Universitatea Petru Maior Facultatea de Inginerie Catedra de
Inginerie Electric ef lucrri ing Germn Z Dispozitive i circuite
electronice I Partea 1 Dispozitive electronice Curs. Format
electronic Anul universitar 2005-2006 Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 2Cuprins Introducere 1 DISPOZITIVE
ELECTRONICE 1.1Jonciunea p-n 1.1.1 Jonciunea p-n la echilibru
termic 1.1.2 Caracteristica static a jonciunii p-n. Ecuaia diodei
ideale 1.1.3 Strpungerea jonciunii p-n 1.1.4 Circuitul echivalent
al jonciunii p-n 1.2.Diode semiconductoare 1.2.1 Diode redresoare.
Caracteristica static. Funcionare 1.2.2 Diode varicap. 1.2.3 Diode
stabilizatoare (ZENER) Caracteristica static. Funcionare.
Stabilizator parametric. 1.3 Tranzistorul bipolar 1.3.1.
Introducere. Simboluri. Tipuri de caracteristici. 1.3.2 Principiul
de funcionare (efectul de tranzistor) 1.3.3 Componentele curenilor
prin tranzistor 1.3.4 Descrierea funcionrii n regiunea activ normal
(conexiunile BC, EC) 1.3.5 Modelul de semnal mare (EBERS - MOLL) al
tranzistorului bipolar 1.3.6.Caracteristicile statice ale
tranzistorului bipolar 1.3.6.1. Caracteristicile statice n
conexiunea baz comun (BC) 1.3.6.2. Caracteristicile statice n
conexiune emitor comun (EC) 1.3.7 Polarizarea tranzistorului ntr-un
punct dat de funcionare, n regiunea activ1.3.8.Limitri n funcionare
datorat variaiei temperaturii i disipaiei de putere 1.3.8.1 Variaia
caracteristicilor electrice cu temperatura 1.3.8.2 StabilizareaPSF
n raport cu variaiile de temperatur 1.3.9.Tranzistorul bipolar n
regim dinamic 1.3.9.1 Modelul de semnal mic. Circuit echivalent
natural 1.3.9.2. Circuit echivalent cu parametri hibrizi 1.3.9.3
Exemplu de utilizare a circuitului echivalent. Etaj de amplificare
cu emitorul comun 1.3.10 Caracteristica dinamic i limitarea
amplitudinii semnalului 1.4 Tranzistorul cu efect de cmp cu
jonciune (TEC-J) 1.4.1 Introducere. Simboluri.Notaii.Funcionare
1.4.2 Caracteristici statice de ieire i de transfer (canale n i p).
Regim liniar. Regim de saturaie 1.4.3 Polarizarea TEC-J.Scheme de
polarizare. Dreapta de sarcin. Punct static de funcionare 1.4.4
Modelul de semnal mic pentru TEC-J. Frecvene joase i nalte. 1.5
Tranzistorul cu efect de cmp tip "MOS" (TEC-MOS) 1.5.1.Introducere.
Simboluri.Notaii.Funcionare. Tipuri de caracteristici.
1.5.2.Caracteristici statice de ieire i de transfer (canale n i p).
Regim liniar. Regim de saturaie 1.5.3.Polarizarea TEC-MOS (canal
iniial i indus). Scheme de polarizarepentru canal indus i canal
iniial. Dreapta de sarcin. Punct static de funcionare. 1.5.4.Model
de semnal mic pentru TEC-MOS. Frecvene joase i nalte. 1.6
Dispozitive electronice uni- i multijonciune 1.6.1.Dioda pnpn.
Caracteristica curent-tensiune 1.6.2 Tiristorul convenional.
Caracteristica curent-tensiune. Amorsarea tiristorului. Blocarea
tiristorului. Aplicaii 1.6.2.Diacul, triacul. Caracteristici
curent-tensiune. Amorsare. Blocare. Aplicaii 1.7 Dispozitive
optoelectronice 1.7.1 Fotorezistena. 1.7.2 Fotoelementul.
