NIWESYTET ŚLĄSKI WYDZIAŁ TECHNIKI INSTYTT INFOMATYKI ZAKŁAD KOMPTEOWYCH SYSTEMÓW STEOWANIA ELEKTONIKA ANALOGOWA Konspekt wykładu dla studentów kierunków Wychowanie Techniczne Informatyka Prof. dr hab. inż. Zygmunt Wróbel Sosnowiec 999r.
SPIS TEŚCI INSTYTT INFOMATYKI...3 KONSPEKT WYKŁAD DLA STDENTÓW KIENKÓW...3 WYCHOWANIE TECHNICZNE...3 INFOMATYKA...3 OZDZIAŁ I. ELEKTONICZNE ELEMENTY BIENE...8.. EZYSTOY...8.. KONDENSATOY...0... KONDENSATOY STAŁE...... KONDENSATOY ZMIENNE...3 OZDZIAŁ II. MATEIAŁY PÓŁPZEWODNIKOWE...5.. MODEL PASMOWY...5.. PÓŁPZEWODNIK SAMOISTNY...6.3. PÓŁPZEWODNIK TYP N I TYP P...8 OZDZIAŁ III. PÓŁPZEWODNIKOWE ELEMENTY BIENE... 3.. TEMISTO... 3.. WAYSTOY... OZDZIAŁ IV. ZŁĄCZE P-N...4 4.. WASTWA ZAPOOWA W ZŁĄCZ P-N. MODEL PASMOWY ZŁĄCZA...4 4.. POLAYZACJA ZŁĄCZA P-N W KIENK PZEWODZENIA...6 4.3. POLAYZACJA ZŁĄCZA P-N W KIENK ZAPOOWYM...8 4.4. ZJAWISKO TNELOWE...30 OZDZIAŁ V. DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE...3 5.. DIODY POSTOWNICZE...34 5.. DIODY STABILIZACYJNE (STABILITONY) DIODY ZENEA...36 5.3. DIODY POJEMNOŚCIOWE...37 5.4. DIODY PZEŁĄCZAJĄCE...39 5.5. DIODA TNELOWA...40 OZDZIAŁ VI.TANZYSTOY BIPOLANE...4 6.. PODZIAŁ TANZYSTOÓW BIPOLANYCH....43 6.. ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA....43 6.3. KŁADY PACY TANZYSTOA....46 6.4. CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA...47 6.4.. CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA PACJĄCEGO W KŁADZIE OB...48 6.4.. CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA PACJĄCEGO W KŁADZIE OE...49 6.5. STAN PACY I PAAMETY TANZYSTOA...50 6.6. SCHEMATY ZASTĘPCZE TANZYSTOA...5 OZDZIAŁ VII. TANZYSTOY POLOWE JFET...54 7.. TANZYSTOY POLOWE ZŁĄCZOWE JFET....55 7.. ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA POLOWEGO JFET...55 7.3. PAAMETY I CHAAKTEYSTYKI TANZYSTOA POLOWEGO JEFT...56 7.4 SCHEMAT ZASTĘPCZY TANZYSTOA ZŁĄCZOWEGO....58 7.5. TANZYSTOY Z IZOLOWANĄ BAMKĄ MOSFET...60 4
7.5.. ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA MIS (MOS)... 60 7.6.CHAAKTEYSTYKI TANZYSTOÓW MOSFET... 6 OZDZIAŁ VIII. ELEKTONICZNE ELEMENTY PZEŁĄCZAJĄCE... 64 8.. TANZYSTO JEDNOZŁĄCZOWY... 64 8.. DYNISTO... 67 8.3. DIAK... 68 8.4. TYYSTO... 69 8.5. TIAK... 70 OZDZIAŁ IX. ELEMENTY OPTOELEKTONICZNE... 7 9.. DIODA ELEKTOLMINESCENCYJNA... 7 9... WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE I ELEKTYCZNE DIODY LED... 75 9.. FOTOEZYSTO... 77 9.3. FOTODIODA... 79 9.4. FOTOTANZYSTO... 8 9.5. FOTOTYYSTO... 84 9.6. TANSOPTOY... 85 OZDZIAŁ X. WZMACNIACZE... 89 0.. PODSTAWOWE KŁADY WZMACNIAJĄCE... 9 0.. KŁAD O WSPÓLNYM EMITEZE WE... 9 0.3. KŁAD O WSPÓLNYM KOLEKTOZE WC... 95 0.4. KŁAD O WSPÓLNEJ BAZIE WB... 96 0.5. SPZĘŻENIE ZWOTNE WE WZMACNIACZACH... 97 0.6. WZMACNIACZE OPEACYJNE... 00 0.7. WZMACNIACZ ODWACAJĄCY... 03 0.8. WZMACNIACZ NIEODWACAJĄCY... 05 0.9. WTÓNIK NAPIĘCIOWY... 06 0.0. WZMACNIACZ ODEJMJĄCY... 06 0.. WZMACNIACZ SMJĄCY... 08 0.. WZMACNIACZ CAŁKJĄCY INTEGATO... 09 0.3. WZMACNIACZ ÓŻNICZKJĄCY... 0.4. KONWETE PĄD NAPIĘCIE... 3 0.5. PZESWNIK FAZY... 4 OZDZIAŁ XI. GENEATOY.... 6.. GENEATOY NAPIĘCIA SINSOIDALNEGO... 6.. WZMACNIACZ JAKO GENEATO. WANKI GENEACJI... 7.3. PAAMETY GENEATOÓW PZEBIEG SINSOIDALNEGO... 8.4. GENEATO LC ZE SPZĘŻENIEM ZWOTNYM... 9.5. GENEATO MEISSNEA... 9.6. GENEATO Z MOSTKIEM WIENA... 0.7. GENEATO C Z PZESWNIKIEM FAZY... 3 OZDZIAŁ XII. MODLACJA I DEMODLACJA... 7.. MODLACJA AMPLITDY... 8... MODLACJA STPOCENTOWA I PZEMODLOWANIE... 30.. MODLATOY AMPLITDY... 34.3. MODLACJA CZĘSTOTLIWOŚCI... 35.4. MODLATOY CZĘSTOTLIWOŚCI (FM)... 39.5. DEMODLACJA... 40 OZDZIAŁ XIII. KŁADY ZASILAJĄCE... 43 3.. POSTOWNIKI... 44 3.. POSTOWNIK JEDNOPOŁÓWKOWY... 45 3.3. POSTOWNIK DWPOŁÓWKOWY... 46 3.4. DOBÓ DIOD POSTOWNICZYCH STOSOWANYCH W POSTOWNIKACH... 48 3.5. POSTOWNIK TYYSTOOWY... 50 3.6. STABILIZATOY... 50 5
3.7. STABILIZATO Z DIODĄ ZENEA...5 3.8. STABILIZATO ZE SPZĘŻENIEM ZWOTNYM...55 3.9. STABILIZATO TANZYSTOOWY...56 3.0. ZABEZPIECZENIA STABILIZATOÓW...59 OZDZIAŁ XIV. PZETWONIKI ANALOGOWO-CYFOWE I CYFOWO- ANALOGOWE. 6 4.. PZETWONIKI C/A...6 4.. PZETWONIKI A/C...66 4.3. PODSTAWOWE CZŁONY PZETWONIKÓW...67 BIBLIOGAFIA...69 6
7
ozdział I. ELEKTONICZNE ELEMENTY BIENE Elementy bierne to kondensatory, rezystory i elementy indukcyjne. Elementy, które są tego samego rodzaju mają wspólną właściwość podstawową a różne właściwości drugorzędne. Czego przykładem mogą być rezystory. Są one wykonywane z różnych materiałów i w związku z tym mają inne zastosowania, nazwy oraz symbole graficzne... EZYSTOY ezystory spełniają wiele podstawowych i pomocniczych funkcji w układach elektronicznych. Poprzez rezystory doprowadza się odpowiednie prądy zasilające do elementów czynnych, rezystory pełnią rolę elementów stabilizujących punkty pracy tranzystorów, lamp elektronowych a także służą do kształtowania charakterystyki wzmacniaczy itp. ezystory dzielimy w zależności od: cech