Strona 1

Transkrypt

1 37. Przedstaw: symbol, strukturę w przekroju ( konstrukcję) oraz ogólna zasadę polaryzacji tranzystora bipolarnego w zakresie aktywnym normalnym dla obydwu podstawowych typów tranzystorów. a) pnp b) npn W normalnych warunkach pracy złącze kolektora jest spolaryzowane zaporowo. Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia powoduje przepływ prądu przez to złącze nośniki z emitera (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w tranzystorach pnp) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośników przechodzących w przeciwną stronę, od bazy do emitera jest niewiele, ze względu na słabe domieszkowanie bazy. Nośniki wprowadzone z emitera do obszaru bazy dyfundują w stronę mniejszej ich koncentracji - do kolektora. Dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy trafiają do obszaru drugiego złącza, a tu na skutek pola elektrycznego w obszarze zubożonym są przyciągane do kolektora. 38. Podaj zasadę polaryzacji by tranzystor bipolarny pracował w zakresie aktywnym normalnym. Narysuj układy pracy WBaza (OB.), WEmiter (OE). a) npn w zakresie aktywnym normalnym: UBE > 0, UBC < 0, prądy zaś: IE < 0, IC > 0, IB> 0 Strona 1

2 b) pnp w zakresie aktywnym normalnym: UEB>O, UCB<0 oraz IE>0, IC<0, IB<0 39. Dlaczego tranzystor wzmacnia? Po przyłożeniu do złącza emiterowego napięcia w kierunku przewodzenia, popłynie niewielki prąd między bazą a emiterem. To spowoduje przepływ dużego prądu między bazą, a emiterem. Gdy elektrony znajdą się w bazie pole elektryczne zacznie wyciągać je w kierunku kolektora. Wartość prądu kolektora jest sterowana napięciem baza-emiter. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznacza się grecką literą β. 40. Dlaczego tranzystor nazywany jest transformatorem rezystancji? Nazywamy go tak, dlatego że umożliwia sterowanie prądem za pomocą napięcia przy użyciu zmiany rezystancji. Innymi słowy napięcie przyłożone do tranzystora powoduje odpowiednią co do wartości tego napięcia zmianę rezystancji między jego nóżkami. Strona 2

3 41. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej npn w układzie WEmiter (OE). stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo, 42. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej pnp w układzie WEmiter (OE). stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo, 43. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej npn w układzie WBaza (OB). stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo, Strona 3

4 44. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej pnp w układzie WBaza (OB). stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo, 45. Narysuj charakterystyki statyczne WY tranzystora bipolarnego w układzie WEmitera (OE) ( Zaznaczyd odcięcie i nasycenie tranzystora). 46. Wyprowadź zależnośd między współczynnikami wzmocnienia w układzie OB i OE Strona 4

5 47. Narysuj charakterystyki statyczne WY tranzystora bipolarnego w układzie WBazy (OB) ( Zaznacz odcięcie i nasycenie tranzystora). 48. Narysuj charakterystyki statyczne WY tranzystora bipolarnego w układzie WEmitera (OE) ( Zaznacz odcięcie i nasycenie tranzystora). Było, patrz Przedstaw model czwórnikowy z macierzą h opisujący pracę tranzystora bipolarnego z małymi sygnałami. Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań. Strona 5

6 50. Narysuj schemat zastępczy tranzystora bipolarnego dla małych sygnałów m.cz. z wykorzystaniem parametrów h ; objaśnij ich sens fizyczny 51. Narysuj schemat zastępczy tranzystora bipolarnego dla małych sygnałów m.cz. z wykorzystaniem parametrów g ; objaśnij ich sens fizyczny Strona 6

7 52. Przedstaw wykres wzmocnienia prądowego w układzie WEmitera (OE) od częstotliwości (β =f(f)). 53. Narysuj charakterystykę częstotliwościową układu wzmacniacza małej mocy, małej częstotliwości zbudowanego z wykorzystaniem tranzystora bipolarnego pracującego w układzie Wspólnego Emitera (WE). Przedstaw na niej jak definiuje sie 3dB pasmo przenoszenia takiego układu. Jakim pasmem przenoszenia charakteryzuje się taki układ? Górny wykres. 54. Co to jest heterozłącze i jaka jest jego podstawowa, najchętniej wykorzystywana cecha? Heterozłącze - złącze wytworzone z dwóch typów półprzewodników (typu n i typu p) o różnych szerokościach warstwy zaporowej. Szeroko wykorzystywane w laserach półprzewodnikowych (diody laserowe) i LED (diody elektroluminescencyjne). Strona 7