Fototranzistorul.Fotodioda. Fototiristorul 1.7.2.Dioda
electroluminescent(LED).Optocuplorul. Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 3 Introducere Corpurile solide au o
structur cristalin cu atomii i moleculele distribuite ntr-o reea
regulat, n care unitatea structural (cub, tetraedru, etc.) se repet
periodic. Atomii situai n nodurile reelei cristaline sunt legai
ntre ei prin electronii de valen. Din punct de vedere electric,
corpurile solide se mpart n trei mari grupe: -conductoare
-semiconductoare -izolatoare
Aceastclasificarearelabazvaloareaconductivitiielectricemsuratlatemperatura
camerei.La aceast temperatur se obin urmtoarele valori pentru
conductivitate electric: ( )( )1 6 810 10 = m la materialele
conductoare ( )( )1 9 510 10 = m la materialele semiconductoare (
)( )1 910 = m la materiale izolatoare
Dispozitiveleelectronicesuntacelecomponentealecircuitelorelectroniceacrorcomportarese
bazeazpecontrolulmicriipurttorilordesarcinncorpulsolid,ngazesaunvid.Aproapetoate
dispozitiveleelectronicefolosescconduciancorpulsolid,deregulnsemiconductoare.Princontrolul
micrii purttorilor de sarcin se nelege fie controlul injeciei de
purttori de sarcini, fie controlul
propriu-zis,caresepoateexercitaprincmpulelectriccareaparedatorituneidiferenedepotenial.Controlul
mrimiicurentuluielectricsepoaterealizaiprinefectulunuifluxluminos(fotoni)asupranumruluide
purttoridesarcindintr-oanumitzonadispozitivuluielectronic,careestecazulparticularal
dispozitivelor
optoelectroniceCircuiteleelectronicesuntdefaptcircuiteelectricecareutilizeazdispozitiveelectronicepentru
realizarea unor funcii cum ar fi: -amplificarea, generarea unor
oscilaii armonice, redresarea tensiunii alternative, stabilizarea
tensiunii, modulare/demodulare Funciile electronice pot fi asociate
la dou categorii mari de aplicaii: -controlul i conversia energiei,
-prelucrarea sau transmiterea semnalelor electricepurttoare de
informaii Dispozitivele electronice pot fi privite ca elemente ale
circuitelor electronice,
caurmaremrimilecareaparlaborneleacestorasunttensiunielectricei
cureni electrici. La dispozitivele mai simple cu dou borne,
caracterizarea se face prin legtura care exist ntre tensiunea
aplicat i curentul rezultat, de exemplu ca pe figura alturat:
Dependena poate fi o caracteristic static sau una dinamic dac apare
posibilitatea stocrii energiei electrice de ctre dispozitivul
electronic.La dispozitivele cu trei sau mai multe borne descrierea
se poate face prin relaiile care exist ntre patru mrimi electrice:
doi cureni i dou tensiuni , deoarece al treilea curent se obine n
funcie de ceilali doi. Caracteristicile statice ce descriu complet
funcionarea acestui dispozitiv cu trei borne sunt dou funcii de dou
variabile, de exemplu ( )2 1 1 1, u u i i = ) , (2 1 2 2u u i i =
Este interesant de remarcat c n majoritatea cazurilor proprietile
de interes ale dispozitivelor electronice pot fi descrise cu
referire la caracteristicile statice. Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 4
Oprimproprietateadispozitivelorelectroniceestecaracterullorneliniar.Toatedispozitivele
electronice au caracteristici statice neliniare. Caracteristica
static a diodei semiconductoare, de exemplu, permite redresarea
unui semnal alternativ.
Oadouaproprietateestecaracterulparametricalunordispozitiveelectronice.Unanumit
parametru al dispozitivului poate fi controlat electric. Rezistena
tranzistorului cu efect de cmp ntre surs i dren poate fi controlat
de tensiunea aplicat ntre poart i surs.Aceast rezisten controlat
poate fi folosit n reglajul automat al amplificrii. O a treia
proprietate important pe care o prezint unele dispozitive
electronice este caracterul lor
activ.Numimactiveaceledispozitiveelectronicecarepotasiguratransformareaputeriiabsorbitedela
sursele de alimentare n curent continuu n putere de semnal.
1.DISPOZITIVE ELECTRONICE 1.1 Jonciunea pn
Dispozitivelesemiconductoareaunconstrucialorregiunialereeleimonocristalinecudiverse
impurificriattcamrimeaconcentraieicticatipdeimpuritate(n-regiunetipdonor,p-regiunetip
acceptor).Jonciuneapnreprezintostructurfizicrealizatntr-unmonocristalcarearedouregiuni
vecine,unadetippaltadetipn.Intreacestedouregiunideconductibilitateelectricdiferitapareo
variaieadistribuieiimpuritilor.Liniadedemarcaiedintreceledouregiunisenumetejonciune
metalurgic.Jonciuneapnareoimportanesenialnfuncionareauneiclasemaridedispozitive
electronice.Majoritateadispozitivelorelectronicesemiconductoareconinunasaumaimultejonciuni.
Cunoaterea fenomenelor din jonciunea pn servete i la nelegerea unor
fenomene cum sunt cele legate de suprafaa semiconductorului, de
contacte metalice, etc. 1.1.1Jonciunea pn la echilibru termic
ntr-ojonciunepnaflatlaechilibrutermicconcentraiiledepurttorimobilidesarcindifern
zona jonciunii metalurgice fa de valorile din structur datorit
fenomenelor de difuzie a purttorilor mobili.