funkcjonalnych na: - rezystory - potencjometry - warystory - magnetorezystory qaussotrony charakterystyki prądowo napięciowej na: - liniowe - nieliniowe stosowanego materiału oporowego na: - drutowe - niedrutowe ezystory liniowe dzielimy na stałe i zmienne. W rezystorach zmiennych można zmieniać wartości rezystancji (rezystory nastawne lub regulacyjne) lub stosunek podziału rezystancji (potencjometry). ezystor liniowy w normalnych warunkach pracy charakteryzuje się proporcjonalną zależnością napięcia od prądu, tzn. jest spełnione prawo Ohma ( = *I przy czym = const). Dla rezystorów nieliniowych wartość rezystancji jest funkcją prądu lub napięcia. ezystory drutowe są wykonywane z drutu stopowego nawiniętego na ceramiczny wałek lub rurkę w postaci jednowarstwowego uzwojenia. ezystory niedrutowe są wykonane z materiału rezystywnego jako rezystory warstwowe lub objętościowe. 8
W rezystorach warstwowych materiał rezystywny jest umieszczony na podłożu w postaci warstwy. ezystory te mogą być węglowe i metalizowane. W zależności od grubości warstwy są rezystory cienkowarstwowe (> µm) i grubowarstwowe (< µm). Wykonuje się także rezystory objętościowe, w których prąd płynie całą objętością rezystora. Do ich budowy stosuje się organiczne lub nieorganiczne materiały oporowe. Stosowane są głównie w sprzęcie profesjonalnym, gdzie wytrzymują duże obciążenia prądowe i mocy. Klasyfikacja rezystorów ezystory Drutowe Niedrutowe Liniowe Nieliniowe Liniowe Nieliniowe Stałe Zmienne (potencjometry) Stałe Zmienne (potencjometry) Termistory Warstwowe Objętościowe 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
Parametry rezystorów. ezystancja znamionowa, będąca wskaźnikiem wartości rezystancji. Podawana z największym dopuszczalnym odchyleniem rezystancji rzeczywistej od rezystancji znamionowej. Dopuszczalne odchyłki są zawarte w przedziale 0, 0 %. Moc znamionowa, która jest największą dopuszczalną mocą możliwą do wydzielenia w rezystorze. Moc ta jest zależna od powierzchni rezystora, sposobu odprowadzenia ciepła, maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy i temperatury otoczenia. Napięcie znamionowe, jest największym dopuszczalnym napięciem, które może być przyłożone do rezystora bez zmiany jego właściwości, a szczególnie bez jego uszkodzenia. Wartości znamionowe napięć dla większości rezystorów wynoszą od kilkudziesięciu do kilkuset woltów. ezystory opisywane są wieloma współczynnikami charakteryzującymi zmianę rezystancji w funkcji temperatury, wilgotności, napięcia itp... KONDENSATOY Kondensator stanowi układ dwóch lub więcej przewodników (okładzin), odizolowanych warstwą dielektryka, gromadzący energię pola elektrycznego. Kondensatory mają pojemność stałą (nienastawne) bądź zmienną (nastawne). Kondensatory można podzielić w zależności od zastosowanego dielektryka oraz od ich przeznaczenia na: stałonapięciowe (w obwodach napięcia stałego); zmienno napięciowe; impulsowe (w obwodach impulsowych o większych wartościach prądu ładowania i rozładowania); biegunowe zwane polarnymi (pracują przy jednym określonym kierunku doprowadzonego napięcia stałego); niebiegunowe zwane bipolarnymi (w obwodach napięcia stałego, przy dowolnej jego biegunowości); zmiennej pojemności (do przestrajania obwodów rezonansowych). Parametry kondensatorów. pojemność znamionowa - C N wyrażona w faradach, określa zdolność kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych, podawana na obudowie kondensatora; 0
napięcie znamionowe N, jest największym napięciem, które może być przyłożone trwale do kondensatora. Napięcie to jest na ogół sumą napięcia stałego i wartości szczytowej napięcia zmiennego; tangens kąta stratności tg γ, stosunek mocy czynnej wydzielającej się w kondensatorze przy napięciu sinusoidalnie zmiennym o określonej częstotliwości; prąd upływowy I, prąd płynący przez kondensator, przy doprowadzonym stałym napięciu; temperaturowy współczynnik pojemności α C, określa względną zmianę pojemności, zależną od zmian temperatury. Podział kondensatorów ys..3. Podział kondensatorów.
ys..4. Przykłady budowy kondensatorów: a) papierowego zwijanego, b) ceramicznego płaskiego, c) ceramicznego rurkowego.... KONDENSATOY STAŁE Podstawowe parametry jak pojemność znamionowa i napięcie znamionowe zależą przed wszystkim od rodzaju zastosowanego w nich dielektryka. Ze względu na tą zależność 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. żywa się moskwitu. Mają mały temperaturowy współczynnik pojemności i mały tangens kąta stratności dielektrycznej. Kondensatory ceramiczne. Wykonywane z ceramiki alundowej, rutylowej oraz steatytowej. Mają one małą wartość kąta stratności oraz duży współczynnik pojemności. Zaletą jest duża pojemność znamionowa i małe wymiary. Mają niewielkie wartości indukcyjności własnej, w związku z tym mogą być stosowane w obwodach wielkiej częstotliwości oraz jako pojemności sprzęgające.