8 Heterozłącze jest to granica rozdziału (ewentualny obszar przejściowy) między dwoma różnymi półprzewodnikami tworzącymi strukturę monokrystaliczną. Powstało ono na skutek potrzeby opanowania coraz większych częstotliwości. Zastosowanie heterozłącza umożliwia zmniejszenie czasu przelotu i rezystancji bazy oraz zwiększenie wzmocnienia prądowego. Najchętniej wykorzystywaną cechą jest to, że heterozłącze pozwala na lokalizację obszaru rekombinacji. 55. Co to jest tranzystor dryftowy; opisz zasadę jego działania, na czym polega jego zaleta? Tranzystor dryftowy posiada bazę, która jest słabiej domieszkowana od emitera. Jego nazwa pochodzi od prądu unoszenia, który powstaje dzięki owej różnicy domieszek (powstaje pole elektryczne, które powoduje dryf nośników). Skutkiem jest skrócenie czasu transportu przez bazę co pozwala na pracę z większymi częstotliwościami. 56. Objaśnij zasadę działania złącza Schottky ego Łącznie możliwe są cztery przypadki typu półprzewodnika oraz zależności pomiędzy Φm i Φs: 1) półprzewodnik typu n oraz Φm < Φs 2) półprzewodnik typu n oraz Φm > Φs 3) półprzewodnik typu p oraz Φm < Φs 4) półprzewodnik typu p oraz Φm > Φs W przypadkach 1) i 4) złącze metal-półprzewodnik jest kontaktem omowym, natomiast w przypadku 2) oraz 3) jest kontaktem prostującym. Złączem Schottky ego nazywamy przypadek 2) oraz 3). Po zetknięciu się metalu i półprzewodnika układ dąży do równowagi termodynamicznej poprzez przegrupowanie elektronów. Po stronie metalu pojawia się cienka warstwa ładunku ujemnego, a po stronie półprzewodnika znacznie szersza wwarstwa ładunku dodatniego. Bariera potencjału jest równa różnicy potencjałów wyjścia elektronów. Wysokość bariery może być zmieniana przez polaryzację: ujemne napięcie zwiększa, dodatnie zmniejsza. Elektrony, które przeszły z półprzewodnika do metalu w pierwszej chwili obsadzają poziomy wysoko nad poziomami Fermiego - bardzo szybko oddają swoją energię i stają się cześcią swobodnych elektronów w metalu. Strona 8

9 57. Wyjaśnij określenie tranzystory polowe "( unipolarne).określ podstawowe parametry opisujące ich właściwości. W tranzystorze unipolarnym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego. Mechanizm przewodzenia jest oparty na jednym rodzaju nośników dziurach lub elektronach. Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od ang. source, odpowiednik emitera w tranzystorze bipolarnym) i drenem (D, drain, odpowiednik kolektora). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate, odpowiednik bazy). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża. W zależności od typu półprzewodnika, w którym tworzony jest kanał, rozróżnia się: tranzystory z kanałem typu p, w którym prąd płynie od źródła do drenu tranzystory z kanałem typu n, w którym prąd płynie od drenu do źródła Parametry: a) napięcie bramka źródło Jest to napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu dren-źródło ( nie płynął prąd drenu b) Prąd nasycenia Jest to prąd płynący przy napięciu 0 i określonym napięciu c) Prąd wyłączenia - d) Rezystancja statyczna włączenia - e) Rezystancja wyłączenia - f) Prądy upływu 58. Opisz zasadę działania, narysuj przekrój przez strukturę rzeczywistą, symbol ogólny i spolaryzuj tranzystor JFET z kanałem typu n. Jednorodny obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd nośników większościowych (elektrony) i którego rezystancję można zmieniać poprzez zmianę jego przekroju. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzanie lub zwężanie warstwy zaporowej złącza p n, powodowane zmianą wartości napięcia UGS, polaryzującego złącze bramka kanał w kierunku zaporowym. Na skutek bardzo dużej różnicy koncentracji domieszek w złączu p+ n obszar bariery potencjału wnika głównie do półprzewodnika typu n. Strona 9