Astfel,goluriledinregiuneap,aflatenconcentraiimari,difuzeazspre
regiuneanundeconcentraialor este foarte mic, aici ele se recombin
datorit tendinei semiconductorului de tip n de a restabili
echilibrul. Inmodsimilarelectroniiinzonandifuzeaz spre
zonap.Proceselede difuziencep evidentcupurttorii aflai n apropierea
jonciunii metalurgice. In zona p adiacent jonciunii metalurgice,
prin plecarea golurilor apare un exces de sarcin negativ datorit
ionilor acceptori (sarcini fixe). Zona n din apropierea jonciunii
metalurgicecaptosarcinnexcespozitiv,prinacelaiprocedeu.Caurmaresestabileteuncmp
electricinternorientatdelaregiuneanspreregiuneap.Acestcmpelectrictransportgoluriledinspre
regiunea n spre regiunea p i electronii dinspre regiunea p spre
regiunea n, deci n sens opus fluxurilor de difuzie
Caurmare,procesuldescdereaconcentraiilordepurttorimajoritarinusecontinupnla
uniformizareaconcentraiilor(conformtendineidedifuzie),ciseautolimiteaz(pringenerareacmpului
electricintern)lavaloricareasigurechilibrulcurenilor(fluxurilor)dedifuzieidecmp.Aceastsituaie
corespunde unui curent electric nul prin structur, rezultat
compatibil cu condiia de echilibru termic. Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 51.1.2. Caracteristica static a jonciunii
pn
Caracteristeicastaticdesemneazdependenacurentuluiprinjonciune,detensiuneaaplicat
acesteia. Convenia de notaii prezentat pe figura este urmtoarea:
-polarizare direct pentru care0 0 > >A AI U -polarizare
invers pentru care0 0 < >astfel nct ecuaia poate fi aproximat
cu:|.|
\| =mkTqUI IAO Fexp(partea exponenial din cadranul I al
caracteristicii statice) Germn Zoltn Dispozitive electronice1
curspartea I 6n polarizare invers, pentru tensiuni negative mult
mai mari n valoare absolut ca tensiunea termic qmkTU UT R= >>
curentul prin jonciune depinde foarte slab de tensiunea aplicat,
avnd valoarea curentului de saturaie: O RI I =Datorit modului rapid
de variaie a funciei exponeniale, se observ c ntr-un domeniu
limitat de curent,
tensiuneapejonciunenpolarizaredirectpoatefipresupusconstant,valoareatipicaacesteiaeste
de 0,7V pentru Si, 0,3V pentru Ge, As. 1.1.3. Strpungerea jonciunii
pn Fenomenul electric de strpungere a jonciunii pn const n creterea
puternic a curentului n polarizare invers la o anumit tensiune, aa
cum rezult din figura de mai jos. In dreptul tensiunii BRUnumite
tensiune de strpungere, curentul invers RItinde ctre infinit.
Daccircuitulelectricexteriorlimiteazcurentulprinjonciunelaovaloarecarenuducela
distrugerea structurii prin nclzire excesiv, fenomenul de
strpungere este reversibil.
Strpungereajonciuniipoatefiexplicatprindouefecte,amndoufiindlegatedevalorilemariale
intensitii cmpului electric la tensiuni inverse mari.
Multiplicareanavalanapurttorilordesarcin.Latensiuniinverseridicate,cmpulelectricdin
regiunea de sarcin spaial atinge valori mari i imprim o energie
crescut purttorilorde sarcin. In urma
ciocniriicuatomiireeleicristaline,unpurttordesarcinpoateaveaenergiesuficientpentruaformao
perecheelectrongolprinrupereauneilegturicovalente.Acetipurttoridesarcinsuplimentarisunt
antrenai la rndul lor de cmpul electric i n mod similar pot rupe
legturi covalente, fenomenul ducnd la o cretere nelimitat a
curentului.Din punct de vedere cantitativ, prezena fenomenului de
multiplicare este
luatnconsideraieprinnmulireavaloriicurentuluiinvers OI
(nabsenaacestuifenomen)cuun coeficient M de multiplicare n avalan:
O RI M I =Coeficientul M poate fi calculat cu o relaie empiric:
nBRRUUM||.|
\|=11 unde n este un exponent cuprins ntre 4 i 7, valoarea sa
depinznd de semiconductor. Efectul Zener.Pentru concentraii mari de
impuriti (>1018 cm-3) strapungerea jonciunii nu se mai face prin
multiplicare n avalan, ci prin efect Zener. Aceasta const n apariia
unui numr crescut de purttori de sarcin prin ruperea unor legturi
covalente sub aciunea direct a cmpului electric.Efectul Zener apare
la un numr redus de tipuri de jonciuni i anume acelea cu tensiuni
mici de strpungere (>1 1 22100 ,
n aceste conditii : U UURVR R 1 22100 = =. Pe baza acestui
calcul aproximativ se poate afirma ca prin diode circula curentii
inversi: I I I IR O R O 1 1 2 2= = ; se poate face un calcul mai
exact al punctelor statice de funcionare cu ajutorul relatiilor: U
U UURIURI IR RRORO1 21122+ =+ = + = Se obtin rezultatele:U V U V I
AR R 1 2104 96 105 = = = ; ; Acest circuit asigura o mpartire mai
buna a tensiunii de alimentare ntre cele doua diode, rezistentele
acestea numindu-se rezistene de egalizare. Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 10 ! Aplicaie n circuitul din figur
diodele auI pAO12 =i respectivI pAO28 = . Caracteristicile lor se
considera a fi ideale , m=1. Se cere sa se calculeze curentii prin
cele doua diode. Diodele D1 i D2 sunt polarizate direct,
caracteristica statica a grupului celor doua diode legate n paralel
este: I IqUkTI I IOaO O O= = + exp ;1 2 efectund un calcul iterativ
(ca n prima aplicatie) se obine: I mA U VA 99 4 0 6 . ; . Curentul
total I se divide prin fiecare dioda proportional cu curenii de
saturaie: I III ImA I mAAOO OA 111 2219 9 79 5 =+= = . ; .
