: małej mocy (> W), redniej mocy ( 0W), duej mocy (<0 W), a) b) (+) I F I 0 (-) WM 0 I ( WM ) F (I 0 ) F I c) I 0 ys Dioda prostownicza. a) symbol diody prostowniczej, b) charakterystyka prdowo napiciowa diody prostowniczej rzeczywista, c) charakterystyka prdowo napiciowa diody prostowniczej aproksymujca. Gdzie: WM maksymalne napicie wsteczne, F napicie przewodzenia, I 0 maksymalny prd przewodzenia. 35

34 Diody, przez które płynie prd o wartoci wi kszej ni 0 A maj radiator, który odprowadza wydzielane ciepło do otoczenia. Gdy zastosowanie radiatora jest niewystarczajce wtedy naley diod chłodzi wymuszonym opływem powietrza, a nawet specjaln ciecz. Jeeli chcemy uzyska wi kszy prd przewodzenia przy tym samym napi ciu, to moemy połczy diody równolegle. Jeli chcemy mie dodatkowo jednakowe prdy płynce przez poszczególne diody, to do kadej z nich dołczamy szeregowo rezystor o niewielkiej wartoci. Jeli chcemy zwi kszy napi cie wsteczne przy tym samym prdzie, to w miejsce jednej diody wstawiamy kilka diod połczonych szeregowo. 5.. DIODY STABILIZACYJNE (STABILITONY) DIODY ZENEA Diody Zenera to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napi cia. Diody stabilizacyjne pracuj przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzujc niewielkimi zmianami napi cia pod wpływem duych zmian prdu. Diody te stosuje si w układach stabilizacji napi, w ogranicznikach amplitudy, w układach ródeł napi cia odniesienia itp. Parametry charakteryzujce diody stabilizacyjne napicie stabilizacji - Z, prd stabilizacji I Z, napicie przewodzenia F, przy okrelonym prdzie przewodzenia, prd wsteczny diody I, przy okrelonym napi ciu wstecznym, rezystancja dynamiczna r Z, której warto zmienia si w zalenoci od napi cia stabilizacji: r Z I Z = ; Z ezystancja dynamiczna zaley od wartoci napi cia stabilizacji i prdu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesi ciu omów. Minimaln rezystancj dynamiczn maj diody o napi ciu stabilizacji Z = 6 8 V. temperaturowy współczynnik napicia stabilizacji z, Z α Z = I Z = const ; T Z 36

35 Zaley od napi cia stabilizacji. Ma warto ujemn dla diod z przebiciem Zenera ( Z < 5 V), a dodatni dla diod z przebiciem lawinowym ( Z > 7 V). a) b) c) (+) r Z we DZ wy Z (-) d) ys Dioda stabilizacyjna: a) symbol diody stabilizacyjnej, b) Schemat zastpczy. c) Schemat stabilizatora napicia z diod stabilizacyjn. d) Charakterystyka prdowo napiciowa diody stabilizacyjnej. Przy czym Z napi cie stabilizacji, F napi cie przewodzenia, I prd wsteczny, r Z rezystancja dynamiczna DIODY POJEMNOCIOWE Diody pojemnociowe (warikapy i waraktory) pracuj przy polaryzacji zaporowej, charakteryzujc si zmienn pojemnoci w funkcji przyłoonego napi cia. Stosowane w układach powielania cz stotliwoci, modulacji cz stotliwoci, we wzmacniaczach parametrycznych i w układach strojenia obwodów rezonansowych wysokiej cz stotliwoci za pomoc napi cia. Warikapy stosuje si do przestrajania obwodów rezonansowych. Waraktory natomiast stosuje si w układach parametrycznych, we wzmacniaczach lub powielaczach cz stotliwoci oraz układach mikrofalowych. Ze wzgl du na małe wymiary, du wytrzymało na udary i 37

36 mał zaleno od zmian temperatury, mog one w wielu przypadkach zastpi kondensatory zmienne lub ceramiczne. a) b) (+) C j (-) C max C min WM 0 ys Dioda pojemnociowa. a) symbol diody pojemnociowej, b) charakterystyka pojemnociowo napiciowa diody pojemnociowej. Gdzie : WM maksymalne napi cie wsteczne, C max pojemno okrelona przy minimalnym napi ciu, C min pojemno okrelona przy maksymalnym napi ciu. Parametry charakteryzujce diody pojemnociowe. prd wsteczny I, przy okrelonym napi ciu zaporowym; pojemno złcza C j, przy okrelonym napi ciu wstecznym; stosunek pojemnoci minimalnej C min do maksymalnej C max ; rezystancja szeregowa r s, przy okrelonym napi ciu wstecznym, lub dobro Q c (podaje si dla warikapów); maksymalna czstotliwo f c (podaje si dla waraktorów); Graniczne parametry diod: maksymalne napi cie wsteczne WM ; maksymalny prd przewodzenia I 0 (dla warikapów); maksymalna moc P tot (dla waraktorów). 38

37 5.4. DIODY PZEŁCZAJCE Do diod przełczajcych (impulsowych) zliczamy diody: tunelowe, ładunkowe, ostrzowe, Schottky ego. Diody impulsowe wykorzystuje si w układach cyfrowych do przełczania sygnałów; w układach impulsowych diody pracuj jako selektory impulsów. Diody ładunkowe i ostrzowe umoliwiaj formowanie impulsów prostoktnych o bardzo krótkim czasie narastania i opadania. Parametry charakteryzujce diody przełczajce: pojemno diody C, napicie przewodzenia F, prd wsteczny I, czas ustalania si prdu wstecznego t rr. Parametrem granicznym diody przełczajcej jest maksymalne napi cie wsteczne WM. ys Charakterystyki prdowo napiciowe. dioda zwrotna, dioda ostrzowa, 3 dioda Schottky ego. 39

38 5.5. DIODA TNELOWA Diody tunelowe s stosowane mi dzy innymi w przełcznikach, we wzmacniaczach o małych szumach i w generatorach mikrofalowych, które wykorzystuj ujemn rezystancj diody, a take w wielu układach impulsowych o duej szybkoci działania. jemna rezystancja wyst puje na pewnym odcinku charakterystyki pokazanej na rysunku 5.7. Odcinek charakterystyki I = f() w zakresie którego wyst puje rezystancja ujemna, okrelony jest przez współrz dne dwóch punktów: P = (I p, p ) punkt szczytu, V = (I V, V ) punkt doliny. Działanie diody tunelowej oparte jest na zjawisku tunelowym. Zjawisko to zostało omówione w rozdziale IV Złcze p-n. Przy bardzo małych wartociach napi w kierunku przewodzenia (ok.50mv- ok.350mv) prd zaczyna szybciej rosn ni w zwykłej diodzie. Przy wzrocie napi cia do punktu P (punktu szczytu), prd zaczyna male a osignie punkt V (punkt doliny). W tym zakresie dioda wykazuje rezystancje ujemn. Dalszy wzrost napi cia powoduje wzrost prdu. Charakterystyka diody tunelowej pokrywa si z charakterystyk diody zwykłej. W zalenoci z czego wykonana jest dioda, punkt szczytu i punkt doliny przesuwa si w prawo. a) b) (+) I I P P I V V (-) P V FP ys Dioda tunelowa. a) symbol diody tunelowej, b) charakterystyka prdowo napiciowa diody tunelowej. Gdzie: P, FP napicia w kierunku przewodzenia odpowiadajce prdowi szczytu(i P ), V punkt doliny i odpowiadajcy jej prd (I V ) i napicie ( V ). 40

39 Parametry charakteryzujce diod tunelow: napicie i prd punktu doliny V, I V ; napicie i prd punktu szczytu P, I P ; stosunek prdu szczytu do prdu doliny (nie jest on zawsze podawany); rezystancja dynamiczna r z (minimalna lub rednia); pojemno warstwy zaporowej C r Parametrem dopuszczalnym jest maksymalny prd w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym. 4

