Materiały półprzewodnikowe Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których rezystywność (oporność właściwa) jest rzędu 10 8 do 10-6 Ohm*m. Pod względem przewodnictwa zajmują miejsce pośrednie pomiędzy przewodnikami a izolatorami. W przewodnikach ładunki elektryczne (elektrony walencyjne) mogę się swobodnie poruszać wewnątrz przewodnika, natomiast w izolatorach (dielektrykach) elektrony te są unieruchomione. RóŜnice te wynikają z róŝnic budowy sieci krystalicznej poszczególnych substancji.
Materiały półprzewodnikowe Pasma energetyczne dla róŝnych substancji.
Materiały półprzewodnikowe W przypadku dobrze przewodzących metali (np. miedzi) pasmo energetyczne 1 jest tylko częściowo zajęte, więc elektrony walencyjne mogą łatwo przejść do wyŝszych poziomów (pasmo przewodnictwa), a zatem poruszać się swobodnie w ciele stałym. W przypadku izolatora, np. chlorku sodu, pasmo 1 jest całkowicie zajęte, a pasmo przewodnictwa jest energetycznie za wysoko, aby pozwolić jakiejkolwiek znaczącej liczbie elektronów pasma 1 przeskoczyć tę przerwę energetyczną. W czystym półprzewodniku, np. krzemie, pasmo 1 jest równieŝ całkowicie wypełnione, ale pasmo przewodnictwa jest energetycznie blisko, tak więc elektrony mogą łatwo "przeskoczyć" na niezapełnione poziomy tego pasma.
Materiały półprzewodnikowe Przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach jest wynikiem niezaleŝnego ruchu dwóch rodzajów nośników: dziur i elektronów. Są one skutkiem braku lub nadmiaru elektronu walencyjnego w sieci krystalicznej. Koncentracje nośników elektrycznych w półprzewodnikach moŝna zmieniać w bardzo szerokich granicach przez zmianę temperatury półprzewodnika lub natęŝenia padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.
Materiały półprzewodnikowe Przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach jest wynikiem niezaleŝnego ruchu dwóch rodzajów nośników: dziur i elektronów. Są one skutkiem braku lub nadmiaru elektronu walencyjnego w sieci krystalicznej. Koncentracje nośników elektrycznych w półprzewodnikach moŝna zmieniać w bardzo szerokich granicach przez zmianę temperatury półprzewodnika lub natęŝenia padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.
Materiały półprzewodnikowe Rodzaje półprzewodników: samoistne półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez Ŝadnych Zanieczyszczeń struktury krystalicznej. Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur, domieszkowane (niesamoistne) domieszkowanie polega na wprowadzeniu do struktury kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego.
Materiały półprzewodnikowe Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu n, domieszka taka zaś nazywana jest domieszką donorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny połoŝony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko dna pasma przewodnictwa, lub w samym paśmie przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie pustego w przypadku półprzewodników samoistnych) w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie elektronowym lub przewodnictwie typu n
Materiały półprzewodnikowe Wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów powoduje powstanie półprzewodnika typu p domieszka akceptorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom akceptorowy) połoŝony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka pasma walencyjnego lub w samym paśmie walencyjnym. Poziomy takie wiąŝą elektrony z paśma walencyjnego (prawie zapełnionego) powodując powstanie w nim wolnych miejsc, tzw. dziur elektronowych. Dziura zachowuje się jak swobodna cząstka dodatnia zdolna do przewodzenia prądu - przewodnictwo dziurowe. Dziury, ze względu na swoją masę efektywną, zwykle większą od masy efektywnej elektronów, mają mniejszą ruchliwość, a przez to oporność materiałów typu p jest z reguły większa niŝ materiałów typu n.