Observatie.mprireainegala curenilor prin
celedoudiodeestenefavorabil,deoarecediodelesunt puse n paralel
pentru a nu fi suprasolicitate la curenti prea mari. ! Aplicatie
Circuituldinfigurademaijosnseriazcufiecarediodcteorezistenamic,de20;aceste
rezistenesenumescrezistenedeegalizare.Ssearatec,folosindaceleaidiodecanproblema
precedent, curenii prin diode au valori apropiate. Se face un
calcul iterativ care pleaca de laVA1 = VA2 = 0. Atunci curentul I
are valoarea: IVRR RR RmA =++=1 21 299 Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 11iarIa1 = IA2 = 49,5 mA. Atunci,
tensiunile pe diode au valorile:VkTqIIVVkTqIIVAAAA110122020 6220
586= == =ln ,ln , Cu aceste valori ale tensiunilor pe diode,
curenii se recalculeaz cu relaiile: IVR V R V R RR R R R R RmAIVR
VR V R RR R R R R RmAAA AAA A12 2 1 21 2 1 221 1 2 21 2 1 248 350
1=+ ++ +==+ ++ +=( ),( ), Aceste valori ale curentului nu duc la
modificri notabile ale tensiunilor pe diode i se rein ca soluii.
1.3. Tranzistorul bipolar 1.3.1. Introducere. Simboluri. Tipuri de
caracteristici.
Tranzistorulbipolaresteundispozitivelectroniccutreiborne:emitor,baz,colector.Acestetrei
bornefaclegturalatreiregiunisemiconductoaredeconductibilitatediferit(n,p)aleaceluiaicristal
semiconductor.Senumete"bipolar"deoarececonduciaesteasiguratdedoutipuridepurttoride
sarcincusarcindesemndiferit:electroniigoluri.nfigurileurmtoaresearatsimbolurilegrafice
corespunztoare celor dou structuri, npn i pnp. Sgeata din simbol
corespunde jonciunii pn emitor-baz (vrful
sgeiimergentotdeaunadelazona pspre zonan)i aratisensul normal
pozitivalcurentului principal prin tranzistor. Se pot defini trei
cureni i trei tensiuni , dar pentrudescrierea funcionrii nu sunt
necesare toate aceste ase mrimi. Tensiunile i cureniisunt legate
prin realaia: u u ui i iCB CB EBE B C= += +
Tranzistorulpoatefiasimilatcuunnodncaresumaalgebricacurenilorestezero,decinumaidou
tensiuniidoicurenisuntindependeni.Alegereamrimilorelectricecaredescriucomportarea
tranzistorului se poate face n moduri diferite.Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 12Criteriul este urmtorul: se
consider tranzistorul ca un diport (cuadripol), adic un bloc cu dou
intrri i cu dou ieiri dar dat fiind faptul c tranzistorul are numai
trei borne, una trebuie s fie comun intrrii i ieirii. Borna comun
definete conexiunea tranzistorului. De exemplu: - emitor comun(EC)
- baz comun (BC) - colector comun (CC) Tipuri de caracteristici.
Pentruuntranzistordat,cureniirezultatuncicndsedautensiunileaplicatepejonciuni.