40 ozdział VI.TANZYSTOY BIPOLANE Tranzystorem bipolarnym zwany te warstwowym, stanowi kombinacj dwóch półprzewodnikowych złczy p-n, wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy zachodzce w jednym złczu oddziałuj na drugie, a nonikami ładunku elektrycznego s dziury i elektrony. Tranzystory bipolarne wykonywane s najcz ciej z krzemu, rzadziej z germanu. Ze wzgl du na kolejno ułoenia warstw półprzewodnika rozróniamy: tranzystory p-n-p (rys.6.a), tranzystory n-p-n (rys.6.b). Mog one by z: jednorodn baz (dyfuzyjny), niejednorodn baz (dryfytowy). Zasada działania tranzystora n-p-n i p-n-p jest jednakowa, rónice wyst puj tylko w polaryzacji zewn trznych ródeł napi cia i kierunku przepływu prdów. Tranzystor bipolarny składa si z trzech obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złczy: p-n i n-p. W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika maj swoj nazw : B baza, E emiter, C kolektor. A złcza nazywa si złczem emiterowym (złcze emiter-baza); złczem kolektorowym (złcze baza-kolektor). Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczana w hermetycznie zamkni tej obudowie metalowej, ceramicznej lub plastykowej. Obudowa ta chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, jak równie spełnia inne funkcje, np. w tranzystorach redniej i duej mocy umoliwia skuteczne odprowadzenie ciepła. a) E B C b) E B C E p n p C E n p n C B E C E C B B ys. 6.. Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego. a) p-n-p, b) n-p-n. B 4

41 6.. PODZIAŁ TANZYSTOÓW BIPOLANYCH. Ze wzgl du na wydzielan moc, tranzystory dzielimy na: Małej mocy do 0,3 W. redniej mocy do 5 W. Duej mocy powyej 5 W, nawet do 300 W. Ze wzgl du na maksymaln cz stotliwo generacji, tranzystory dzielimy na: Małej cz stotliwoci do kilkudziesi ciu MHz. Wielkiej cz stotliwoci nawet do kilku GHz. 6.. ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA. Działanie tranzystora bipolarnego rozpatrzymy na przykładzie polaryzacji normalnej tranzystora, tzn. gdy złcze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złcze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, gdy spełniona jest zaleno mi dzy potencjałami na poszczególnych elektrodach: - V E < V B < V C dla tranzystora n-p-n; - V E > V B > V C dla tranzystora p-n-p. Na rysunku 6. pokazano rozpływ prdów i spadki napi mi dzy poszczególnymi elektrodami. n-p-n p-n-p ys. 6.. Oznaczenie rozpływu prdu w tranzystorze i spadki napicia na nim. I B prd bazy, I C prd kolektora, I E prd emitera, CE napicie kolektor-emiter, BE napicie baza-emiter, CB napicie kolektor-baza, V E potencjał emitera, V B potencjał emitera, V C potencjał kolektora. 43

42 Zasada działania tranzystora n-p-n. ys Zasada działania tranzystora n-p-n. I B prd bazy, I C prd kolektora, I CBO zerowy prd kolektora, I E prd emitera, E emiter, B baza, C kolektor. W wyniku przyłoenia napi do elektrod tranzystora, elektrony jako noniki wi kszociowe przechodz z emitera do bazy, gdzie staj si nonikami mniejszociowymi i cz z nich rekombinuje z dziurami wprowadzanymi przez kontakt bazy. Elektrony przechodzce przez złcze emiter-baza maj okrelone pr dkoci i jeeli obszar bazy jest wski, to prawie wszystkie przejd do kolektora, gdzie stan si ponownie nonikami wi kszociowymi i zostan usuni te z obszaru kolektora do obwodu zewn trznego. Stosunek iloci noników (elektronów) przechodzcych do kolektora, do iloci noników (elektronów) wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prdowego i oznaczamy α. Jeeli złcze kolektor-baza jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, tzn. kolektor ma wyszy potencjał ni baza, to pole elektryczne wyst pujce w tym złczu powoduje unoszenie noników z obszaru bazy do obszaru kolektora. Warto prdu płyncego przez kolektor moe by regulowana przez zmian wysokoci bariery złcza emiterowego, czyli przez zmian napi cia polaryzujcego złcze emiter-baza. Przez złcze baza-kolektor płynie prd zwizany z polaryzacj, tzw. Prd zerowy kolektora I CBO. Płynie on nawet wtedy gdy złcze baza-emiter nie jest spolaryzowane (I E = 0). Przez tranzystor płynie równie prd zerowy I CBO, gdy I B = 0. 44

43 I E = I B + I C ; I I C B = α I + I ; (6.) = E ( α ) I I ; E CBO CEO α = β ( β +) ; lub β = α α ; (6.) I I + I C = β. (6.3) B CEO gdzie: α - współczynnik wzmocnienia prdowego (0,95 0,998), β - współczynnik wzmocnienia prdowego, który jest stosunkiem iloci noników wstrzykiwanych do kolektora do iloci noników w bazie (β = 0 850). Zwizki midzy prdami tranzystora Tabela 6. I B I C I E I B β + β I C β I E + β β + β + β β ) I E = IC + I B ; ) IC = I E I B ; 3) I B I E I C = ; I I C α = ; E I I C β = ; B. I E IC + I B = ; = I = β I ; C β ; C B I B I I = β I + I ; E B B ( +) I = β ; E I B 45

44 . IC I E I B = ; I I C β = ; B IC I B = ; β I C IC = I E ; I C ( β + ) = I E β ; β 3. I B I E I C ( β ) I β I C + = E ; β I C = I E ; β + = ; I B I E I B = β ; I B ( + β ) = I E I E I B = ; + β ; 4. I E IC + I B = ; IC I E = IC + ; β ( β + ) I I = C E. β 6.3. KŁADY PACY TANZYSTOA. Zalenie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróniamy trzy sposoby włczenia tranzystora do układu: układ ze wspólnym emiterem OE (WE), układ ze wspóln baz OB (WB), układ za wspólnym kolektorem OC (WC). a) b) c) WE WB WC C E C C B B E B E ys kłady pracy tranzystora. a) ze wspólnym emiterem (OE), b) ze wspóln baz (OB.), c) ze wspólnym kolektorem (OC). 46

45 Wybór układu pracy tranzystora jest zaleny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora. Tranzystor pracujcy w układzie OE charakteryzuje si : duym wzmocnieniem prdowym ( β = I C I B ), duym wzmocnieniem napi ciowym, duym wzmocnieniem mocy. Napi cie wyjciowe w układzie OE jest odwrócone w fazie o 80 w stosunku do napi cia wejciowego. ezystancja wejciowa jest rz du kilkuset Ω a wyjciowa wynosi kilkadziesit kω. Tranzystor pracujcy w układzie OB charakteryzuje si : mał rezystancj wejciow, bardzo du rezystancj wyjciow, wzmocnienie prdowe blisko jednoci ( α = I C I ). Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo duych cz stotliwociach granicznych. Tranzystor pracujcy w układzie OC charakteryzuje si : du rezystancj wejciow co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej cz stotliwoci, wzmocnieniem napi ciowym równym jednoci, duym wzmocnieniem prdowym ( β + = I E I ) CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA Właciwoci tranzystora opisuj rodziny charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne. Charakterystyki statyczne przedstawiaj zalenoci mi dzy prdami: emiter, kolektora, bazy i napi ciami: baza-emiter, kolektoremiter, kolektor-baza. ozróniamy cztery rodziny charakterystyk statycznych: - wejciowa ( = f (I ), przy = const), - przejciowa (I = f (I ), przy = const), - wyjciowa (I = f ( ), przy I = const), - zwrotna ( = f ( ), przy I = const). B E 47

46 Znajc dwie charakterystyki (wejciow i wyjciow) moemy wyznaczy dwie pozostałe. Posta charakterystyki wejciowej i wyjciowej jest taka sama, jak charakterystyki złcza półprzewodnikowego spolaryzowanego w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA PACJCEGO W KŁADZIE OB. Na rysunku 6.5 przedstawiono rodzin charakterystyk statycznych tranzystora w układzie OB, w którym I = I E, = EB, I = I C, = CB. Charakterystyki wejciowe w rzeczywistoci nie przecinaj si w jednym punkcie, spowodowane jest to spadkiem napi cia jakie istnieje na rezystancji rozproszonej bazy r bb. Wyst pujce przesuni cie charakterystyk wzgl dem siebie jest zwizane ze zjawiskiem Early ego modulacja szerokoci bazy. Jest to tzw. oddziaływanie wsteczne w tranzystorze, które silniej wyst puje w tranzystorach z jednorodn baz. Natomiast przesuni cie charakterystyk wyjciowych jest zwizane ze sterowaniem prdu kolektora przez prd emitera. ys Charakterystyki statyczne tranzystora p-n-p w układzie OB. Charakterystyka wyjciowa osiga nasycenie, nie jest płaska lecz nieznacznie wzrasta, co jest spowodowane modulacj efektywnej szerokoci bazy. 48