Kondensatory papierowe. Mają małe wymiary przy dużych wartościach pojemności oraz duży współczynnik stratności dielektrycznej. Dielektrykiem jest bibuła nasycona olejem syntetycznym, kondensatorowym lub parafinowym. Kondensatory z tworzyw sztucznych. Dielektrykiem może być: folia polistyrenowa, poliestrowa lub polipropylenowa. ozróżniamy kondensatory takie jak: a) Kondensatory polistyrenowe: mają mały współczynnik temperaturowy pojemności, mały tangens kąta stratności oraz stosowane są w układach pracujących w zakresie wielkich częstotliwości. b) Kondensatory poliestrowe: mają duży współczynnik kąta stratności dielektrycznej, stosowane głównie w układach napięcia stałego lub zmiennego o małej częstotliwości. c) Kondensatory polipropylenowe: mają zbliżone właściwości do właściwości kondensatorów poliestrowych, stosuje się je w obwodach prądu zmiennego o częstotliwości 50Hz. Kondensatory elektrolityczne. Ze względu na użyty materiał dzielimy na: aluminiowe; tantalowe; Ze względu na zastosowanie układu dzielimy na: biegunowe; niebiegunowe. Są stosowane w układach filtracji napięcia zasilania i jako kondensatory sprzęgające w układach małej częstotliwości. Kondensatory elektrolityczne mają duże wartości pojemności znamionowej. Wadą natomiast jest duży prąd upływowy, którego wartość rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Kondensatory te mają określoną biegunowość. Zmiana biegunów (elektrod) powoduje zniszczenie kondensatora.... KONDENSATOY ZMIENNE Kondensatory o zmiennej pojemności to kondensatory z dielektrykiem powietrznym (symbol AM, FM) lub kondensatory ceramiczne dostrojcze zwane trymerami (TCP). 3
Kondensator powietrzny zbudowany jest z dwóch zespołów równoległych płytek (rotor i stator), które zmieniając swe położenie powodują zmianę wartości pojemności kondensatora. Charakter zmian pojemności kondensatora zależy natomiast od płytek rotora i statora. Ze względu na charakter zmian wartości pojemności, w zależności od kąta obrotu rotora, rozróżniamy kondensatory o: prostoliniowej zmianie pojemności; prostoliniowej zmianie długości fali; prostoliniowej zmianie częstotliwości; logarytmicznej zmianie pojemności. C C C 0 α 0 α 0 α ys..5. Charakterystyki kondensatorów zmiennych, a) o prostoliniowej zmianie pojemności; b) o prostoliniowej zmianie długości fali w obwodzie rezonansowym; c) o prostoliniowej zmianie częstotliwości w obwodzie rezonansowym. Kondensatory obrotowe mają pojemności mniejsze niż 500pF natomiast kondensatory nastawne, zwane trymerami, mają pojemności mniejsze niż 00pF. 4
ozdział II. MATEIAŁY PÓŁPZEWODNIKOWE Półprzewodniki to materiały powszechnie stosowane do produkcji elementów i układów elektronicznych. Każdy materiał ma pewną wartość rezystywności. W zależności od tej wartości dzielimy je na metale i niemetale (dielektryk, półprzewodnik), różniące się właściwościami fizykochemicznymi. Półprzewodniki obejmują obszerną grupę materiałów, które ze względu na przewodnictwo elektryczne zajmują pośrednie miejsce pomiędzy metalami a izolatorami. Półprzewodniki stanowią oddzielną klasę substancji, gdyż ich przewodnictwo ma szereg charakterystycznych cech. Należy podkreślić odwrotną niż dla metali zależność przewodnictwa elektrycznego od temperatury. W dostatecznie niskich temperaturach półprzewodnik staje się izolatorem. W szerokim zakresie temperatur przewodnictwo przewodników szybko rośnie wraz ze wzrostem temperaturą. Drugą ważną cechą półprzewodników jest zmiana przewodnictwa elektrycznego w wyniku niewielkich zmian ich składu... MODEL PASMOWY Teoria pasmowa jest to teoria kwantowa opisująca stany energetyczne elektronów w krysztale. W odróżnieniu od atomów, w których dozwolone stany energetyczne elektronów stanowią zbiór poziomów dyskretnych, dozwolone elektronowe stany energetyczne w kryształach mają charakter pasm o szerokości kilku elektronowoltów. Elektronowolt (ev) jest to energia, jaką 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
W temperaturze zera bezwzględnego (T = 0K) najmniejszą energię mają elektrony walencyjne. Pasmo odpowiadające temu stanowi energetycznemu nosi nazwę pasma walencyjnego lub podstawowego i jest najniżej położonym pasmem energetycznym (rys..). Powyżej tego pasma leży pasmo przewodnictwa, w którym znajdują się swobodne elektrony wyrwane z sieci krystalicznej. Pomiędzy tymi pasmami jest odstęp, który nazwany jest pasmem zabronionym lub przerwą zabronioną i oznacza się przez W g. Wartość W g określa minimalną wartość energii, która musi być dostarczona elektronom, aby zostały one wyrwane z wiązań atomowych sieci krystalicznej. Szerokość tą mierzy się w elektronowoltach (ev)... PÓŁPZEWODNIK SAMOISTNY Półprzewodnik samoistny jest to monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawierają obcych atomów w sieci krystalicznej. W półprzewodnikach już w temperaturze 300 K (a nawet niższej) pewna część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa, pozostawiając miejsca nie obsadzone w paśmie podstawowym. Miejsca te mogą być zajmowane przez elektrony usytuowane na niższych poziomach w tym paśmie (po otrzymaniu z zewnątrz odpowiedniej energii). Proces pojawiania się elektronów w paśmie przewodnictwa i wolnych miejsc (dziur) w paśmie podstawowym pod wpływem wzrostu temperatury nosi nazwę generacji termicznej par dziur-elektron (rys..). Dziurą nazywa się dodatni nośnik ładunku, będący brakiem elektronu. W półprzewodnikach o małych szerokościach pasma zabronionego generacja termiczna par dziura-elektron jest ułatwiona. Liczbę nośników w ciałach stałych wyraża się za pomocą gęstości lub koncentracji (liczba nośników na jednostkę objętości. Liczba generowanych par, czyli ich koncentracja, jest tym większa, im jest węższe pasmo zabronione danego półprzewodnika oraz im temperatura monokryształu jest wyższa. Po pewnym czasie pobudzony elektron powraca do stanu podstawowego z wyemitowaniem kwantu promieniowania. Taki proces nazywamy rekombinacją (rys..). Średni czas jaki upływa między procesem generacji a procesem rekombinacji nazywamy czasem życia τ danego nośnika (elektronu, dziury). 6
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 wyjścia elektronu z półprzewodnika. W półprzewodniku samoistnym mamy do czynienia z generacją par elektron-dziura, w związku z czym koncentracja elektronów i dziur jest taka sama i nosi nazwę koncentracji samoistnej. Zależność koncentracji samoistnej od temperatury przedstawiona jest na rysunku.3. Na tej charakterystyce zaznaczono również szerokość przerwy zabronionej danego półprzewodnika. 000 C 600 C 400 C 300 C 00 C 00 C 50 C 5 C 0 5 0 3 0 0 9 n i 0 7 0 5 0 3 0,5,5,5 /K 3,5 000/T ys..3. Zależność koncentracji samoistnej półprzewodnika od temperatury. 7