Alegnd de exemplu pentru exemplificare conexiunea baz comun (BC): (
)( )i i u ui iu uE E EB CBc c EB CB==,,
Grafic,acestefunciidedouvariabilecorespundladoufamiliidecaracteristici.ndescrierea
tranzistorului bipolar se folosesc caracteristici : - de intrare: (
) i i u u iE E EB CB C= , , parametri - de transfer:( ) i i u u iC
C EB CB B= , , parametri - de ieire:( ) i i u u iC C CB EB B= , ,
parametri
OBSERVAIE:tranzistorulvaficompletdescrisprinspecificareaadouseturidecaracteristici
independente. Pentru comoditate ns se folosesc, dup caz, toate
tipurile de caracteristici de mai sus, att n conexiune baz
comun(BC), ct i n conexiunea emitor-comun (EC). 1.3.2 Principiul de
funcionare (efectul de tranzistor) Efectul de tranzistor va fi
explicat pe schema unui tranzistor pnp de pe figura de mai jos,
care cuprinde dou jonciuni semiconductoare, jonciunea emitor-baz i
jonciunea colector baz Ecuaii de dispozitiv.n funcionare normal,
jonciunea colector-baz se polarizeaz invers iar jonciunea
emitor-baz direct. Dac uKTqEB >> , atunciiE este mare iuEB
constant cu valori tipice de ordinul 0.6-0.7 V (Si) sau 0.3-0.4 V
(Ge).Pentru ca dou astfel de jonciuni s satisfac cerinele
funcionale ale unui tranzistor cuplarea lor trebuie s satisfac dou
condiii importante: a. jonciunea emitorului s fie puternic
asimetric(tipp n+) ca urmareiE va fi un curent de goluri. b. baza s
fie foarte subire n comparaie cu lungimea de difuzie a
golurilor,astfel nct fluxul degoluri s ajung practic n totalitate
la colector, decii iE C Examinnd, de exemplu circuitul din figur,
putem determina mrimile electrice: Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 13 ( )u u R I uu u R IIu uRuRu uEE EB E E
EBCC CB CCEEE EBEEEEEE EB= += += >>, I IC E iar u u R ICB CC
CC= + . (calculul de mai sus e valabil dacuCB < 0). Comportarea
tranzistorului ca amplificator.Dac presupunem o mic variaieuEB,
aceasta provoac variaia luii iE C , i a luiuCB uRRuCBCEEB iaruEB va
aprea "amplificat" dacR RC E< . Este de remarcat c rezultatul nu
este edificator, deoarece aplicarea semnaluluin serie cu sursa de
alimentare nu este deloc inspirat ( de obicei se "atac" printr-un
condensator care blocheaz curentul continuu dar permite trecerea
semnalului alternativ). Considerndi i constquKTC EEB |\
|.| . exp , iuqIKTgCEBCm= = ,undeICestecurentulcontinuun jurul
cruia au loc variaiile produse de semnal, iargm este panta
(tansconductana) tranzistorului. u R i g R uCB C C m C EB= = deci
amplificarea n tensiune este g Rm C . Aceast amplificare poate lua
valori mari. Deoarece i iC Etranzistorul amplific n putere, adic
transfer curentul din circuitul de intrare de rezisten mic n
circuitul de ieire de rezisten mare, de aici denumirea
TRANSferreZISTOR adic rezisten de transfer. 1.3.3 Componentele
curenilor prin tranzistor Vom considera un tranzistor pnp n
conexiune baz comun polarizat normal, vom analiza separat curenii
de electroni i curenii de goluri la cele dou jonciuni 0 ,,, ,CB p C
Cr p E Cpn E p E EI i ii i ii i i+ = =+ = O parte din curentul de
electroni injectat de emitor n baz se pierde prin recombinare, ca
urmare,
curentuldegoluriinjectatedeemitoricolectatatedecolectoresteiC p
,.Curentulpropriualjonciunii colectoruluiICB0 este susinut de
purttori minoritari, electroni i goluri ( curent rezidual ). i i i
i i i i I i i IB E C E p E n E p r CB E n r CB= = + + = + , , , , 0
0 unde iE n ,este curentul propriu de electroni al jonciunii
emitorului. Se definete eficiena emitorului :EE pEE pE p E niiii i=
=+, ,, ,( ) E1Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I
14factorul de transport :EC pE pC pC p riiii i= =+,,,,( ) T 1 i i i
i i I i i IE E p E n C E TE CB C FE CB= + = + = +, , 0 0unde F E T=
este factorul de amplificare n curent n sens direct, n
conexiuneaBC. O alt condiie pentru funcionarea eficace al
tranzistorului este ca ICB00 ( s fie neglijabil ). 1.3.4 Descrierea
funcionrii n regiunea activ normal conexiunea BC (baz comun)
uKTqEB>> ,uCB < 0, uKTqCB>> = + i i IC F E CB0,
undeF CBI ,0 sunt presupuse constante. conexiunea EC (emitor comun)
C C CE CCB B EB BBI R u uI R u u+ =+ = Se va considera U constEB
.nlocuind, obinem I I IC T B CE= + 0unde TFF= 1 este factorul de
amplificare n curent (conexiunea EC),iar ( ) III ICECBFF CB C IB000
011 == + ==este curentul rezidual de colector n conexiuneaEC
(msurat cu baza n gol). Noul factor de amplificare n curent poate
avea valori mari (sute, zeci ). 1.3.5 Modelul de semnal mare (EBERS
- MOLL) al tranzistorului bipolar a). modelul cu generatoare de
curent controlate de curenii la borne Curentul de colector poate fi
scris: i i IquKTC F E CBCB= |\
|.|
01 exp ,unde primul termen este curentul injectat de emitor n
jonciunea colectorului iar al doilea, curentulpropriu al jonciunii
colectorului. O relaie similar poate fi scris fcnd bilanul
curenilor la jonciunea emitorului, astfel: ( ) = |\
|.|
i i IquKTE R C EBEB01 expsau i i IquKTE R C EBEB= +|\
|.|
01 exp
undeResteunfactordeamplificarencurentinvers(intrarepecolectoriieirepeemitor)cuemitor
scurtcircuitat la baz iarIEB0 este curentul de saturaie al
jonciunii emitor-baz determinat cu colectorul n gol. Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 15 Figura de mai sus
reprezint un circuit echivalent al tranzistorului care corespunde
ecuaiilor Ebers-Moll. Ea cuprinde generatoare de curent constant
comandate de curenii la bornele dispozitivului. b). Model cu
generatoare de curent comandate de curenii prin diodeRezolvnd
sistemul format i i IquKTi i IquKTC F E CBCBE R C EBEB= |\
|.|
= +|\
|.|
0011expexpobinem un alt set de ecuaii Ebers-Moll:i IquKTIquKTi
IquKTIquKTE ESEBRCSCBC FESEBCSCB=|\
|.|
|\
|.|
=|\
|.|
|\
|.|
exp expexp exp1 11 1 unde IIESEBP R=01 ;IICSCBF R=01 ,iarIES
este curentul de saturaie al diodei emitor-baz msurat cu colectorul
scurtcircuitat la baz, iarICS este curentul de saturaie al diodei
colector-baz determinat cu emitorul scurtcircuitat la baz.