47 Charakterystyki przejciowe, to linie nachylone pod ktem α - współczynnik wzmocnienia prdowego. Charakterystyki zwrotne powinny by liniami prostymi, równoległymi do osi napi cia CB, jednak tak nie jest w wyniku oddziaływania wstecznego w tranzystorze. Wpływ modulacji szerokoci bazy jest tym silniejszy, im wi kszy jest prd emitera CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA PACJCEGO W KŁADZIE OE. Na rysunku 6.6 przedstawiono rodzin charakterystyk statycznych tranzystora w układzie OE, w którym I = I B, = BE, I = I C,, = CE. Przesuni cie charakterystyk wejciowych wzgl dem siebie jest zwizane z modulacj szerokoci bazy, natomiast przesuni cie charakterystyk wyjciowych jest spowodowane oddziaływaniem prdu bazy na prd kolektora. Podobnie jak w układzie OB. Charakterystyki osigaj nasycenie, a ich nachylenie nie jest stałe, ale ronie. Jest wi ksze ni w układzie OB, gdy cz napi cia CE polaryzuje złcze emiter-baza. ys Charakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w układzie OE. Charakterystyka przejciowa jest lini prost o nachyleniu β - współczynnik wzmocnienia prdowego. Charakterystyki zwrotne s podobne do charakterystyk zwrotnych w układzie OB. 49

48 6.5. STAN PACY I PAAMETY TANZYSTOA. Tranzystor składa si z dwóch złczy p-n, które mog by spolaryzowane w kierunku przewodzenia jak i w kierunku zaporowym. W zwizku z tym wyróniamy cztery stany pracy tranzystora (tab.6.).. Aktywny.. Nasycenia. 3. Zatkania. 4. Inwersyjny. Stan pracy tranzystora i odpowiadajca im polaryzacja złcza Tabela 6. Stan tranzystora Kierunki polaryzacji złczy tranzystora złcze emiter baza złcze kolektor baza Zatkanie zaporowy zaporowy Przewodzenie aktywne przewodzenia zaporowy Nasycenie przewodzenia przewodzenia Przewodzenie inwersyjne zaporowy przewodzenia Tranzystor pracujcy w układach analogowych musi by w stanie aktywnym, natomiast w układach cyfrowych w stanie zatkania lub nasycenia. Parametry tranzystorów. - Parametry statyczne. Parametry okrelajce zalenoci mi dzy prdami i napi ciami stałymi doprowadzanymi do tranzystora rezystancja rozproszenia bazy, współczynnik wzmocnienia prdowego, prdy zerowe. moliwiaj okrelenie punktu pracy tranzystora. - Parametry graniczne. Okrelaj dopuszczalne wartoci: napi, prdów, temperatury i mocy, które mog wystpi w tranzystorze, a 50

49 ich przekroczenie spowoduje uszkodzenie lub zniszczenie tranzystora. - Parametry charakterystyczne. To typowe wartoci okrelajce tranzystor prdy, napi cia. Współczynnik wzmocnienia prdowego, rezystancja bazy, pojemnoci złczowe, pulsacja graniczna. - Parametry maksymalne. Najwi ksze wartoci prdów lub napi. W przypadku przekroczenia okrelonej wartoci gwałtownie pogarszaj si pozostałe parametry tranzystora, ale nie nast puje jego uszkodzenie. - Parametry dynamiczne. Okrelaj właciwoci tranzystora w wybranym punkcie pracy, gdy zostanie on wysterowany przemiennym napi ciem lub prdem czasy włczenia i wyłczenia tranzystora. Najwaniejsze parametry tranzystorów bipolarnych: - Wzmocnienie prdowe. W układzie OE przy okrelonym prdzie kolektora i napi ciu kolektor-emiter; - Napi cie nasycenia. Przy okrelonym prdzie bazy i kolektora; - Prd zerowy. Przy okrelonym napi ciu kolektor-baza lub kolektor-emiter; - Cz stotliwo graniczna; - Pojemno złcza kolektorowego; - Czas wyłczenia; - Stała czasowa zwizana z rezystancj rozproszon bazy; - Maksymalna moc wydzielana. Zastosowanie tranzystorów. Przy produkcji tranzystorów dy si do osigni cia jak najwi kszej wartoci iloczynu wydzielanej mocy i maksymalnej cz stotliwoci generacji. Du warto wydzielanej mocy maj tranzystory, których powierzchnia złcza baza-kolektor jest dua. Natomiast du wartoci cz stotliwoci generacji odznaczaj si tranzystory o bardzo małej rezystancji rozproszonej bazy i pojemnoci złcza kolektorowego oraz o bardzo duej cz stotliwoci granicznej. kłady elektroniczne z tranzystorami germanowymi mog by zasilane ze ródeł o niszym napi ciu około,5 V, natomiast z tranzystorami krzemowymi mog by zasilane ze ródeł o napi ciu około 6 V. Tranzystory germanowe mog pracowa w układach, gdzie pracuj przy wi kszych cz stotliwociach ni tranzystory krzemowe. Tranzystory germanowe 5

50 charakteryzuj si mniejszymi napi ciami na złczach w stanie przewodzenia i wi kszymi prdami zerowymi ni tranzystory krzemowe 6.6. SCHEMATY ZASTPCZE TANZYSTOA Schematy zast pcze tranzystora stosujemy, wtedy gdy chcemy przeprowadzi analiz pracy danego układu elektronicznego. ozróniamy trzy podstawowe schematy zast pcze tranzystora: - Typu Π. - Hybrydowy. - Ebersa Molla. Schemat zastpczy typu Π tranzystora jest stosowany przy okrelaniu punktu pracy i parametrów roboczych układów elektronicznych rezystancja wejciowa i wyjciowa, wzmocnienie. Schemat hybrydowy słuy równie do okrelania parametrów układów elektronicznych. Wartoci parametrów h okrela si korzystajc z charakterystyk statycznych tranzystora. Model Ebersa Molla jest wykorzystywany do analizy pracy układów impulsowych i cyfrowych. Schemat zastpczy hybrydowy. Tranzystor traktujemy jako czwórnik i napi cie na wejciu i prd wyjciowy tranzystora pracujcego w układzie OE jest opisany nast pujco: BE h I B + h =, CE przy czym: IC h I B + h =, CE h = BE - impedancja wejciowa przy zwartym wyjciu, I B CE = 0 h = BE - współczynnik przenoszenia wstecznego przy rozwartym wejciu, CE I B = 0 5

51 h = I C - współczynnik przenoszenia prdowego przy zwartym wyjciu, I B CE = 0 h = I C - admitancja wyjciowa przy rozwartym wejciu. CE I B = 0 B I B h I C C BE h CE h I B h CE E ys.6.7. Schemat zastpczy hybrydowy tranzystora. ys Sposób wyznaczania parametrów h tranzystora h = tgα, h = tgα, h = tgα, h = tgα, Q punkt pracy. 53

52 ozdział VII. TANZYSTOY POLOWE JFET Tranzystor polowe, nazywane równie tranzystorami unipolarnymi, stanowi grup kilku rodzajów elementów, których wspóln cech jest porednie oddziaływanie pola elektrycznego na rezystancj półprzewodnika lub na rezystancj cienkiej warstwy nieprzewodzcej. Do tej grupy zaliczamy tranzystory, których prd wyjciowy jest funkcj pola elektrycznego istniejcego pod wpływem napi cia sterujcego wejciowego. Teoretycznie sterowanie prac tranzystora polowego moe odbywa si bez poboru mocy. W działaniu elementu udział bierze tylko jeden rodzaj noników ładunku, std nazwa polowy (unipolarny). Tranzystory polowe, zwane w skrócie FET (ang. Field Effect Transistor), maj kanał typu P lub kanał typu N, który moe by wzbogacony lub zuboony. W tranzystorach z kanałem typu N nonikami prdu s elektrony, a w tranzystorach z kanałem typu P nonikami prdu s dziury. W tranzystorach polowych mi dzy elektrodami płynie prd noników jednego rodzaju, prd noników wi kszociowych. Warto prdu przepływajcego przez tranzystor polowy jest zalena od wartoci napi cia przyłoonego mi dzy ródłem a drenem oraz od wartoci rezystancji kanału, która wyraona jest wzorem: l = ; qµ N hw gdzie: µ, N ruchliwo i koncentracja noników w kanale, l, h, w wymiary kanału. Tranzystorów polowe dzielimy na: Tranzystory polowe złczowe JFET (ang. Junction FET), Tranzystory polowe z izolowan bramk IGFET lub MOSFET (ang. Insulated Gate FET lub Metal Oxide Semiconductor FET). Tranzystory polowe cienkowarstwowe TFT (ang. Thin Film Transistor). W tranzystorach polowych elektrody maj swoj nazw i okrelony symbol: ródło (ang. Source), oznaczone liter S. Jest elektrod z której wypływaj noniki ładunku do kanału. Prd ródła oznacza si jako I s. Dren (ang. Drain), oznaczone liter D. Jest elektrod do której dochodz noniki ładunku. Prd drenu I D, napi cie dren-ródło DS. 54