.3. PÓŁPZEWODNIK TYP n I TYP p (półprzewodniki niesamoistne) Półprzewodnik niesamoistny jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryształu zamiast atomów pierwiastka materiału półprzewodnikowego znajduje się inny atom (np. w sieci krystalicznej krzemu znajduje się fosfor). Powstaje wówczas tzw. półprzewodnik domieszkowany, a ten inny atom nazywamy domieszką. ozróżniamy dwa rodzaje domieszek: donorową i akceptorową. Jeśli na skutek nieregularności sieci krystalicznej w półprzewodniku będą przeważać nośniki typu dziurowego, to półprzewodnik taki nazywać będziemy półprzewodnikiem typu p (niedomiarowy). A gdy będą przeważać nośniki elektronowe, będziemy nazywać je półprzewodnikami typu n (nadmiarowy). Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu krzemu domieszki pierwiastka pięciowartościowego (np. antymon, fosfor). Niektóre atomy krzemu zostaną zastąpione 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 domieszką atomów fosforu. Każdy atom domieszki ma pięć elektronów walencyjnych, z których cztery są związane z sąsiednimi atomami krzemu. A piąty elektron jest wolny i może być łatwo oderwany od atomu domieszki jonizując dodatnio. Elektron wówczas przechodzi do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Atomy domieszki w modelu pasmowym półprzewodnika znajdują się na tzw. 8
poziomie donorowym, który występuje w pobliżu 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, że na poziomach donorowych nie ma już elektronów, gdyż wszystkie przeszły do pasma przewodnictwa. Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest znacznie większa niż dziur w paśmie podstawowym. Dlatego też te pierwsze noszą nazwę nośników większościowych, a te drugie nośników mniejszościowych. Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, galu). Na rysunku.6 przedstawiono model sieci krystalicznej krzemu z domieszką 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 domieszką atomów indu. 9
Atom tej domieszki ma trzy elektrony walencyjne, związane z sąsiednimi atomami krzemu. Do wypełnienia czwartego wiązania sąsiadującego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej jednego elektronu i zostaje on uzupełniony przez pobranie elektronu z jednego z sąsiednich wiązań, w którym powstaje dziura. Atom pierwiastka trójwartościowego, zwanego akceptorem, po uzupełnieniu elektronu w nieprawidłowym wiązaniu (na skutek niedostatku ładunków dodatnich w jądrze) staje się jonem ujemnym, wywołując lokalną polaryzację kryształu. Elektron ten przechodzi z pasma podstawowego półprzewodnika na poziom akceptorowy, jonizując tym samym ujemnie atom domieszki. Poziom akceptorowy znajduje się w pobliżu 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 są zapełnione elektronami, które przeszły z pasma podstawowego. Na skutek tego liczba dziur w paśmie podstawowym jest wielokrotnie większa niż elektronów w paśmie przewodnictwa. W półprzewodniku typu p dziury w paśmie podstawowym są nośnikami większościowymi, a elektrony w paśmie przewodnictwa nośnikami mniejszościowymi. W każdym półprzewodniku (niezależnie od koncentracji domieszek) w stanie równowagi termicznej jest spełniony warunek neutralności, tzn. w każdym punkcie półprzewodnika wypadkowy ładunek elektryczny jest równy zeru. Wszelkie zaburzenia warunku neutralności powodują powstanie pola elektrycznego, które przywraca stan równowagi elektrycznej. stalenie się koncentracji nośników na odpowiednim poziomie zachodzi w wyniku rekombinacji, który równoważy też generację termiczną nośników. X 0
ozdział III. PÓŁPZEWODNIKOWE ELEMENTY BIENE 3.. TEMISTO Termistor jest elementem półprzewodnikowym, którego rezystancja zależy od temperatury. Zmiana wartości rezystancji może nastąpić na skutek wzrostu temperatury otoczenia termistora lub (i) wydzielonego w nim ciepła. Termistor charakteryzuje się dużym współczynnikiem temperaturowym rezystancji α T. Współczynnik ten określa względną zmianę rezystancji termistora przy zmianie temperatury o T, gdy T 0 α T = ; T Zależnie od wartości i znaku współczynnika α T dzieli się na trzy grupy:. NTC o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji;. PTC o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji; 3. CT o skokowej zmianie rezystancji. T 3 V 3 0 0 40 60 ma 80 I ys.3.. Charakterystyka napięciowo prądowa termistora. Termistor NTC, Termistor PTC, 3 Termistor CT.
Parametry termistora: rezystancja nominalna; temperaturowy współczynnik rezystancji: W g α T =. kt Termistory są elementami wykonywanymi ze spieków sproszkowanych tlenków metali. Stosuje się je: do pomiaru temperatury metodą oporową; do pomiaru mocy w zakresie mikrofal; do pomiaru ciśnienia; do pomiaru gazu i poziomu cieczy; w układach sygnalizacji, regulacji i stabilizacji temperatury; do kompensacji temperaturowej układów elektronicznych. 3.. WAYSTOY Warystory są to rezystory wykonane z półprzewodnika, których rezystancja zależy od napięcia doprowadzonego do ich zacisków. Warystory mają nieliniową charakterystykę napięciowo prądową, którą określa wzór: β = DI, w którym: napięcie doprowadzone do warystora, I prąd płynący przez warystor, D rezystancja, której wartość jest równa spadkowi napięcia na warystorze w wyniku przepływu prądu stałego o wartości A, β współczynnik nieliniowości. Parametry charakteryzujące warystory: Współczynnik nieliniowości, wyznaczony na podstawie pomiaru spadków napięć (, ) wywołanymi różnymi prądami (I, I ), lg lg I β = = ; lg lg I lg lg I / / I
I jeśli: = 0, to I β = lg ; wartość β zależy od materiału i technologii wykonania warystora; napięcie charakterystyczne spadek napięcia na warystorze, określany dla stałej wartości prądu płynącego przez niego; moc znamionowa. 00 V 50-0 - 0 0 ma 0 I - 50-00 ys. 3.. Charakterystyka napięciowo prądowa warystora. Warystory wykonuje się z masy złożonej z proszku węglika krzemu (karborundu) i ceramicznego spoiwa jako spiek. Produkuje się dwa podstawowe typy warystorów: walcowe (typu WN) o napięciu charakterystycznym 470 300V, dyskowe (typu WD) o napięciu charakterystycznym 8 330V. Warystory stosuje się do zabezpieczania obwodów elektrycznych przed przepięciami, do stabilizacji napięcia, ochrony styków, w układach przetworników częstotliwości itp. 3