Circuitul echivalent coresponztor apare n figura alturat. FES RCSI
I = deci cei patru parametriinu sunt independente. c Modelarea
tranzistorului n diverse regiuni de lucru
ModelulEbers-Mollestevalabilpentruoricepolaritateatensiuniloraplicatedinexterior.Considerm
separat patru regiuni de lucru distincte care se deosebesc prin
polaritatea tensiunilor aplicate din exterior. regimul de blocare
(de tiere) al unui tranzistorpnp este caracterizat deuCB < 0
,uEB < 0(ambele mari faa de KTqn modul) regimul normal de lucru
(regiunea activ normal) uEB > 0 , uCB < 0 (jEB pd + jCB pi)
regimul inversat de lucru (regiunea activ invers)uEB < 0 ,uCB
> 0 regimul de saturaie( uEB > 0 , uCB > 0) ambele
polarizate direct. d. Modelul Ebers-Moll pentru un tranzistor npn
Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 16Trecnd de la un
tranzistor pnp la unul npn, vomaplica tensiuni de polaritate opus i
vom obine cureni de sens opus. Conveniade semn pentru cureni schimb
n mod automat sensul normal pozitiv atunci cnd se trece la
tranzistorul npn. u uEB BE= ,u uCB BC= 1.3.6. Caracteristicile
statice ale tranzistorului bipolar 1.3.6.1. Caracteristicile
statice n conexiunea baz comun (BC) caracteristicile de intrare i
IquKTIquKTi IquKTIquKTE ESEBRCSCBC FESEBCSCB=|\
|.|
|\
|.|
=|\
|.|
|\
|.|
exp expexp exp1 11 prima ecuaiepoate fi interpretat cai i uE E
EB= ( ) ca o caracteristic de intararepentruuCB < 0i IquKTE
ESEB=|\
|.|
exp 1 este o caracteristic de diod, pentru uCB <
0uKTqCB>> obinem ( ) i IquKTI IquKTIE ESEBRCS ESEBES F=|\
|.|
+ =|\
|.|
exp exp 1 1 Caracteristicile de transfer( ) i i uC C
EB=Caracteristica de transfer este dat de ecuaia urmtoare ca( ) i i
uC C EB=i IquKTIquKTC FESEBCSCB=|\
|.|
|\
|.|
exp exp 1 1pentru u ctCB = .n funcionare normal ea difer foarte
puin de caracteristica de intrare: ` ( ) i IquKTI IquKTI IquKTC
FESEBCS FESEBCS R FESEB|\
|.|
+ =|\
|.|
+ exp exp exp 1 1Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea
I 17 Caracteristicile de ieire aceste caracteristici pot fi
interpretate fie pentrui constE=fie pentruu constEB =pentru iE=
0vom folosi ecuaia: i i IquKTC F E CBCB= |\
|.|
01 expcaracteristica iE= 0este urmtoarea:I IquKTC CBCB= |\
|.|
01 expiar pentrui ctE= . caracteristicile se obin prin
translatarea curbei pe vertical pe distane egale: 1.3.6.2.
Caracteristicile statice n conexiune emitor comun (EC) Prin scderea
ecuaiilori IquKTIquKTi IquKTIquKTE ESEBRCSCBC FESEBCSCB=|\
|.|
|\
|.|
=|\
|.|
|\
|.|
exp expexp exp1 11 1 obinem: ( ) ( ) ( ) i i i IquKTIqKT u uB E
C F ESEBF CS CE EB= = |\
|.|
+ +
1 1 1 1 exp expecuaie ce poate fi folosit pentru trasarea
caracteristicilor de intrare Caracteristicile de intrare( ) i i uB
B EB= pentru u ctCE= . Caracteristica uCE= 0este de asemenea detip
diod: ( ) ( ) [ ]i I IquKTB F ES R CSEB= + |\
|.|
1 1 1 exp Caracteristica de transfer( ) i i uc C EB= pentru uCE
= ct. ( ) i IquKTIqKT u uC FESEBCS CE EB=|\
|.|
+
exp exp 1 1dac uCE este suficient de negativ (pnp)
iukTqEB>>,atunci obinem caracteristica de transferi IquKTC
FESEB|\
|.| exp .