10 Pod wpływem wzrostu napięcia UGS, polaryzującego złącze p+ n zaporowo, obszar zubożony rozszerzy się, powierzchnia przekroju kanału tym samym zmniejszy się, więc jego rezystancja wzrośnie. Dalsze zwiększanie wartości napięcia UGS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwa zaporowa całkowicie zamknie kanał, a jego rezystancja będzie bardzo duża. 59. Narysuj charakterystyki wyjściowe tranzystora JFET. Zdefiniuj i przedstaw sposób wyznaczenia z nich parametru : gds., gm 60. Narysuj charakterystyki przejściowe tranzystora JFET. Zdefiniuj i przedstaw sposób wyznaczenia z nich parametru : gm, Up, Strona 10

11 61. Przedstaw klasyfikacje tranzystorów MOS i opisz ogólnie zasadę działania tranzystora MOS. Typ E dla zerowej polaryzacji kanał nie istnieje i prąd drenu nie płynie Typ D wbudowany kanał przewodzący, dla zerowej polaryzacji prąd może płynąć Dodatni ładunek bramki spowodował powstanie pod jej powierzchnią warstwy inwesyjnej złożonej z elektronów swobodnych o dużej koncentracji oraz głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych od których odciągnięte zostąły dziury. Powstaje w ten sposób w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źródłem. Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale czyli od napięcia Ugs. Strona 11

12 Jeżeli napięcia Uds i Ugs będą porównywalne to prąd drenu będzie zależeć liniowo od napięcia Uds kanał pełni wówczas funkcję rezysotra liniowego. Dalszy wzrost napięćia Uds powoduje spadek napięcia na rezystancji kanału. W okolicy drenu następuje zmniejszenie inwersji, aż do całkowitego jej zaniku. Mówimy wtedy o odcięciu kanału. Wartość napięcia Uds przy której następuje odcięcie kanału nazywamy napięciem nasycenia. Dalszy wzrost napięcia Uds nie powoduje już wzrostu prądu drenu ale wpływa na odcięcie kanału bliżej źródła. Mówimu wówczas, że tranzystor pracuje w stanie nasycenia. Strona 12

13 62. Wymień i opisz odmiany tranzystorów MOS. 63. Przedstaw budowę struktury i układ polaryzacji tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem typu n. Jak powstaje kanał w takim tranzystorze? Jak sterujemy tym tranzystorem? Polaryzacja drenu i bramki jest zerowa (UDS=0 i UGS=0). W takim przypadku, struktura złożona z dwóch obszarów półprzewodnika typu n+ (dren i źródło), rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże), tworzy dwa złącza n+ p i p n+ połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie. Obszar podłoża, typu p, jest wspólną anodą dla złącz: S podłoże i podłoże D. Strona 13

14 Dodatni ładunek bramki spowodował powstanie pod jej powierzchnią warstwy inwesyjnej złożonej z elektronów swobodnych o dużej koncentracji oraz głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych od których odciągnięte zostąły dziury. Powstaje w ten sposób w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źródłem. Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale czyli od napięcia Ugs. 64. Narysuj charakterystyki wyjściowe tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem typu n. 65. Narysuj charakterystyki przejściowe tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem typu n. Zdefiniuj pojęcie napięcia progowego UT. 66. Narysuj schemat małosygnałowego układu zastępczego tranzystora MOS. Wyjaśnij sens fizyczny poszczególnych elementów. gdzie: gm = 2 K N I D, I ( ) 2 D = K N VGS VT, ro = V A I D, V T - napięcie progowe, K N = 0, 5k n W L - parametr transkonduktacyjny tranzystora MOS, W, L - wymiary geometryczne obszaru kanału elementu, k n - ruchliwość nośników w kanale. 67. Dokonaj porównania tranzystora bipolarnego z polowym. - konstrukcja TB: (E,B,C) asymetryczna, TP: S, G, D (symetryczna), Strona 14

15 - sterowanie prądowe w tranzystorach bipolarnych, - sterowanie napięciowe w tranzystorach polowych, - transkonduktancja tranzystora bipolarnego (nie zależy od parametrów jego struktury) jest kilkaset razy większa niż dla tranzystora polowego: gm=ie/ T (1000 ma/v); gm=2id/ UGS-UT (5 ma/v) (zależy od rozmiarów geometrycznych struktury, przenikalności elektrycznej warstwy dielektryka i ruchliwości nośników) - napięcie nasycenia ograniczające obszar pracy z lewej strony jest kilkanaście razy mniejsze w tranzystorach bipolarnych (0.1V, kilka V) - napięcie maksymalne ograniczające obszar pracy z prawej strony (2kV tr. bip., kilkaset V tr. pol.) - porównanie TB i TP możliwe przy jednakowych wartościach maksymalnych prądów (ICmax~IDmax) - zastosowania analogowe układy scalone JFET (PNFET - zastosowania cyfrowe układy scalone IGNFET Zalety tranzystorów polowych: - bardzo duża impedancja wejściowa - małe szumy (PNFET) - kwadratowy przebieg charakterystyki przejściowej I D(UGS) - możliwość stosowania tranzystora jako obciążenie rezystancyjne oraz rezystor sterowany (MIS) Strona 15