łącze półprzewodnikowe Złą Styk dwóch rodzajów materiałów półprzewodnikowych nazywany jest złączem n-p. Większość elementów półprzewodnikowych zawiera jedno lub więcej takich złącz. Aby powstało złącze półprzewodnikowe, zmiana koncentracji nośników powinna zachodzić na odcinku nie dłuŝszym niŝ 1µm. W złączu n-p powstaje dyfuzja nośników, czyli samoistne ich przejście do sąsiedniego obszaru półprzewodnika i zmiana ich koncentracji, na skutek czego tworzy się bariera potencjału. a) rozkład koncentracji ładunku b) bariera potencjału
Złącze półprzewodnikowe Polaryzacja złącza n-p a) zaporowo złącze nie przewodzi prądu b) w kierunku przewodzenia złącze przewodzi prądu
Elementy półprzewodnikowe Diody Tranzystory bipolarne unipolarne Tyrystory Triaki Pozostałe elementy
Dioda półprzewodnikowa Symbole diody Końcówki: Anoda Katoda
Dioda półprzewodnikowa gdy i>0 wtedy R małe gdy i<0 wtedy R duŝe
Dioda półprzewodnikowa Charakterystyka diody Charakterystyka uproszczona
Parametry: Dioda półprzewodnikowa U F napięcie przewodzenia (Si 0,7 0,9V ; Ge 0,3 0,4V; GaAs 1,1 1,2V) I F prąd przewodzenia I FSM niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I FRM powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia, U R dopuszczalne napięcie wsteczne U RSM niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne, które moŝe pojawić się na diodzie przypadkowo w znacznych odstępach czasu, U RRM powtarzalne napięcie wsteczne
Parametry diody c.d. I R prąd wsteczny (I0) P tot straty mocy przy danej temperaturze otoczenia diody małej mocy <1W diodyśredniej mocy od 1W do 10 W diody duŝej mocy >10W T jmax dopuszczalna temperatura złącza
Diody przełączające Diody impulsowe są przeznaczone do przełączania napięć i prądów oraz do formowania impulsów elektrycznych. W układach spełniają one najczęściej funkcję tzw. kluczy, czyli przełączników.
Właściwości dynamiczne diod Proces przełączania diody mocy ze stanu przewodzenia do stanu zaporowego i odwrotnie nazywa się komutacją. Proces komutacji składa się z dwóch części: procesu załączania i procesu wyłączania. W obu tych procesach na przez diodę płynie prąd znacznie większy od prądu wstecznego i jednocześnie na jej zaciskach występuje napięcie znaczne większe od napięcia przewodzenia. W efekcie impuls mocy chwilowej jaka wydziela się w diodzie ma znaczną amplitudę i przy częstych przełączeniach kumulacja energii moŝe być tak duŝa, Ŝe dioda ulegnie zniszczeniu w wyniku przegrzania struktury półprzewodnikowej.
Właściwości dynamiczne diod W procesie załączania istotna jest takŝe szybkość narastania prądu przewodzenia, poniewaŝ na występującej w strukturze płytki krzemowej indukcyjności oraz na indukcyjności wyprowadzeń będą indukowały się napięcia, które dodając się do napięcia zasilania spowodują wystąpienie przepięcia i w konsekwencji uszkodzenie diody. W procesie wyłączania istotny jest natomiast prąd wsteczny diody poniewaŝ przewodząca wstecznie dioda moŝe spowodować po załączeniu innego elementu niekontrolowane zwarcie w układzie przekształtnika.
Właściwości dynamiczne diód Dla procesu komutacji istotnymi parametrami są zatem: di F /dt - maksymalna szybkość narastania prądu przewodzenia t fr - czas ustalania się napięcia przewodzenia t rr czas ustalania charakterystyki wstecznej
Praca przełączająca diody
Dioda Schottkyego - symbol W przypadku, gdy chcemy włączyć diodę w układ z sygnałem o duŝej częstotliwości to lepiej jest zastosować diodę Schottky'ego. W diodzie Schottky'ego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-półprzewodnik, które teŝ ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku). Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps. Oprócz tego diody Schottky'ego mają mniejsze napięcie przewodzenia niŝ diody krzemowe (U F =0,3V).
Dioda Zenera Diody Zenera i diody lawinowe (stabilistory) są diodami krzemowymi, które stosuje się do stabilizacji napięć stałych. Diody takie pracują spolaryzowane w kierunku wstecznym. W kierunku przewodzenia zachowują się jak zwykłe diody. Diody o napięciu przebicia U Z0 < 6V mają ujemny współczynnik temperaturowy napięcia przebicia i dominującym jest w nich zjawisko Zenera, a w diodach o U Z0 > 6V współczynnik temperaturowy napięcia przebicia jest dodatni i dominującym zjawiskiem jest zjawisko lawinowe.
Dioda Zenera - charakterystyka Diody Zenera parametry U Z0 napięcie przebicia (Zenera) 2,4V; 2,7V; 3,0V; 3,3V; 3,6V; 3,9V;4,3V; 4,7V; 5,1V; 5,6V; 6,2V; 6,8V; 7,5V; 8,2V; 9,1V; 10V; 11V; 12V; 13V; 15V; 16V; 18V; 20V; 22V; 24V; 27V;... I Z prąd diody Zenera (max) P tot straty mocy
Fotodioda W fotodiodach wykorzystano tzw. efekt fotoelektryczny prosty, który polega tym, Ŝe w materiale półprzewodnikowym, pod wpływem światła padającego na złącze następuje jonizacja atomów sieci krystalicznej i generacja par elektron-dziura.