ozdział IV. Złącze p-n Działanie większości elementów półprzewodnikowych opiera się na współdziałaniu złącza p-n i obszaru przelotowego (transportu), stanowiącego na ogół obszar półprzewodnika jednego rodzaju. Złącza umożliwiają wprowadzenie, odprowadzenie i sterowanie strumienia nośników ładunku. Złącza mogą być następujące: metal metal, półprzewodnik półprzewodnik, dielektryk dielektryk, metal półprzewodnik oraz dielektryk półprzewodnik. Najczęściej wykorzystywane są złącza metal półprzewodnik i półprzewodnik półprzewodnik. 4.. WASTWA ZAPOOWA W ZŁĄCZ p-n. MODEL PASMOWY ZŁĄCZA. Połączenie dwóch kryształów (monokryształów) ciała stałego (półprzewodnik, metal) w ten sposób, że tworzą one ścisły kontakt nazywamy złączem. Złącze p-n stanowi warstwę przejściową między obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n. Domieszka akceptorowa w obszarze typu p sprawia, że koncentracja dziur w tym obszarze jest większa niż 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 stanowią nośniki większościowe. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny, ponieważ ładunek dziur i elektronów zostaje skompensowany ładunkiem jonów domieszki umieszczonych w węzłach siatki krystalicznej. W momencie zetknięcia się półprzewodnika typu p i typu n, następuje wzajemny przepływ nośników. óżnica koncentracji nośników ładunku powoduje ich przemieszczanie dyfuzję. Elektrony z obszaru przyzłączowego n dyfundują do obszaru p; podobnie postępują dziury z obszaru przyzłączowego p przechodzą do obszaru n. W wyniku procesu dyfuzji płyną prądy dyfuzyjne. Nośniki przedostające się do przeciwnych obszarów stają się nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi w tych obszarach. Nośniki te rekombinują z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. W wyniku tego w obszarze n powstaje nadmiar ładunku jonów dodatnich, a w obszarze p nadmiar ładunku jonów ujemnych. Są to ładunki jonów ulokowanych (nieruchomych) w węzłach siatki krystalicznej. W obszarach przyzłączowych powstaje więc podwójna warstwa nieskompensowanych ładunków. Nazywa się ona warstwą zaporową, obszarem ładunku przestrzennego lub obszarem zubożonym, gdzie nie praktycznie nośników większościowych. 4
Po utworzeniu takiej warstwy przepływ nośników większościowych zostaje zahamowany, gdyż ładunek przestrzenny dodatni po stronie n będzie hamował dalszy dopływ nośników (dziur) dodatnich z obszaru p do n oraz ładunek ujemny po stronie p będzie hamował dalszy dopływ nośników (elektronów) ujemnych z obszaru n do p. tworzy się pole elektryczne reprezentowane przez barierę potencjału. Wysokość bariery, a więc różnica potencjałów, nazywana napięciem dyfuzyjnym. kt N N D = ln ; (4.) q gdzie: q ładunek elektronu; k- stała Boltzmanna; T- temperatura bezwzględna; N a, N d koncentracja akceptorów i donorów; n i koncentracja samoistna półprzewodnika. a d ni Gęstość 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 nośników mniejszościowych. Nośniki mniejszościowe (elektrony w obszarze p, dziury w obszarze n) powstają w wyniku generacji termicznej. Niektóre z nich dyfundują ku krawędziom warstwy zaporowej i przechodzą na drugą stronę. Oprócz prądów dyfuzyjnych nośników większościowych przez złącze płyną prądy unoszenia I pu i I nu nośników mniejszościowych. Kierunki tych prądów są przeciwne do kierunków prądów 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 złącza. 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 szerokość warstwy zaporowej, D napięcie dyfuzyjne. 5
W modelu pasmowym złącza powstaniu ładunku przestrzennego odpowiada przesuniecie położenia pasm energetycznych (rys. 4.). óżnica poziomów jest proporcjonalna do napięcia dyfuzyjnego. Należy zwrócić uwagę na występowanie pewnego jednakowego i wspólnego poziomu dla obu części półprzewodnika. Jest to tzw. poziom Fermiego. Dla półprzewodnika typu n poziom ten leży w górnej połowie pasma zabronionego, dla półprzewodnika typu p w dolnej połowie pasma zabronionego. Poziom Fermiego przesuwa się w kierunku pasma przewodnictwa (dla typu n) lub podstawowego (dla typu p) przy wzroście koncentracji domieszek. W półprzewodniku samoistnym poziom ten umieszczany jest w modelu w pobliżu środka pasma zabronionego. Stan równowagi złącza występuje gdy liczba unoszonych nośników mniejszościowych jest równa liczbie dyfundujących nośników większościowych. I I = 0 i I I = 0. (4.) pd + pu nd + nu Szerokość warstwy zaporowej d zależy od wartości napięcia dyfuzyjnego i koncentracji domieszek w obu obszarach półprzewodnika (N a, N d ), jak również od tego, czy złącze jest liniowe, czy też skokowe. gdzie: d = ε Na + N q N N a d d D ; (4.3) ε = ε r ε 0 przenikalność elektryczna półprzewodnika. Najczęściej szerokość warstwy zaporowej wynosi d = 0, 0,5 µm. Jeżeli koncentracja domieszek jednego z obszarów jest mniejsza niż drugiego, to głębiej w obszar ten wnikną nośniki ładunku z obszaru drugiego i szerokość d > d. 4.. POLAYZACJA ZŁĄCZA p-n W KIENK PZEWODZENIA. Polaryzacja to stan, jaki występuje w złączu pod wpływem przyłożenia z zewnątrz różnych potencjałów do obydwu obszarów półprzewodnika. Jeżeli do półprzewodnika typu p przyłożymy potencjał dodatni, a do półprzewodnika typu n potencjał ujemny (rys.4.a), wówczas mówimy, że złącze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Zmniejsza się bariera potencjału (rys. 4.b) do wartości: F = ; (4.4) D przy czym: napięcie zewnętrzne, D napięcie dyfuzyjne. 6
ys. 4.. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. a) polaryzacja złącza, b) model pasmowy, c) gęstość nośników, d) prądy dyfuzyjne. Maleje szerokość warstwy zaporowej (we wzorze 4.3 należy zamiast D podstawić D ), maleją ładunek i natężenie pola elektrycznego. Zmniejszenie bariery potencjału powoduje wzrost prądu dyfuzyjnego, tj. wzrost liczby dziur przechodzących z obszaru p do obszaru n i elektronów przechodzących z obszaru n do obszaru p. Te dodatkowe nośniki są nazywane wstrzykniętymi nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi p i n. W chwili wprowadzenia przyciągają one nośniki o przeciwnym znaku większościowe w danym obszarze. Koncentracja nośników nadmiarowych p i n zmniejsza się zatem wykładniczo w miarę oddalania się od warstwy zaporowej w wyniku rekombinacji z nośnikami większościowymi (rys. 4.c). Wskutek niejednakowej koncentracji, wstrzyknięte nośniki mniejszościowe 7