53 Bramka (ang. Gate), oznaczone liter G. Jest elektrod sterujc przepływem ładunków. Prd bramki I G, napi cie bramka-ródło GS. 7.. TANZYSTOY POLOWE ZŁCZOWE JFET. Tranzystor polowy złczowy składa si zasadniczo z warstwy półprzewodnika typu n w tranzystorach z kanałem typu N lub z półprzewodnika typu p w tranzystorach z kanałem typu P. Warstwa ta tworzy kanał. Do obu koców kanału dołczone s elektrody. Symbole graficzne przedstawiono na rysunku 7.. Tranzystor moe by take wzbogacany lub zuboany. Tranzystory te naley polaryzowa tak, aby: noniki poruszały si od ródła do drenu, złcze bramka-kanał było polaryzowane zaporowo. a) b) G D S G D S ys. 7.. Symbole graficzne tranzystora polowego złczowego JFET. a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P. 7.. ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA POLOWEGO JFET ródło i dren tranzystora polowego s spolaryzowane tak, aby umoliwi przepływ noników wi kszociowych przez kanał w kierunku od ródła do drenu. W tranzystorze z kanałem typu P od ródła do drenu przepływaj dziury, a w tranzystorze z kanałem typu N od ródła do drenu przepływaj elektrony. Złcze bramka-kanał w obu tranzystorach powinny by spolaryzowane w kierunku zaporowym. Zasada działania tranzystora polowego JEFT pokazana jest na rysunku 7.. Jeeli napi cie GS = 0 i DS ma mał warto (rys.7.a), to prd zmienia si liniowo w funkcji przykładnego napi cia tranzystor zachowuje si jak rezystor. Podczas narastania napi cia DS złcze kanał-bramka (PN) jest coraz silniej polaryzowane zaporowo, przy czym polaryzacja ta jest silniejsza w pobliu drenu (rys.7.b). Przy pewnej wartoci napi cia DS. = Dssat = p, nast puje zamknicie (odcicie) kanału (rys.7.c) przy drenie. 55

54 Dalszy wzrost napi cia powoduje, e kanał jest zamykany coraz bliej ródła (punkt Y Y ). Przyrost napi cia rozkłada si na warstwie zaporowej, nie powodujc dalszego wzrostu prdu. ozszerza si warstwa zaporowa, czyli zwi ksza gł boko jej wnikania w kanał. Tranzystor wchodzi w stan nasycenia, a prd przez niego płyncy jest prdem nasycenia. Ze wzrostem napi cia GS : maleje warto płyncego przez tranzystor prdu; przy mniejszych wartociach napi cia DS nast puje zamkni cie kanału, czemu odpowiada mniejsza warto prdu nasycenia (rys.7.b). ys. 7.. Zasada działania tranzystora polowego JFET. a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie si warstwy zaporowej w wyniku przyłoonego napicia DS., c) odcicie kanału (Y), d) nasycenie tranzystora. p = Gsoff napicie odcicia kanału PAAMETY I CHAAKTEYSTYKI TANZYSTOA POLOWEGO JEFT. Tranzystory polowe charakteryzuj si : parametrami statycznymi dla duych wartoci sygnałów, parametrami dynamicznymi dla małych wartoci sygnałów. Właciwoci statyczne tranzystora polowego opisuj rodziny charakterystyk przejciowych i wyjciowych. Charakterystyki tranzystora złczowego: 56

55 - charakterystyka przejciowa przedstawia zaleno prdu drenu I D od napi cia bramka-ródło GS, przy ustalonej wartoci napi cia dren-ródło DS (rys.7.3). Charakterystyki przejciowe zale od temperatury. Wielkociami charakterystycznymi krzywych s:. Napicie odcicia bramka-ródło GS(off). Jest to napi cie jakie naley doprowadzi do bramki, aby przy ustalonym napi ciu DS nie płynł prd drenu.. Prd nasycenia I DSS. Jest to prd płyncy przy napi ciu GS = 0 i okrelonym napi ciu DS. ys Charakterystyka przejciowa tranzystora złczowego. - Charakterystyka wyjciowa. Przedstawia zaleno prdu drenu I D od napi cia dren-ródło DS, przy stałym napi ciu bramka-ródło GS (rys.7.4). 57

56 ys.7.4. Charakterystyka wyjciowa tranzystora złczowego. a odpowiada stanowi z rys.7.a, b odpowiada stanowi z rys.7.b, c odpowiada stanowi z rys.7.c, d odpowiada stanowi z rys.7.d. Parametry statyczne: prd wyłczenia I D(off), rezystancja statyczna włczenia DS.(on), rezystancja wyłczenia DS.(off), prdy upływu. Parametry graniczne: dopuszczalny prd drenu I Dmax (od kilku do kilkudziesi ciu miliamperów), dopuszczalny prd bramki I Gmax, dopuszczalne napicie dren-ródło Dsmax (od kilku do kilkudziesi ciu woltów) lub bramka-ródło Gsmax, dopuszczalne straty mocy P totmax P Dmax (od kilkudziesi ciu do kilkuset miliwoltów). 7.4 SCHEMAT ZASTPCZY TANZYSTOA ZŁCZOWEGO. 7.5). Dla tranzystora złczowego moemy utworzy schemat zast pczy (rys. 58

57 C gd G I g g gd I d D gs C gs g gs g ds C ds g m gs ds S S ys Schemat zastpczy tranzystora złczowego. Na rysunku tym: C gs, C gd pojemnoci warstwy zaporowej, g gs, g gd konduktancje bramka-ródło i bramka-dren, g m transkonduktancja, g ds konduktancja wyjciowa. S one okrelone nast pujcymi zalenociami: g = β - transkonduktancja dla zakresu nienasycenia, m DS g g m ds ( ) = β - transkonduktancja dla zakresu nasycenia, GS ( ) GS p = β - konduktancja wyjciowa dla zakresu nienasycenia, p DS g = 0 - konduktancja dla zakresu nasycenia. ds Cz stotliwo maksymalna w tranzystorze zaley od czasu przelotu noników przez kanał i od stałej czasowej ładowania pojemnoci kanał-bramka C g, i jest równa cz stotliwoci granicznej Maksymalna cz stotliwo generacji f T =. πr C d g f = max ft rd gm, przy czym r d oznacza rezystancj kanału. 59

58 7.5. TANZYSTOY Z IZOLOWAN BAMK MOSFET. Tranzystor z izolowan bramk (rys. 7.6) jest to najcz ciej tranzystor o konstrukcji MIS (MOS) z kanałem typu N lub typu P, izolowanym od bramki warstw dielektryka. ys Zasada działania tranzystora z izolowan bramk. a) zakres liniowy, b)odcicie kanału, c) nasycenie tranzystora. B podłoe ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA MIS (MOS). Zasad działania tranzystora MIS (MOS) omówimy na przykładzie najcz ciej spotykanej polaryzacji, tj. przy zwartym ródle i podłou. Jeeli do bramki zostanie przyłoone napi cie dodatnie, to powstanie kanał wzbogacony, a jeli ujemne, to powstanie kanał zuboony. W tranzystorze z kanałem wzbogaconym, wzrost napi cia GS powyej wartoci napi cia progowego T powoduje powstanie kanału. Napicie progowe T jest to napi cie, jakie naley przyłoy do bramki, aby powstała warstwa inwersyjna. Kady nast pny przyrost napi cia GS powoduje przyrost ładunku wprowadzanego przez bramk, który jest kompensowany ładunkiem noników powstajcego kanału. W tranzystorze z kanałem zuboonym, wzrost napi cia GS powoduje silniejsze zuboenie kanału, a wreszcie przy pewnej jego wartoci, równej tzw. napiciu odcicia Gsoff, kanał zanika. Jeeli napi cia DS i GS b d porównywalne, to prd drenu b dzie zaleny liniowo od napi cia DS kanał pełni wówczas funkcj rezystora liniowego (rys. 7.6a). Dalszy wzrost napi cia DS powoduje, tak jak w tranzystorze złczowym, spadek napi cia na rezystancji kanału. W okolicy drenu nast puje zmniejszanie inwersji, a do całkowitego jej zaniku. Mówimy wtedy o odci ciu kanału. Warto napi cia DS, przy której nast puje odci cie kanału nazywamy napi ciem nasycenia (rys. 7.6b). = ; sat DS GS T 60