16 Strona 16

17 68. Wyjaśnij zasadę działania tranzystora jednozłączowego. Narysuj jego rodzinę charakterystyk i zdefiniuj współczynnik doskonałości Tranzystor jednozłączowy UJT (ang. unijunction transistor), zwany również diodą dwubazową półprzewodnikowy element przełączający zawierający jedno złącze p-n i 3 elektrody (Emiter, Baza 1, Baza 2). Podczas pracy tranzystora pomiędzy elektrodami B1 i B2 powstaje rezystancja o wartości kilku kiloomów oraz potencjał niepodłączonego emitera, wynoszący zazwyczaj połowę napięcia pomiędzy elektrodami bazowymi. Kiedy napięcie na emiterze jest mniejsze niż napięcie progowe, złącze p-n jest spolaryzowane zaporowo. Gdy wartość napięcia emitera przekroczy napięcie progowe, złącze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, prąd emitera uzyskuje duże wartości, pole emitera unosi je do B2, R2 maleje, pole E rośnie, prąd emitera zwiększa się. Jest to wewnętrzne sprzężenie zwrotne. Strona 17

18 69. Narysuj schematyczna strukturę tyrystora; wyjaśnij jego działanie posługując się dwutranzystorowym układem zastępczym Tyrystor - element półprzewodnikowy składający się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej bramką (G, od ang. gate bramka). Po lewej budowa, środek i prawa układ zastępczy. Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest o dodatnim potencjale względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, tyrystor nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; następuje wyzwolenie tyrystora. Moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe tyratrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem zjonizowanego gazu). Wyzwolony tyrystor zaczyna przewodzić prąd po ustaniu sygnału sterującego bramkę (brak przyłożonego napięcia do bramki), co jest jego niewątpliwą zaletą (brak dodatkowych strat sterowania). Traci on te właściwości dopiero po zaniku prądu obciążenia (poniżej wartości prądu przewodzenia, minimalny prąd podtrzymania) lub przy odwrotnej polaryzacji elektrod. Wówczas konieczny jest ponowny zapłon tyrystora. 70. Wyjaśnij ideę układów CMOS na przykładzie inwertera CMOS (ang. Complementary MOS) technologia wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu układ statycznie nie pobiera żadnej mocy (pomijając niewielki prąd wyłączenia tranzystora), a prąd ze źródła zasilania płynie tylko w momencie przełączania gdy przez bardzo krótką chwilę przewodzą jednocześnie oba tranzystory. Tracona w układach CMOS moc wzrasta wraz z częstotliwością przełączania, co wiąże się z przeładowywaniem wszystkich pojemności, szczególnie pojemności obciążających wyjścia. Strona 18

19 Podstawowym układem CMOS jest inwerter, składający sięz dwóch komplementarnych tranzystorów polowych typu MOS, pracujących jako przełączniki a nie jako wtórniki, połączonych w sposób pokazany na rys. 1. Włączony tranzystor polowy zachowuje się jak rezystor o małej wartości rezystancji zwierający sygnał do właściwej szyny zasilającej. W każdym z dwóch możliwych stanów logicznych przewodzi tylko jeden tranzystor układu. Jeśli UI USS= 0, to przewodzi tranzystor PMOS, a tranzystor NMOS jest odcięty, czyli na wyjściu ustala sięnapięcie UOH=UDD. Jeśli natomiast UI UDD, to przewodzi NMOS i tranzystor PMOS jest odcięty, czyli na wyjściu otrzymuje sięnapięcie UOL USS= 0. Pracę inwertera można wyjaśnić posługując się statycznymi charakterystykami rzejściowymi: napięciową(zależność napięcia wyjściowego UO w funkcji napięcia wejściowego UI) i prądową (zależność prądu IDD pobieranego przez układ ze źródła zasilania, od napięcia wejściowego). Można w nich wyróżnić pięć obszarów określonych przez różne tryby pracy tranzystorów: I. T1 nienasycony,t2 odcięty; II. T1 nienasycony, T2 nasycony; III. T1 nasycony,t2 nasycony; IV. T1 nasycony,t2 nienasycony; V. T1 odcięty, T2 nienasycony. Strona 19