dyfundują do obszarów o mniejszej koncentracji, a więc w kierunku doprowadzeń. Jednocześnie od strony doprowadzeń napływają nowe nośniki większościowe, wprowadzone przy polaryzacji złącza, zapewniające neutralizację ładunku wprowadzonego do poszczególnych obszarów. Prądy unoszenia I pu i I nu praktycznie zostają niezmienne. W wyniku zwiększania składowej dyfuzyjnej prądu, w obwodzie zewnętrznym płynie prąd q I = I = sat exp Isat exp ; (4.5) kt T I sat prąd nasycenia złącza, zależy od stałych fizycznych materiałowych oraz konstrukcyjnych złącza. Symbol T oznacza potencjał termodynamiczny wynoszący ok. 6 mv przy T = 300K. kt T = ; (4.6) q 4.3. POLAYZACJA ZŁĄCZA p-n W KIENK ZAPOOWYM. Złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym wtedy, gdy do półprzewodnika typu n przyłożymy potencjał wyższy (plus), a do półprzewodnika typu p niższy (minus) (rys. 4.3a). Napięcie zewnętrzne ma kierunek zgodny z kierunkiem napięcia D. Następuje dalszy odpływ swobodnych nośników z obszaru otaczającego warstwę zaporową. Zwiększa się szerokość i wzrasta bariera potencjału (rys. 4.3b). = ; (4.7) D + Zwiększenie bariery potencjału powoduje zmniejszenie dyfuzji nośników, czyli zmniejszenie koncentracji nośników wprowadzanych na drugą stronę złącza (rys. 4.3c). Bariera ta nie stanowi przeszkody dla przepływu prądu unoszenia prądu wstecznego. Jest on jednak niewielki 0 6 0 - A i bardzo nieznacznie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury złącza i technologii jego wytwarzania. Zależność prądu I od napięcia zewnętrznego przy polaryzacji w kierunku zaporowym jest analogiczna z wzorem (4.5), z tym że przy polaryzacji w kierunku przewodzenia napięcie jest dodatnie, a przy polaryzacji w kierunku zaporowym jest ujemne. Charakterystyka prądowo napięciowa pokazana została na rysunku 4.4. 8
ys. 4.3. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym. a) polaryzacja złącza, b) model pasmowy, c) gęstość nośników. ys. 4.4. Charakterystyka prądowo napięciowa złącza p-n 9
4.4. ZJAWISKO TNELOWE. Zjawisko tunelowe występuje w złączach bardzo silnie domieszkowanych, przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia (rys. 4.5). ys. 4.5. Zjawisko tunelowe. W modelu pasmowym, dno podstawowego półprzewodnika typu p jest powyżej wierzchołka pasma przewodnictwa półprzewodnika typu n. Takie ustawienie pozwala na przejście tunelowe nośników z jednego półprzewodnika (p) do drugiego (n), natomiast utrudnione jest w przeciwną stronę, nawet przy bardzo małym napięciu polaryzacji. Na początku wzrost napięcia polaryzującego złącze w kierunku przewodzenia powoduje wzrost prądu w złączu (odc.). Zwiększając dalej napięcie przewodzenia, prąd tunelowy maleje do zera, ponieważ podnosi się poziom Wc w półprzewodniku typu n maleje napięcie na warstwie zaporowej. Pod wpływem zjawiska tunelowego coraz mniej nośników może przepływać z obszaru p do n. W związku z czym powstaje na charakterystyce prądowo napięciowej odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej (rys. 4.6, odc.3). 30
ys. 4.6. Charakterystyka prądowo napięciowa złącz p-n ze zjawiskiem tunelowym. Charakterystyka prądowo napięciowa złącza p-n. Prąd tunelowy. 3 odcinek charakterystyki o ujemnej rezystancji. 3
ozdział V. DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE Dioda półprzewodnikowa to element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno złącze najczęściej p-n z dwiema końcówkami wyprowadzeń. Złączem nazywa się atomowo ścisły styk dwóch kryształów ciała stałego. Odległość między stykającymi się obszarami jest porównywalna z odległościami między atomami w kryształach. Diody są stosowane w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywana jest zależność rezystancji dynamicznej od napięcia lub prądu wejściowego, lub też zmiany pojemności w funkcji napięcia. W układach cyfrowych istotne są właściwości przełączające diody. Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych. Diody klasyfikujemy ze względu na: materiał - krzemowe - germanowe konstrukcję - ostrzowe i warstwowe - stopowe i dyfuzyjne - mesa - planarne i epiplanarne strukturę fizyczną złącza - p-n - MS - Heterozłącza zastosowanie - prostownicze - uniwersalne - impulsowe - stabilitrony Zenera - pojemnościowe warikapy i waraktory - tunelowe - mikrofalowe: detekcyjne i mieszające przebiegające zjawiska - Zenera - Gunna - lawinowe - tunelowe 3
DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE GEMANOWE KZEMOWE MAŁEJ MOCY POSTOWNICZE ŚEDNIEJ I DŻEJ MOCY MAŁEJ MOCY POSTOWNICZE ŚEDNIEJ I DŻEJ MOCY DETEKCYJNE FOTODIODY MAŁEJ DŻEJ CZĘSTOTLIWOŚCI CZĘSTOTLIWOŚCI LMINENSCENCYJNE IMPLSOWE WAIKAPY I WAAKTOY ZENEA FOTODIODY ys. 5.. Podział diod ze względu na zastosowanie. ys. 5.. Charakterystyki prądowo napięciowe diod..prostownicza (krzemowa).. Zenera (stabilitron). 3. Zwrotna (detekcyjna, mieszająca). 4. Tunelowa. Linią grubą zaznaczono typowy obszar pracy każdej diody. 33
5.. DIODY POSTOWNICZE Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania napięcia bądź prądu przemiennego o małej częstotliwości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy. Diody zaczynają przewodzić dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia. Dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Diody prostownicze są stosowane w układach prostowniczych urządzeń zasilających, przekształcających prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się tutaj właściwość polegająca na różnicy zdolności przewodzenia prądu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia. Przez diodę prostowniczą na ogół płyną duże prądy w kierunku przewodzenia, dlatego też stosujemy diodę warstwową wykonaną z krzemu. Diody prostownicze mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia rzędu pojedynczych Ω, co pozwala na uzyskanie dużych sprawności prostowania. Mamy diody prostownicze takie jak: diody wysokiego napięcia, diody typowe, diody mocy, diody szybkiej mocy, stos diodowy, Parametry charakteryzujące diody prostownicze napięcie przewodzenia F, przy określonym prądzie przewodzenia, prąd wsteczny I, przy określonym napięciu w kierunku zaporowym, czas ustalania się prądu wstecznego t, pojemność C, przy określonym napięciu przewodzenia. Dopuszczalne (graniczne) parametry: maksymalny prąd przewodzenia I 0 ; szczytowe napięcie wsteczne WM ; parametr przeciążeniowy I t, podawany dla diod mocy. 34