59 Dalszy wzrost napi cia DS nie powoduje ju wzrostu prdu drenu, ale wpływa na odci cie kanału bliej ródła. Mówimy wówczas, e tranzystor pracuje w stanie nasycenia (rys. 7.6c). Tranzystor MOSFET to tranzystor polowy, w którym bramka jest oddzielona od kanału cienk warstw izolacyjn, najcz ciej utworzon z dwutlenku SiO. Dzi ki odizolowaniu bramki, niezalenie od jej polaryzacji, teoretycznie nie płynie przez nie aden prd. Praktycznie w tranzystorach JEFT prdy bramki s rz du pa 0nA, a w tranzystorach MOSFET ok. 0 3 razy mniejsze. Dlatego te w tranzystorach JEFT moemy uzyska rezystancj wejciow układu równ Ω, a w przypadku tranzystorów MOSFET rezystancja wejciowa jest równa Ω. W zalenoci od zjawisk fizycznych i od polaryzacji bramki, w tranzystorze tym moe powstawa: - Kanał indukowany. Kanał w postaci warstwy inwersyjnej, np. kanał typu N ma bardzo duo elektronów, a mało dziur. - Kanał wbudowany. Kanał w postaci warstwy akumulacyjnej wzbogacanej, np. kanał typu N ma duo dziur i bardzo duo elektronów, lub zuboonej, np. kanał typu N ma mało elektronów i mało dziur. S one inaczej okrelane jako warstwy domieszkowane o przeciwnym typie przewodnictwa w stosunku do podłoa. W tranzystorach z kanałem wbudowanym przy napi ciu GS = 0 płynie pewien prd, który zmniejsza si przy zwi kszaniu napi cia sterujcego bramki. Takie tranzystory nazywa si tranzystorami normalnie złczonymi lub pracujcym na zasadzie zuboania noników w kanale (tranzystory z kanałem zuboanym). W tranzystorach z kanałem indukowanym, gdy do bramki doprowadzi si napi cie ujemne w stosunku do podłoa, wówczas ródło zostaje oddzielone od drenu dwoma przeciwnie spolaryzowanymi złczami p-n. Jest to tzw. stan akumulacji. Prd ródło-dren stanowi wtedy prd wsteczny jednego ze złczy. Ma on znikomo mał warto. Mały prd płynie take przy GS = 0. Dlatego te te tranzystory nazywane s tranzystorami normalnie wyłczonymi. Gdy do bramki doprowadzi si napi cie dodatnie w stosunku do podłoa, wówczas po przekroczeniu pewnej wartoci, tzw. napi cia progowego T, przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa przeciwnego typu ni półprzewodnik stanowicy podłoe. Jest to warstwa inwersyjna. Warstwa ta stanowi zaindukowany kanał, który po doprowadzeniu napi cia polaryzujcego ródło-dren umoliwia przepływ prdu od ródła do drenu. Ze wzrostem napi cia GS prd drenu wzrasta. Tranzystory te nazywane s tranzystorami z kanałem wzbogaconym. 6

60 Tranzystory z kanałem zuboanym i tranzystory z kanałem wzbogacanym mog mie kanały typu N lub typu P. Istniej cztery podstawowe rodzaje tranzystorów z izolowan bramk (tab.7.). odzaje tranzystorów z izolowan bramk. Tabela CHAAKTEYSTYKI TANZYSTOÓW MOSFET. Podstawowymi charakterystykami tranzystora MOSFET s: - Charakterystyka przejciowa. Zaleno prdu drenu od napi cia bramka-ródło, przy stałym napi ciu ródło-dren. - Charakterystyka wyjciowa. Zaleno prdu drenu od napi cia ródło-dren, przy stałym napi ciu bramka-ródło. Mona je wyrazi nast pujcymi zalenociami: - w zakresie liniowym prd drenu ma posta: ( ) DS GS T DS I D = β ; - w zakresie nasycenia prdu drenu ma posta: 6

61 I D ( ) = β GS T ; przy czym: β - współczynnik transkonduktancji (parametr zaleny od właciwoci tranzystora), T napi cie progowe. Tranzystory MOSFET charakteryzuj si tymi samymi parametrami co tranzystory JEFT. Tranzystory MOSFET maj czwart elektrod podłoe, oznaczone symbolem B. Spełnia ona podobn rol sterujc jak bramka. Jest ona oddzielona od kanału tylko złczem p-n. Gdy nie korzysta si z funkcji podłoa, wówczas łczy si je ze ródłem. Połczenie to moe by wykonane wewntrz obudowy i wtedy nie ma wyprowadzenia na zewntrz. Zalety tranzystorów polowych: dua rezystancja wejciowa, małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i rednich cz stotliwoci), moliwo autokompensacji temperaturowej, odporno na promieniowanie, małe wymiary powoduj, e s one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych. Tranzystory mog pracowa w trzech podstawowych konfiguracjach:. kład o wspólnym ródle OS.. kład o wspólnej bramce OG. 3. kład o wspólnym drenie OD. 63

62 ozdział VIII. ELEKTONICZNE ELEMENTY PZEŁCZAJCE Elementy przełczajce to: tranzystor jednozłczowy, tyrystor, dynistor, diak, triak. Elementy przełczajce maj charakterystyk prdowo napi ciow typu S i pracuj w dwóch stanach:. Blokowania zwany równie stanem wyłczenia, który charakteryzuje si bardzo du rezystancj elementu.. Przewodzenia zwany równie stanem włczenia, który charakteryzuje si bardzo mał rezystancj elementu. ys. 8. Charakterystyka elementu przełczajcego. 8.. TANZYSTO JEDNOZŁCZOWY Tranzystor polaryzuje si w nast pujcy sposób: ) Do bazy drugiej doprowadza si wyszy potencjał ni do bazy pierwszej. ) Złcze emiter-baza pierwsza polaryzuje si w kierunku przewodzenia. 64

63 a) b) B E B p n B B c) I B I E BB lub BB ys. 8.. Tranzystor jednozłczowy. a) budowa, b) symbol graficzny, c) oznaczenia napicia i prdów. Tranzystor jednozłczowy zwany równie jest diod o dwóch bazach (rys. 8.) zawiera złcze p-n, utworzone przez umieszczenie małego pr cika z materiału typu p wewntrz bryłki z materiału typu n. W jednym z rodzajów konstrukcji, do bryłki materiału n dopasowane s dwa metalowe doprowadzenia, zwane bazami. W miejscach doprowadzenia nie wyst puj złcza p-n. Elektroda B jest punktem odniesienia dla całego układu. Mi dzy elektrodami B i B wyst puje rezystancja midzybazowa, której warto w warunkach rozwarcia obwodu emitera jest rz du kilku tysi cy omów. Po doprowadzeniu do B napi cia dodatniego, w obszarze materiału n pomi dzy B i B wytwarza si równomiernie rozłoony spadek napi cia. W miejscu umieszczenia emitera E napi cie wzgl dem elektrody B jest okrelon cz ci napi cia mi dzybazowego i wynosi η BB. Współczynnik η nazywa si współczynnikiem podziału napicia. Jego warto wynosi zazwyczaj od 0,5 do 0,8. Gdy napi cie emitera E jest mniejsze ni (η BB + D ), złcze p-n mi dzy emiterem a bryłk polaryzowane jest w kierunku zaporowym. D oznacza potencjał dyfuzyjny złcza. W przypadku złcza krzemowego jest on rz du 0,7 V. Gdy napi cie jest wi ksze ni (η BB + D ), złcze polaryzowane jest w kierunku przewodzenia. Gdy złcze jest spolaryzowane 65