DeciseobineocaracteristicexponenialiC=iC(uEB)ceeaceesteotrsturdebaza
tranzistoruluibipolar.Formaexponenialacaracteristiciidetransferatranzistoruluinregiuneaactiv
normal(RAN)trebuiereinutdeoareceeaestefolositcaatarenstudiulcomportriineliniarea
tranzistorului n unele circuite electronice. Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 18
Caracteristici de ieire Cele mai folosite suntiC =iC (-uCE )
pentru iB = ct. ( ) i i i i iI qKT u uE C B CFFBCBFCE EB= + =+
1 110exp sau ( ) ( ) i i IqKT u uC F B F CB CE EB= + +
1 10exp; FFF= 1 n regiunea activ normal(RAN) uEB> 0, uEB =
ct.PentruuCB = uCE + uEB < 0,1 V de exemplu( ) i i I I IC F B F
CB FB CE + + = + 10 0. CaracteristicaiB = 0 nu este limita regiunii
de tiere. Pentru a bloca tranzistorul eset necesar s blocm
jonciunea emitor - baz. Curbelei constB =nu sunt orizontale,
deoareceF depinde de limea bazei, de fapt curentul de colector
crete cu creterea tensiunii colector-emitor 1.3.7. Polarizarea
tranzistorului ntr-un punct dat de funcionare, n regiunea activ
Dispersia parametrilor tranzistorului de la un exemplar la altul
face ca s nu se poat pune baz pe caracteristicile acestuia. Situaia
este foarte dramatic pentru tranzistorul n conexiunea emitor comun
(EC), unde dispozitivul polarizat n regiunea activ normal poate fi
caracterizat cu aproximaie de parametrii uEB , F , ICB0 unde
dispersiauEB este mic, dar dispersia luiF , ICB0este foarte mare. u
u R Iu u R II I IBB EB B BCC CE C CC F B CE= += += + 0(*) Punctul
static de funcionare (PSF)se va gsi la intersecia caracteristiciiiB
= IB = ct. ,undeIu uRBBB EBB= cu linia (*) care se numete dreapta
de sarcin. Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 19
Pentru alt F , caracteristica iB =IB= ct. are alt poziie i PSF se
schimb. Dac presupunem dreapta de sarcin dat , adic tensiunea de
alimentare i rezistena de colector bine precizate, atunci fixarea
(printr-o tehnic oarecare) a valorii curentului nseamn de fapt
"imobilizarea" punctului de funcionare ntr-o poziie bine
determinat.
ncontinuareseprezintuncircuitdepolarizarecurezistennemitor,undepentrusimplitate
vom presupune vom presupuneI i iCB C F B 00 ,( ) i iE F B + 1
.Schemadiferdeschema anterioar prin rezistena de emitor RE care
introduce o "reacie negativ". ( ) [ ] B E F B EB E E B B EB BBI R R
u R I R I u u 1 + + + = + + = ( )( )Iu uR RCF BB EBB F E=+ + 1 Se
observ c IC , curentul de colector al tranzistorului presupus a
funciona n regiunea activ normal, este independent de polarizarea
colectorului dacF# ,atunciIC devine independent de F ,
pentru(F+1)RE>>RBlalimitamputeapuneRB=0#Iu uRI I ctEBB
EBECFFE= =+ 1.dar aceast polarizare particularnu ne convine (RB =
0) deoarece semnalul care se aplic de obicei n baz ar fi
scurtcircuitat. Schemele practice folosesc o singur surs de
alimentare , dup cum se vede pe figura alturat: Dimensionarea
rezisteneiRBneconducela valorimari,ceea cenu satisface
condiiileenunatemainainte,osoluiemaibunestedivizorulrezistivdin
baz.AplicndteoremaThveninlastngapuncteloraib,obinem echivalarea cu
figura anterioar uRR R uRR RR RBB CCB=+=+21 21 21 2 Polarizarea
tranzistorului cu generator de curent constant. n scheme practice
apare frecvent acest mod de polarizare. Un generator de curent
constant este construit cu unu sau mai multe dispozitive
electronice. O schem simpl de generator de curent constant este cea
de tranzistor cu rezisten n emitor i divizor de polarizare a bazei,
reprezentatpe figura de mai jos: Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 20 I I Iu uRC EBB EBE0 = = ! Aplicaie
ncircuituldinfigurademaijostranzistorularetensiuneabaz-emitorde0.7V.Seceresse
determine punctul static de funcionare i s se specifice regimul de
funcionare ntr-un caz simplificat se poate considera c E CI I , iar