Diody prostownicze wykonuje się głównie z krzemu. Wartość prądu płynącego przez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia jest 0 6 0 8 razy większa od wartości prądu w kierunku zaporowym. Diody prostownicze ze względu na wydzielaną w nich moc dzielimy na: małej mocy (> W), średniej mocy ( 0W), dużej mocy (<0 W), a) b) (+) I F I 0 (-) WM 0 I ( WM ) F (I 0 ) F I c) I 0 ys. 5.3. Dioda prostownicza. a) symbol diody prostowniczej, b) charakterystyka prądowo napięciowa diody prostowniczej rzeczywista, c) charakterystyka prądowo napięciowa diody prostowniczej aproksymująca. Gdzie: WM maksymalne napięcie wsteczne, F napięcie przewodzenia, I 0 maksymalny prąd przewodzenia. 35
Diody, przez które płynie prąd o wartości większej niż 0 A mają radiator, który odprowadza wydzielane ciepło do otoczenia. Gdy zastosowanie radiatora jest niewystarczające wtedy należy diodę chłodzić wymuszonym opływem powietrza, a nawet specjalną cieczą. Jeżeli chcemy uzyskać większy prąd przewodzenia przy tym samym napięciu, to możemy połączyć diody równolegle. Jeśli chcemy mieć dodatkowo jednakowe prądy płynące przez poszczególne diody, to do każdej z nich dołączamy szeregowo rezystor o niewielkiej wartości. Jeśli chcemy zwiększyć napięcie wsteczne przy tym samym prądzie, to w miejsce jednej diody wstawiamy kilka diod połączonych szeregowo. 5.. DIODY STABILIZACYJNE (STABILITONY) DIODY ZENEA Diody Zenera to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napięcia. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Diody te stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięcia odniesienia itp. Parametry charakteryzujące diody stabilizacyjne napięcie stabilizacji - Z, prąd stabilizacji I Z, napięcie przewodzenia F, przy określonym prądzie przewodzenia, prąd wsteczny diody I, przy określonym napięciu wstecznym, rezystancja dynamiczna r Z, której wartość zmienia się w zależności od napięcia stabilizacji: r Z I Z = ; Z ezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji Z = 6 8 V. temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji α z, Z α Z = I Z = const ; T Z 36
Zależy od napięcia stabilizacji. Ma wartość ujemną dla diod z przebiciem Zenera ( Z < 5 V), a dodatnią dla diod z przebiciem lawinowym ( Z > 7 V). a) b) c) (+) r Z we DZ wy Z (-) d) ys. 5.4. Dioda stabilizacyjna: a) symbol diody stabilizacyjnej, b) Schemat zastępczy. c) Schemat stabilizatora napięcia z diodą stabilizacyjną. d) Charakterystyka prądowo napięciowa diody stabilizacyjnej. Przy czym Z napięcie stabilizacji, F napięcie przewodzenia, I prąd wsteczny, r Z rezystancja dynamiczna. 5.3. DIODY POJEMNOŚCIOWE Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością w funkcji przyłożonego napięcia. Stosowane w układach powielania częstotliwości, modulacji częstotliwości, we wzmacniaczach parametrycznych i w układach strojenia obwodów rezonansowych wysokiej częstotliwości za pomocą napięcia. Warikapy stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych. Waraktory natomiast stosuje się w układach parametrycznych, we wzmacniaczach lub powielaczach częstotliwości oraz układach mikrofalowych. Ze względu na małe wymiary, dużą wytrzymałość na udary i 37
małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu przypadkach zastąpić kondensatory zmienne lub ceramiczne. a) b) (+) C j (-) C max C min WM 0 ys. 5.5. Dioda pojemnościowa. a) symbol diody pojemnościowej, b) charakterystyka pojemnościowo napięciowa diody pojemnościowej. Gdzie : WM maksymalne napięcie wsteczne, C max pojemność określona przy minimalnym napięciu, C min pojemność określona przy maksymalnym napięciu. Parametry charakteryzujące diody pojemnościowe. prąd wsteczny I, przy określonym napięciu zaporowym; pojemność złącza C j, przy określonym napięciu wstecznym; stosunek pojemności minimalnej C min do maksymalnej C max ; rezystancja szeregowa r s, przy określonym napięciu wstecznym, lub dobroć Q c (podaje się dla warikapów); maksymalna częstotliwość f c (podaje się dla waraktorów); Graniczne parametry diod: maksymalne napięcie wsteczne WM ; maksymalny prąd przewodzenia I 0 (dla warikapów); maksymalna moc P tot (dla waraktorów). 38
5.4. DIODY PZEŁĄCZAJĄCE Do diod przełączających (impulsowych) zliczamy diody: tunelowe, ładunkowe, ostrzowe, Schottky ego. Diody impulsowe wykorzystuje się w układach cyfrowych do przełączania sygnałów; w układach impulsowych diody pracują jako selektory impulsów. Diody ładunkowe i ostrzowe umożliwiają formowanie impulsów prostokątnych o bardzo krótkim czasie narastania i opadania. Parametry charakteryzujące diody przełączające: pojemność diody C, napięcie przewodzenia F, prąd wsteczny I, czas ustalania się prądu wstecznego t rr. Parametrem granicznym diody przełączającej jest maksymalne napięcie wsteczne WM. ys. 5.6. Charakterystyki prądowo napięciowe. dioda zwrotna, dioda ostrzowa, 3 dioda Schottky ego. 39
5.5. DIODA TNELOWA Diody tunelowe są stosowane między innymi w przełącznikach, we wzmacniaczach o małych szumach i w generatorach mikrofalowych, które wykorzystują ujemną rezystancję diody, a także w wielu układach impulsowych o dużej szybkości działania. jemna rezystancja występuje na pewnym odcinku charakterystyki pokazanej na rysunku 5.7. Odcinek charakterystyki I = f() w zakresie którego występuje rezystancja ujemna, określony jest przez współrzędne 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 Złącze p-n. Przy bardzo małych wartościach napięć w kierunku przewodzenia (ok.50mv- ok.350mv) prąd zaczyna szybciej rosnąć niż w zwykłej diodzie. Przy wzroście napięcia do punktu P (punktu szczytu), prąd zaczyna maleć aż osiągnie punkt V (punkt doliny). W tym zakresie dioda wykazuje rezystancje ujemną. Dalszy wzrost napięcia powoduje wzrost prądu. Charakterystyka diody tunelowej pokrywa się z charakterystyką diody zwykłej. W zależności z czego wykonana jest dioda, punkt szczytu i punkt doliny przesuwa się w prawo. a) b) (+) I I P P I V V (-) P V FP ys. 5.7. Dioda tunelowa. a) symbol diody tunelowej, b) charakterystyka prądowo napięciowa diody tunelowej. Gdzie: P, FP napięcia w kierunku przewodzenia odpowiadające prądowi szczytu(i P ), V punkt doliny i odpowiadający jej prąd (I V ) i napięcie ( V ). 40
Parametry charakteryzujące diodę tunelową: napięcie i prąd punktu doliny V, I V ; napięcie i prąd punktu szczytu P, I P ; stosunek prądu szczytu do prądu doliny (nie jest on zawsze podawany); rezystancja dynamiczna r z (minimalna lub średnia); pojemność warstwy zaporowej C r Parametrem dopuszczalnym jest maksymalny prąd w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym. 4