64 zaporowo, prd emitera I E jest pomijalnie mały. Natomiast gdy złcze zostanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia, prd emitera osiga due wartoci. Prd emitera powoduje wprowadzenie do obszaru n bazy noników dziurowych. Dziury te zmniejszaj rezystancj materiału typu n, co umoliwia przepływ duego prdu w obwodzie mi dzybazowym. Jednoczesne wyst powanie dziur i elektronów w obszarze bazy mi dzy emiterem a baz B gwałtownie zmniejsza spadek napi cia na tej cz ci obszaru bazy. W zwizku z tym, prd emitera gwałtownie ronie, a charakterystyka E (I E ) wykazuje zakres opornoci ujemnej. Przebieg charakterystyki E (I E ) dla przypadku idealnego przedstawiono na rysunku 8.3a. Punkt, w którym dioda włcza si lub zapala, jest nazywany punktem szczytowym i okrelony przez wartoci I P oraz P. Przy wi kszych wartociach prdu emitera, spadek napi cia mi dzy emiterem a baz B, pocztkowo ronie ze wzrostem I E, a nast pnie ustala si osigajc warto nasycenia, oznaczon symbolem ES lub EBS. Najniszy punkt charakterystyki, o współrz dnych I V i V, nazywamy punktem doliny. V ES 0 I P I V I E ys Charakterystyka tranzystora dla przebiegu idealnego. Parametry tranzystora jednozłczowego: wewntrzny współczynnik blokowania; rezystancja midzybazowa (r B + r B ); napicie nasycenia (napi cie emiter-baza pierwsza, przy maksymalnym prdzie emitera); prd doliny; prd szczytu. Tranzystory jednozłczowe uywa si do budowy przerzutników astabilnych, bistabilnych i monostabilnych. 66

65 8.. DYNISTO Dynistor jest to element półprzewodnikowy o strukturze czterowarstwowej typu n-p-n-p. Warstwy te s rónej szerokoci i maj róne wielkoci koncentracji noników. Obszar p nazywamy anod, obszar n katod. Tak struktur mona traktowa jako połczenie dwóch tranzystorów: typu p-n-p i n-p-n. Warstwy p i n b dziemy nazywa emiterem, a warstwy n i p bazami, złcze rodkowe nazywa b dziemy kolektorem. Przyłczenie dynistora odbywa si przez zmian polaryzacji napi cia anoda katoda i zmniejszenie prdu anodowego poniej prdu podtrzymania. W pracy dynistora wyrónia si trzy stany: ) Zaporowy; ) Blokowania; 3) Przewodzenia; a) b) ys Dynistor. a) struktura, b) charakterystyka. Dynistor jest wstanie zatkania jeeli anoda jest polaryzowana ujemnie wzgl dem katody. Złcza n p i n p s polaryzowane zaporowo, a złcze n p w kierunku przewodzenia. Napi cie polaryzacji odkłada si na złczu n p, a prd płyncy przez dynistor jest mały i równy sumie prdów wstecznych złczy n p i n p. Stan blokowania i przewodzenia uzyskuje si przy polaryzacji anody napi ciem dodatnim wzgl dem katody. Przełczenie dynistora moe nastpi w wyniku: powielania lawinowego noników w kolektorze, przy duym napi ciu polaryzujcym dynistor, 67

66 wzrostu prdu generacyjnego pod wpływem temperatury, gwałtownego wzrostu napi cia miedzy anod i katod. Natomiast wyłczenie dynistora nast puje przy znacznym obnieniu napi cia pomi dzy anod i katod. Dynistory stosuje si jako elementy sterujce; ich napi cia przyłczenia wynosz do 40 V a szczytowe prdy przewodzenia 0A DIAK Diak jest to dynistor symetryczny. Zachowuje si tak jak dioda przełczajca, róni si tylko tym, e napi cie po załczeniu zmniejsza si o stosunkowo mał warto, nie zbliajc si do zera. A n 3 p n p n a) K b) c) ys.8.5. Diak. a) struktura, b) charakterystyka prdowo napiciowa. c) symbol graficzny diody DIAC Zasad działania diaka wyjania si na podstawie dwóch struktur czterowarstwowych (p n p n i p n p n ). Diaki wykorzystuje si do wytwarzania impulsów załczajcych tyrystory, a w układach sterujcych spełniaj one funkcje szybkich przełczników, reagujcych na warto chwilow napi cia. 68

67 8.4. TYYSTO Tyrystor jest to element półprzewodnikowy o strukturze czterowarstwowej typu n-p-n-p. Trzy wyprowadzone na zewntrz kocówki s dołczone do trzech warstw półprzewodnika: anoda A do skrajnej warstwy p, katoda K do skrajnej warstwy n oraz trzecia kocówka zwana bramk G, do wewn trznej warstwy p. Taka struktura moe by uwaana za połczenie dwóch tranzystorów n-p-n i p-n-p. a) b) c) A A A p p G G n p n p n p K K d) e) A I A złcze p n złcze 3 p złcze n K n G n K + G I G + ys Tyrystor. a)symbol graficzny, b), c)podstawowa struktura, d) polaryzacja, e) charakterystyka prdowo napiciowa. A anoda, K katoda, G bramka,,,3 prd bramki. Przełczenie tyrystora moe nastpi w wyniku przepływu prdu przez bramk. Im mniejsze jest napi cie mi dzy anod a katod, tym wi kszy musi by prd bramki, aby nastpiło przełczenie tyrystora. Mona go włczy dopiero wówczas, gdy przez bramk nie b dzie płynł prd i gdy zmniejszymy napi cie mi dzy anod a katod. 69

68 ródła zasilajce s tak dobrane, aby polaryzowa złcze n p dwa razy silniej, w wyniku czego złcze to wstrzykuje wi cej noników, powodujc dodatnie sprz enie zwrotne mi dzy złczem n p i n p. Parametry tyrystorów: napicie przełczenia, przy zerowym prdzie bramki; prd trzymania najmniejsza warto prdu płyncego przez tyrystor, przy której nie nast puje jego wyłczenie; prd przełczajcy bramki warto prdu powodujcego przełczenie tyrystora, przy okrelonym napi ciu mi dzy anod a katod; czas włczenia; czas wyłczenia. Tyrystory stosuje si w: układach zasilania jako regulator mocy; automatyce jako styczniki; innych układach elektrycznych jako przerywacze prdu stałego, sterowniki prdu przemiennego TIAK Triak to tyrystor symetryczny o strukturze i charakterystyce przedstawionej na rysunku poniej. a) b) A G A A n 3 p 3 n 4 n n p K G G A A 70

69 c). ys Triak. a) struktura, b) symbol graficzny, c) charakterystyka prdowo napiciowa. Przełczenie triaka nast puje pod wpływem ujemnego prdu bramki. W triakach tyrystorach symetrycznych została wyeliminowana podstawowa wada tyrystorów, jak jest moliwo przewodzenia prdu tylko w jednym kierunku. Triaki mona załcza zarówno przy dodatnim jak i ujemnym napi ciu anoda katoda. Najcz ciej wytwarza si triaki, które s przełczone w stan przewodzenia w jednym kierunku prdem o polaryzacji dodatniej, a w drugim kierunku prdem o polaryzacji ujemnej. Triaki zast puj tyrystory, co umoliwia znaczne uproszczenie układów sterujcych. 7

70 ozdział IX. ELEMENTY OPTOELEKTONICZNE 9.. DIODA ELEKTOLMINESCENCYJNA Diody elektroluminescencyjne zwane s take diodami wieccymi LED (z ang. Light Emiting Diode), emituj promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. Jest to dioda wiecca pod wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewntrz. Intensywno wiecenia zaley od wartoci doprowadzonego prdu, przy czym zaleno ta jest liniowa w duym zakresie zmian prdu. Istniej diody elektroluminescencyjne próniowe, gazowane i półprzewodnikowe. Cz sto stosowane s półprzewodnikowe, gdy pracuj przy niewielkich napi ciach (ok. V) z niewielkimi prdami (kilku do kilkunastu ma), co ułatwia ich współprac w układach tranzystorowych. a) b) hν Dziury z obszaru n rekombinujce z dziurami hν Dziury z obszaru p rekombinujce z elektronami I F p n + - I F + - Noniki nieruchome c) ys.9.. Dioda elektroluminescencyjna. a) sposób włczenia, b) zasada działania, c) obudowy. 7

71 Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji złcza w kierunku przewodzenia. Zasada działania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku elektroluminescencji. Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na wytwarzaniu wiatła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w spolaryzowanym złczu p-n. Przechodzenie elektronów z wyszego poziomu energetycznego na niszy powoduje wydzielenie energii w postaci wiatła (fotonu). Długo fali generowanego (emitowanego) promieniowania: przy czym: ch λ = ; (9.) W g W g = W c W v - szeroko pasma zabronionego lub rónica energii poziomów, mi dzy którymi zachodzi rekombinacja, c pr dko wiatła, h stała Plancka. Długo fali emitowanego promieniowania zwi ksza si ze wzrostem temperatury złcza. Diody emituj promieniowanie w bardzo wskim przedziale widma: od 490 nm kolor niebieski do 950 nm bliska podczerwie. ys.9.. Charakterystyki widmowe diod elektroluminescencyjnych. Diody elektroluminescencyjne s wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. GaAs, GaP, GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu), charakteryzujcych si du sprawnoci emisji promieniowania. Barwa promieniowania emitowanego przez diody LED zaley od materiału półprzewodnikowego. Diody emituj promieniowanie o barwach: niebieskiej, ółtej, zielonej, 73