Diody elektroluminescencyjne LED W diodach elektroluminescencyjnych wykorzystano tzw. efekt fotoelektryczny odwrotny, w którym dioda emituje światło pod wpływem przepływającego przez złącze prądu. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym dioda elektroluminescencyjna zachowuje się ja zwykła dioda sygnałowa. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody LED ma kształt podobny do charakterystyki diody sygnałowej. Napięcia przebicia są niewielkie od 3 V do 10 V. Spadek napięcia przy polaryzacji w kierunku przewodzenia (dioda świeci) leŝy w zakresie wartości od 1,2 V do 5 V.
Diody elektroluminescencyjne LED I F = 20mA U FR = 1,7V U FY =1,9V U FG =2,1V U FB =3,7V U FW =3,6V
Diody elektroluminescencyjne LED
Dioda tunelowa i=f (u) u=f -1 (i) Pomiędzy punktami szczytu i doliny dioda tunelowa ma ujemną rezystancję dynamiczną. JeŜeli rezystancja obwodu dołączonego równolegle do diody tunelowej jest większa od ujemnej rezystancji dynamicznej diody powstały w ten sposób układ będzie niestabilny. Tę właściwość diody tunelowej wykorzystano przy odtłumianiu obwodów rezonansowych w prostych generatorach z obwodami rezonansowymi LC w zakresie wielkich częstotliwości.
Parametry diody 1N4007
Parametry diody 1N4148 (max)
Parametry diody 1N4148 (typ)
Parametry diody Bat43 (max) Schottkyego
Parametry diody Bat43 (typ)
Parametry diody POWER LED
Parametry diody POWER LED 234000 -> 26 lat 129000 ->14 lat 29500 ->3,3 lata 6000 ->250 dni
Tranzystory bipolarne npn diody połączone anodami pnp diody połączone katodami
Tranzystory bipolarne Oznaczenia napięć i prądów tranzystorów
Tranzystory bipolarne Sposoby zasilania tranzystorów
Tranzystory bipolarne Elementarne układy pracy układ WE
Tranzystory bipolarne Elementarne układy pracy układ WE PołoŜenie punktu pracy
Tranzystory bipolarne Elementarne układy pracy układ WE C1, C2 kondensatory separujące Ustalanie punktu pracy- polaryzacja stałym prądem bazy.
Tranzystory bipolarne Elementarne układy pracy układ WK Wtórnik emiterowy
Tranzystory bipolarne Elementarne układy pracy układ WB
Tranzystory bipolarne Tranzystor pracujący w układzie WE charakteryzuje się: * duŝym wzmocnieniem prądowym, * duŝym wzmocnieniem napięciowym, * duŝym wzmocnieniem mocy. Tranzystor pracujący w układzie WB charakteryzuje się: # małą rezystancją wejściową, # bardzo duŝą rezystancją wyjściową, # wzmocnienie prądowe blisko jedności Tranzystor pracujący w układzie WK charakteryzuje się: # duŝą rezystancją wejściową co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości, # wzmocnieniem napięciowym równym jedności, # duŝym wzmocnieniem prądowym
Układ Darlingtona Tranzystory bipolarne Tranzystor złoŝony w układzie Darlingtona: wzrost współczynnika wzmocnienia, wzrost rezystancji wejściowej, malenie rezystancji wyjściowej
Tranzystory bipolarne Wzmacniacz róŝnicowy Wykorzystywany jest jako stopień wejściowy wzmacniaczy prądu stałego oraz w scalonych wzmacniaczach operacyjnych (w formie rozbudowanej)
Charakterystyki Tranzystory bipolarne
Tranzystory bipolarne I E =I C +I B U BE 0,6-0,7V U CE =U BE +U CB
Tranzystory bipolarne Model małosygnałowy (zlinearyzowany)
Tranzystory bipolarne Model małosygnałowy czwórnikowy dla układu WE
Tranzystory bipolarne Model małosygnałowy czwórnikowy dla układu WE
Tranzystory bipolarne h 21e =β - małosygnałowy współczynnik wzmocnienia (WE) h 21b = α - wielkosygnałowy współczynnik wzmocnienia (WB) I E =I C +I B
Tranzystory bipolarne - parametry I Cmax maksymalny prąd kolektora U CEmax maksymalne napięcie kolektor-emiter (wartość zaleŝy od sposobu wysterowania tranzystora) h FE współczynnik wzmocnienia prądowego P tot maksymalną moc strat w kolektorze lub tranzystorze U BEmax maksymalne napięcie wsteczne baza-emiter I Bmax maksymalny prąd przewodzenia złącza baza-emiter f α częstotliwość, przy której wartość współczynnika α zmniejszy się o 3 db f β częstotliwość przy której wartość współczynnika β zmniejszy się o 3 db f T częstotliwość przy której wartość współczynnika β zmniejszy się do wartości 1
Fototranzystor Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą róŝnicą, Ŝe prąd kolektora nie zaleŝy od prądu bazy, lecz od natęŝenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiter-baza. Wykorzystuje się tu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa. Fotoprzewodnictwo polega na zwiększaniu przewodnictwa elektrycznego pod wpływem energii promieniowania powodującej jonizacje atomów w danym ciele, wskutek czego zwiększa się liczba swobodnych elektronów powstających w tym ciele. Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niŝ czułość fotodiody, poniewaŝ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu. Fototranzystory wykonuje się najczęściej z krzemu.