ozdział VI.TANZYSTOY BIPOLANE Tranzystorem bipolarnym zwany też warstwowym, stanowi kombinacją dwóch półprzewodnikowych złączy p-n, wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są dziury i elektrony. Tranzystory bipolarne wykonywane są najczęściej z krzemu, rzadziej z germanu. Ze względu na kolejność ułożenia warstw półprzewodnika rozróżniamy: tranzystory p-n-p (rys.6.a), tranzystory n-p-n (rys.6.b). Mogą one być z: jednorodną bazą (dyfuzyjny), niejednorodną bazą (dryfytowy). Zasada działania tranzystora n-p-n i p-n-p jest jednakowa, różnice występują tylko w polaryzacji zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku przepływu prądów. Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p. W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika mają swoją nazwę: B baza, E emiter, C kolektor. A złącza nazywa się złączem emiterowym (złącze emiter-baza); złączem kolektorowym (złącze baza-kolektor). Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczana w hermetycznie zamkniętej obudowie metalowej, ceramicznej lub plastykowej. Obudowa ta chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, jak również spełnia inne funkcje, np. w tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia skuteczne odprowadzenie ciepła. a) E B C b) E B C E p n p C E n p n C B B E C E C B ys. 6.. Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego. a) p-n-p, b) n-p-n. B 4
6.. PODZIAŁ TANZYSTOÓW BIPOLANYCH. Ze względu na wydzielaną moc, tranzystory dzielimy na: Małej mocy do 0,3 W. Średniej mocy do 5 W. Dużej mocy powyżej 5 W, nawet do 300 W. Ze względu na maksymalną częstotliwość generacji, tranzystory dzielimy na: Małej częstotliwości do kilkudziesięciu MHz. Wielkiej częstotliwości nawet do kilku GHz. 6.. ZASADA DZIAŁANIA TANZYSTOA. Działanie tranzystora bipolarnego rozpatrzymy na przykładzie polaryzacji normalnej tranzystora, tzn. gdy złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, gdy spełniona jest zależność między 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 prądów i spadki napięć między poszczególnymi elektrodami. n-p-n p-n-p ys. 6.. Oznaczenie rozpływu prądu w tranzystorze i spadki napięcia na nim. I B prąd bazy, I C prąd kolektora, I E prąd emitera, CE napięcie kolektor-emiter, BE napięcie baza-emiter, CB napięcie kolektor-baza, V E potencjał emitera, V B potencjał emitera, V C potencjał kolektora. 43
Zasada działania tranzystora n-p-n. ys. 6.3. Zasada działania tranzystora n-p-n. I B prąd bazy, I C prąd kolektora, I CBO zerowy prąd kolektora, I E prąd emitera, E emiter, B baza, C kolektor. W wyniku przyłożenia napięć do elektrod tranzystora, elektrony jako nośniki większościowe przechodzą z emitera do bazy, gdzie stają się nośnikami mniejszościowymi i część z nich rekombinuje z dziurami wprowadzanymi przez kontakt bazy. Elektrony przechodzące przez złącze emiter-baza mają określone prędkości i jeżeli obszar bazy jest wąski, to prawie wszystkie przejdą do kolektora, gdzie staną się ponownie nośnikami większościowymi i zostaną usunięte z obszaru kolektora do obwodu zewnętrznego. Stosunek ilości nośników (elektronów) przechodzących do kolektora, do ilości nośników (elektronów) wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądowego i oznaczamy α. Jeżeli złącze kolektor-baza jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, tzn. kolektor ma wyższy potencjał niż baza, to pole elektryczne występujące w tym złączu powoduje unoszenie nośników z obszaru bazy do obszaru kolektora. Wartość prądu płynącego przez kolektor może być regulowana przez zmianę wysokości bariery złącza emiterowego, czyli przez zmianę napięcia polaryzującego złącze emiter-baza. Przez złącze baza-kolektor płynie prąd związany z polaryzacją, tzw. Prąd zerowy kolektora I CBO. Płynie on nawet wtedy gdy złącze baza-emiter nie jest spolaryzowane (I E = 0). Przez tranzystor płynie również prąd zerowy I CBO, gdy I B = 0. 44
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 = β I + I. (6.3) C B CEO gdzie: α - współczynnik wzmocnienia prądowego (0,95 0,998), β - współczynnik wzmocnienia prądowego, który jest stosunkiem ilości nośników wstrzykiwanych do kolektora do ilości nośników w bazie (β = 0 850). Związki między prądami 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 C β = ; IC I B I B = β ; I = β I + I ; E B B ( +) I = β ; E I B 45
. 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 ( β ) I β I C + = E ; β I C = I E ; β + 3. I B = I E I C ; I B = I E β I B ; 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. Zależnie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróżniamy trzy sposoby włączenia tranzystora do układu: układ ze wspólnym emiterem OE (WE), układ ze wspólną bazą OB (WB), układ za wspólnym kolektorem OC (WC). a) b) c) WE WB WC C E C C B B E B E ys. 6.4. kłady pracy tranzystora. a) ze wspólnym emiterem (OE), b) ze wspólną bazą (OB.), c) ze wspólnym kolektorem (OC). 46
Wybór układu pracy tranzystora jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora. Tranzystor pracujący w układzie OE charakteryzuje się: dużym wzmocnieniem prądowym ( β = I I ), C B dużym wzmocnieniem napięciowym, dużym wzmocnieniem mocy. Napięcie wyjściowe w układzie OE jest odwrócone w fazie o 80 w stosunku do napięcia wejściowego. ezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset Ω a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt kω. Tranzystor pracujący w układzie OB charakteryzuje się: małą rezystancją wejściową, bardzo dużą rezystancją wyjściową, wzmocnienie prądowe blisko jedności ( C I ). Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych. Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się: dużą rezystancją wejściową co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości, wzmocnieniem napięciowym równym jedności, dużym wzmocnieniem prądowym ( β + = I I ). E 6.4. CHAAKTEYSTYKI STATYCZNE TANZYSTOA Właściwości tranzystora opisują rodziny charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne. Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami: emiter, kolektora, bazy i napięciami: baza-emiter, kolektoremiter, kolektor-baza. ozróżniamy cztery rodziny charakterystyk statycznych: - wejściowa ( = f (I ), przy = const), - przejściowa (I = f (I ), przy = const), - wyjściowa (I = f ( ), przy I = const), - zwrotna ( = f ( ), przy I = const). B E 47