72 pomaraczowej, czerwonej. Produkuje si take diody wiecce rónymi kolorami. Charakterystyki prdowo napi ciowe diod LED maj przebieg podobny do innych charakterystyk diod półprzewodnikowych. Wi ksze napi cie przewodzenia F ; wynosz one ok.,6v dla diod wieccych na czerwono i ok.,6v dla diod wieccych na zielono. ys.9.3. Charakterystyka prdowo napiciowa diody LED. redni prd przewodzenia I F nie powinien przekracza 0 00 ma, zalenie od typu diody. W typowym układzie pracy prd przewodzenia ogranicza si rezystorem. Diody LED s umieszczane w obudowach: metalowych, z tworzyw sztucznych, przezroczystych, matowych (półprzezroczystych), bezbarwnych lub na barwione na taki kolor jak wieci dioda. Obudowy s zamkni te soczewkami z tworzyw sztucznych, formujcymi wizk promieniowania. Pozwalaj one uzyska optymalny kształt charakterystyki ktowej promieniowania, obrazujcej przestrzenny rozkład promieniowania wzgl dem osi optycznej. 74

73 ys Charakterystyka ktowa promieniowania diody LED WŁACIWOCI OPTYCZNE I ELEKTYCZNE DIODY LED Parametry optyczne - strumie energetyczny S e (moc emitowana przez diod I), wyraamy w watach, lub strumie wietlny (moc emitowana przez diod wiecc), wyraamy w lumenach. Warto mocy emitowanej przez diod ronie ze wzrostem prdu przewodzenia, a maleje ze wzrostem temperatury złcza; - natenie promieniowania J e stosunek strumienia energetycznego do kta bryłowego dla diod I, którego jednostk jest wat na steradian; - wiatło stosunek strumienia wietlnego do kta bryłowego dla diod LED, wyraona w kandelach. Nat enie promieniowania i wiatło zwi kszaj si ze wzrostem prdu przewodzenia; - połówkowa szeroko spektralna promieniowania λ. Jest to szeroko pasma promieniowania, definiowana jako rónica długoci fal λ λ, dla których moc emitowana osiga połow swej wartoci maksymalnej. Parametry diody elektroluminescencyjnej okrela si take na podstawie: - Charakterystyki widmowej. Jest to zaleno mocy emitowanej strumienia energetycznego lub strumienia wietlnego od długoci fali emitowanego promieniowania (rys.7.). 75

74 - Charakterystyki ktowej promieniowania diody zaleno mocy emitowanej od wartoci kta mierzonego od osi diody (rys.7.3). Parametry elektryczne Parametry elektryczne diody elektroluminescencyjne s takie same jak innych diod czyli: prd przewodzenia, napi cie przewodzenia, napi cie wsteczne oraz moc strat, która wynosi od kilkudziesi ciu do kilkuset mw, a jej warto zaley od temperatury złcza. Bardzo wanym parametrem diody jest sprawno kwantowa zewntrzna czyli stosunek liczby fotonów wyemitowanych przez diod do liczby noników przepływajcych przez złcze. Sprawno ta maleje wraz ze wzrostem temperatury złcza. Trwało diod wynosi około 0 5 godzin. Właciwoci dynamiczne diod okrela przebieg charakterystyki cz stotliwociowej, na której jest zaznaczona cz stotliwo graniczna. Jest to cz stotliwo, przy której moc promieniowania maleje do połowy swojej wartoci maksymalnej i zaley od materiału półprzewodnikowego, domieszkowania (czasu ycia noników) oraz technologii wytworzenia. Zalety diod elektroluminescencyjnych mały pobór prdu; mała warto napi cia zasilajcego; dua sprawno; mała moc strat; małe rozmiary; dua trwało; dua warto luminacji; Diody elektroluminescencyjne s najbardziej rozpowszechnionymi elementami optoelektronicznymi. Stosuje si je jako: sygnalizatory włczenia lub sygnalizatory okrelonego stanu pracy urzdze elektrycznych, takich jak sprz t radiowo telewizyjny i aparatura pomiarowa, wskaniki w windach i telefonach, elementy podwietlajce przełczniki i skale, wskaniki poziomu cieczy, np. paliwa, oleju, wody w samochodzie itp. Stosuje si w kalkulatorach, zegarkach, przyrzdach pomiarowych, jako wskaniki poziomu sygnału, dostrojenia itp. w sprz cie powszechnego uytku. 76

75 Diody elektroluminescencyjne, które emituj promieniowanie podczerwone wykorzystuje si w łczach wiatłowodowych, a take w urzdzeniach zdalnego sterowania np. w urzdzeniach alarmowych i w tzw. pilotach do odbiorników telewizyjnych. 9.. FOTOEZYSTO Fotorezystor jest elementem wiatłoczułym. Jego rezystancja zmienia si pod wpływem padajcego promieniowania i nie zaley od kierunku przyłoonego napi cia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Owietlenie fotorezystora powoduje zwi kszenie przepływajcego prdu (zmniejsza si jego rezystancja). Prd b dcy rónic całkowitego prdu płyncego przez fotorezystor i prdu ciemnego (prd płyncy przez fotorezystor przy braku owietlenia) nazywamy prdem fotoelektrycznym. Jego warto zaley od nat enia owietlenia i jest okrelona zalenoci: I = G ; (9.3) γ p E V w której: G,γ - wartoci stałe zalene od materiału półprzewodnikowego i rodzaju domieszek, E V nat enie owietlenia. Parametry fotorezystora czuło widmowa zaleno rezystancji od nat enia owietlenia. Na warto czułoci wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania dobieranie ze wzgl du na przeznaczenie fotorezystora. rezystancja fotorezystora: E d ρ l = ; (9.4) d odst p mi dzy elektrodami l szeroko elektrod ρ -rezystywno półprzewodnika. współczynnik n okrelany jako stosunek rezystancji przy danej wartoci nat enia owietlenia n D = ; (9.5) 50 gdzie: D rezystancja ciemna 50 rezystancja przy nat eniu owietleniu równym 50 lx. 77

76 Warto rezystancji ciemnej zaley od stopnia czystoci półprzewodnika. ezystancja ciemna jest około tysic razy wi ksza ni rezystancja przy owietleniu 50 lx i zawiera si w przedziale od 0 6 Ω do 0 Ω. Na podstawie charakterystyki prdowo napi ciowej fotorezystora (rys.9.5)dobiera si właciwy obszar jego pracy. Charakterystyki te s liniowe w duym zakresie napi i prdów. ys.9.5. Charakterystyka prdowo napiciowa fotorezystora. Fotorezystory wykonuje si najcz ciej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych izolacyjne np. szklane podłoe (rys.9.6a). Materiał wiatłoczuły rozdzielaj dwie metalowe elektrody majce wyprowadzenia. Elektrody te cz sto maj kształt grzebieniowy (rys.9.6b). Nad powierzchni wiatłoczuł umieszcza si okienko i zamyka w obudowie, chronicej przed uszkodzeniami, a niekiedy umoliwiajcej prac w obnionej temperaturze (tzw. naczynie Dewara). a) b) Elektroda hν Elektroda CdS Podłoe 78

77 ys Fotorezystor. a) budowa, b) grzebieniowy kształt elektrod. Fotorezystory wykonuje si z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, jak równie z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rt ci CdHgTe. Od materiału półprzewodnikowego zaley zakres widmowy λ S, λ S wykrywanego promieniowania, czyli zakres długoci fal, dla którego czuło fotorezystora wynosi nie mniej ni 0% czułoci maksymalnej. Wad fotorezystora jest wraliwo temperaturowa. Ze wzgl du na du czuło i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje si do: pomiaru temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpoarowych, wykrywania zanieczyszcze rzek i zbiorników wodnych, detekcji strat ciepła przez izolacj termiczn budynków, badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów, celów wojskowych FOTODIODA Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa. ónica jest w obudowie, gdy znajduje si tam soczewka płaska lub wypukła, umoliwiajca owietlenie jednego z obszarów złcza. Fotodiody wykonuje si z krzemu lub arsenku galu. Fotodiod mona traktowa jako ródło prdu o wydajnoci zalenej od nat enia owietlenia. Fotodiod polaryzuje si zaporowo zewn trznym ródłem napi cia. Pod wpływem owietlenia przez fotodiod płynie prd wsteczny, który zwi ksza si ze wzrostem owietlenia. Przy braku owietlenia przez fotodiod płynie niewielki ciemny prd wsteczny I 0 wywołany generacj termiczn noników. Prd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartoci napi cia wstecznego. Zasada działania fotodiody. 79