Fototranzystor IR
Tranzystor BC337
Tranzystor BD135
Tranzystor TIP122
Tranzystory unipolarne (polowe) Tranzystory polowe tak jak i tranzystory bipolarne są elementami półprzewodnikowymi. RóŜnią się od bipolarnych tym, Ŝe są sterowane polem elektrycznym co oznacza, Ŝe nie pobierają mocy na wejściu oraz faktem, ze w ich działaniu bierze udział jeden rodzaj ładunków stąd nazwa: unipolarne. Pomimo róŝnicc oba rodzaje tranzystorów mają wspólną cechę: są to elementy działające na zasadzie sterowania przepływem ładunku. W obu przypadkach są to elementy trzykońcówkowe (kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E -źródło S, a bazie B - bramka G.), w których przewodność między dwoma końcówkami zaleŝy od liczby nośników ładunków znajdujących się między nimi, a z kolei liczba nośników ładunków zaleŝy od wartości napięcia doprowadzonego do elektrody sterującej zwanej bazą w tranzystorach bipolarnych lub bramką w tranzystorach polowych.
Tranzystory unipolarne (polowe) JFET N MOSFET P * Tranzystory złączowe - JFET (Field-Effect Transistor) * Tranzystory polowe z izolowaną bramką MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik) * Tranzystory polowe cienkowarstwowe TFT (Thin Film Transistor)
Tranzystory unipolarne (polowe) Polaryzacja tranzystorów unipolarnych złączowych z kanałem typu n z kanałem typu p
Tranzystory unipolarne (polowe) Charakterystyki przejściowe - zaleŝność I D od U GS przy ustalonym U DS Charakterystyki wyjściowe zaleŝność I D i U DS przy U GS jako parametrze
Tranzystory unipolarne (polowe) Wielkości charakterystyczne dla charakterystyk przejściowych : napięcie odcięcia bramka źródło U GSOFF napięcie jakie naleŝy doprowadzic do bramki, aby przy ustalonym napięciu U DS nie płynął prąd drenu prąd nasycenia I DSS prąd drenu płynący przy napięciu U GS =0 i określonym mapięciu U DS
Tranzystory unipolarne (polowe) Parametry: R DSON rezystancja statyczna włączenia dren-źródło tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki przy U GS =0 I Dmax prąd drenu maksymalny U DSmax napięcie maksymalne źródło-dren P tot U GSOFF
Tranzystory unipolarne (polowe) Tranzystory MOSFET niewiele się róŝnią od JFET. Izolowana bramka powoduje Ŝe praktycznie nie płynie przez nią prąd. JFET > 1pA 10nA MOSFET > 1000 x mniejszy prąd bramki
Tranzystory unipolarne (polowe)
Tranzystor IRF540
Tranzystor IRF540 (typ1)
Tranzystor IRF540 (typ2)
Tyrystor
Tyrystor A-obszar nieprzełączania B- obszar moŝliwych przełączeń C- obszar pewnych przełączeń Załączenie tyrystora jest moŝliwe po przekroczeniu określonego napięcia i prądu anodowego oraz podaniu impulsu bramkowego. Wyłączenie tyrystora zmniejszenie prądu anodowego poniŝej prądu podtrzymania I H lub zmiana polaryzacji.
Tyrystor - parametry U DRM dopuszczalna wartość szczytowa napięcia blokowania U RRM dopuszczalna wartość szczytowa napięcia wstecznego I T dopuszczalny prąd przewodzenia I GT prąd bramki
Triak Triaki moŝna załączać zarówno przy dodatnim, jak i ujemnym napięciu anodakatoda. (Anoda1- Anoda2)
Triak BT138
Diak Diak jest elementem dwuzłączowym o symetrycznej strukturze pnp. Ma symetryczną charakterystykę prądowo-napięciową. MoŜna go traktować jak dwa połączone odwrotnie równolegle łączniki progowe.