78 Promieniowanie hν Pary elektron - dziura + P Jony nie - ruchome + + Obszar ładunku przestrzennego - + N ys Zasada działania fotodiody. Przy owietleniu fotodiody w pobliu jej powierzchni s generowane pary noników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i zwizana z nim bariera potencjału uniemoliwiaj przepływ noników wi kszociowych, natomiast noniki mniejszociowe (tj. dziury w obszarze n i elektrony w obszarze p) dyfunduj do obszaru ładunku przestrzennego, s przyspieszane i pokonuj złcze (rys.9.7a). Przez złcze płynie dodatkowy prd fotoelektryczny I P. Prd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padajcego na jej powierzchni, nie zaley od napi cia wstecznej polaryzacji i wartoci obcienia. ys Charakterystyki prdowo napiciowej fotodiody. Parametry fotodiody maksymalne napicie wsteczne max = 0 500V, maksymalny prd ciemny I 0max = 00nA, czuło na moc promieniowania S pe = 0,3 A/W, czuło na natenie owietlenia S EV = 0 00nA/lx 80

79 Istotn zalet fotodiody jest dua cz stotliwo pracy. Mog one przetwarza sygnały wietlne o cz stotliwoci do kilkudziesi ciu MHz. Natomiast wad jest do silna zaleno prdu fotodiody od temperatury. Zastosowanie fotodiody: w urzdzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania, w szybkich przetwornikach analogowo cyfrowych, w układach pomiarowych wielkoci elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległoci, st e i zanieczyszcze roztworów, cz stotliwoci i amplitudy drga, napr e itp FOTOTANZYSTO Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy z dwoma złczami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z t rónic, e prd kolektora nie zaley od prdu bazy, lecz od nat enia promieniowania owietlajcego obszar bazy. Owietlenie wpływa na rezystancj obszaru emiter-baza. Wykorzystuje si tu zjawisko fotoelektryczne wewn trzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa. Fotoprzewodnictwo polega na zwi kszaniu przewodnictwa elektrycznego pod wpływem energii promienistej powodujcej jonizacje atomów w danym ciele, wskutek czego zwi ksza si liczba swobodnych elektronów powstajcych w tym ciele Fototranzystor jest detektorem o czułoci wielokrotnie wi kszej ni czuło fotodiody, poniewa prd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu. Fototranzystory wykonuje si najcz ciej z krzemu. 8

80 Zasada działania fototranzystora ys.9.9. Zasada działania fototranzystora. Owietlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektrondziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne noniki ładunku przechodz do obszaru kolektora dzi ki polaryzacji zaporowej złcza kolektorowego. Dziury nie mog przej do obwodu emiterowego z powodu istniejcej bariery potencjału na złczu baza-emiter. Cz z nich jednak przechodzi do emitera, gdy maj dostatecznie du energi kinetyczn i tam ulegaj rekombinacji. Natomiast dziury, które nie przeszły powi kszaj nieskompensowany ładunek dodatni, obniajc barier energetyczn złcza emiterowego. W wyniku czego elektrony z obszaru n pokonuj barier zwi kszajc strumie elektronów przechodzcych z emitera do bazy, a potem do kolektora. Elektrony te zwi kszaj prd kolektora w znacznie wi kszym stopniu, ni elektrony które powstały w wyniku generacji par elektron-dziura bezporednio w obszarze bazy pod wpływem owietlenia. W ten sposób zachodzi wewn trzne wzmocnienie prdu fotoelektrycznego I P. Przez fototranzystor nie owietlony płynie niewielki prd ciemny I CEO. Natomiast prd jasny kolektor-emiter fototranzystora w układzie WE z rozwart baz opisany jest zalenoci: I CE = I 0 + βi ; (9.6) ( e) CE p W fototranzystorach kocówka moe by wyprowadzona na zewntrz obudowy lub nie, dlatego te fototranzystor moe pracowa jako: fotoogniwo, wykorzystuje si tu złcze kolektor-baza (rys. 9.0a), fotodioda, wykorzystane jest tu złcze kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej (rys.9.0b), 8

81 fototranzystor bez wyprowadzonej kocówki bazy w tym przypadku pracuje jako normalny fototranzystor (rys.9.0c), fototranzystor z wyprowadzon kocówk bazy mona go niezalenie sterowa optycznie i elektrycznie (rys. 9.0d). a) b) c) d) (Baza) (Baza) (Kolektor) (Kolektor) (Baza) - (Kolektor) (Kolektor) (Emiter) (Emiter) Fotoogniwo Fotodioda Fototranzystor Fototranzystor bez wyprowa - z wyprpwa - dzonej kocówki dzon baz ys Fototranzystor moe pracowa jako: a) fotoogniwo, b) fotodioda, c) fototranzystor bez wyprowadzonej kocówki bazy, d) fototranzystor z wyprowadzon kocówk bazy. Charakterystyka prdowo napi ciowa. Jest ona identyczna z kształtem konwencjonalnego tranzystora. Ze wzrostem temperatury złcza zwi ksza si prd ciemny i prd fotoelektryczny. Warto prdu ciemnego zaley od napi cia CE. Przypatrujc si charakterystyce czułoci widmowej (rys. 9.a) zauwaamy, e jest bardzo zbliona do analogicznych charakterystyk fotodiod. Z charakterystyki odczytujemy, e czuło fototranzystora zwi ksza si wraz ze wzrostem napi cia polaryzacji. Istotny wpływ na czuło ma kierunek padajcego promieniowania. Fototranzystory maj w porównaniu z fotodiodami dwie zalety, a mianowicie: znacznie wi ksz czuło dzi ki wzmocnieniu wewn trznemu pierwotnego prdu fotoelektrycznego oraz moliwo jednoczesnego sterowania prdu kolektora za pomoc sygnałów elektrycznych i wietlnych. Wad fototranzystorów jest ich mała pr dko działania. Cz stotliwo graniczna f T jest rz du kilkudziesi ciu kiloherców. 83

82 ys. 9.. Fototranzystor: a) charakterystyka prdowo napiciowa, b)charakterystyka czułoci widmowej. Fototranzystory znalazły due zastosowanie. Głównymi obszarami zastosowania s układy automatyki i zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkoci elektrycznych i nieelektrycznych, przetworniki analogowo cyfrowe, układy łczy optoelektronicznych, czytniki tam i kart kodowych itp FOTOTYYSTO Fototyrystorem nazywamy tyrystor umieszczony w specjalnej obudowie, umoliwiajcej oddziaływanie promieniowania wietlnego na jego przełczanie ze stanu blokowania do przewodzenia. a) A b) A G G K ys. 9.. Symbole graficzne fototyrystora. Im wi ksze jest napi cie anoda katoda fototyrystora, tym moc promieniowania potrzebna do przełczenia jest mniejsza. Istotn cech K 84

83 fototyrystora jest to, e po przełczeniu w stan przewodzenia, utrzymuje si w nim nawet po zaniku impulsu wietlnego. Wykonywane s głównie z krzemu i wykorzystywane jako np. fotoelektryczne przekaniki TANSOPTOY Fotoodbiorniki moemy sprz ga z diodami elektroluminescencyjnymi, w celu przesłania sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie sygnałów z jednego układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych układów. Tak powstały przyrzd nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w rónych obudowach) lub łczem optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie). Transoptor jest półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym, składajcym si z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora, umieszczonych we wspólnej obudowie (rys.9.3). 4 3 Transoptor moe by: ys Budowa transoptora fotoemiter, fotodetektor, 3 wiatłowód, 4 obudowa. zamknity transmisja promieniowania mi dzy diod i fotodetektorem nast puje za pomoc wiatłowodu, otwarty transmisja promieniowania mi dzy diod i fotodetektorem nast puje w powietrzu. Transoptor pozwala przesyła sygnały elektryczne z wejcia na wyjcie bez połcze galwanicznych obwodów wejciowego i wyjciowego. W transoptorze rol fotoemitera w obwodzie wejciowym spełnia zwykle dioda elektroluminescencyjna z arsenku galu GaAs. Na wyjciu transoptora moe znajdowa si fotodioda lub fototranzystor. 85