curentul de baz se poate neglija pe lng curentul care circul prin
divizorul rezistiv.Se calculeaz potenialul bazei: E E BE BB CC BBR
I U U V UR R RU + = = =+= ; 4 1230102 12 mAkVkV VR U UI IEBE BBC
E13 . 33 . 33 . 37 . 0 4==== = ( ) V R R I U UC E C CC CE4 8 1 12 =
= + = Din aceste relaii rezult c tranzistorul bipolar se afl n
regimul normal de funcionare, deoarece ( )CE C U I ,se afl ntr-o
poziie de mijloc ntre blocare i saturaie ! Aplicaie
ncircuituldinfigurademaijostranzistorulare100 =
itensiuneabaz-emitorde0.7V.Se cere s se determine punctul static de
funcionare i s se specifice regimul de funcionare Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 21CBBE CBIRU UI ==
presupunndC C CC C B CR I U U I I >>> BCBE CCC BE CC C CB
CBBE C C CC CRRU UI U U R IR IRU R I U I+= = + = ,iarC CEU U =Cu
valorile numerice din schem rezultmA IC5 . 1 = i V U UC CE5 . 4 = =
, regim liniar. 1.3.8.Limitri n funcionare datorat variaiei
temperaturii i disipaiei de putere 1.3.8.1 Variaia
caracteristicilor electrice cu temperatura Un tranzistor care
funcioneaz n regiunea activ normal (RAN)poate fi caracterizat cu
aproximaie de parametriiuEB (uBE) , F , ICB0 .Pentru variaia lui
uEB i ICB0 vom prelua rezultatele cunoscute de la jonciunea pn:
uEBscade cu temperaturacu o rat de 2-2,5 mV/ 0C laiE = ct.ICB0crete
cu temperatura dup o lege exponenial dificil de prezis (orientativ
ICB0sedubleaz la fiecare cretere de circa 10 oC) cnd nu este dat n
catalog Fvariaia cu temperaturapoate fi estimat dup formula: F F FT
TT TK =
( ) ( )00T0 =25 0C ,K =100 0C (Si) , 500C (Ge) Pe baza acestora
se poate vedea cum se modific caracteristicile statice cu creterea
temperaturii. 1.3.8.2 StabilizareaPSF n raport cu variaiile de
temperatur S considerm un tranzistor n conexiune emitor comun (EC),
polarizat cu iB=IB=constant. Punctul static de funcionare se va gsi
la intersecia caracteristicii iB=IB cu dreapta de sarcin static.Dac
temperatura crete, caracteristicile se vor deplasa n sus i punctul
static de funcionare se va deplasa i el pedreaptadesarcinspre
curenide colectormaimari.Pentruareducedeplasarea
punctuluistaticarfi
indicatcacircuitulsasigureoscderealuiIBcutendinadeameninecurentuldecolectorconstant
(IC=constant). Adic ar fi de dorit ca BI s scad cu creterea T ca s
rmn curentul de colectorIC = ct. , de aici rezult importana
circuitului de polarizare n stabilizarea PSF. Vom prezenta n
continuare una din cele mai des ntlnite procedee de stabilizare a
punctului static de funcionare. Pentru ilustrare vom considera din
nou schema de mai jos, ns fr a mai neglija de aceast datcurentul
rezidual al jonciunii baz-emitor ICBO . uBB= RB IB + uBE ;IC = F IB
+ (F +1)ICB0 + RE IE IE =IB + IC= (F + 1)IB + (F + 1)ICB0 uBB - uBE
= RBIB+ RE (F + 1)IB + RE (F + 1)ICB0 Iu uR RR IR RBBB BEB F EE F
CBB F E=+ +++ + ( )( )( ) 1110 ( )( )( )( )( )( )( )( )00001) 1 (1)
1 (111) 1 (CBE F BE BFE F BBE BB FCB FE F BCB F E FE F BBE BB FCB F
B F CIR RR RR Ru uIR RI RR Ru uI I I+ +++ ++ +== + ++ +++= + + =
iaruCE = uCC - RCIC - REIE= uCC - (RC + RE )IC Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 22 Stabilizarea PSF la
variaia temperaturii se reduce la stabilizarea lui IC (tensiunea
colector-emitor rezult din relaiile de mai sus) Creterea
temperaturiiduce la creterea curentului de colector IC prin
intermediul tuturor celor treiparametri (uBE , F , ICB0). Problema
care se pune este, cum poate fi minimizat creterea lui IC
prinalegerea elementelor circuitului ? Pentru a insensibiliza pe
IClavariaiile lui F trebuie aleas o rezisten( ) R RB F E
=minmax0.Curentulmaximdelucrusedterminlund U VCEsat = 05 .ca
limitare pentru evitarea saturaiei. Se obine: I IU U VR RC CCCC
EMAX< = ++( , )max00 5 ! Aplicaie
ncircuituldinfigurtranzistorulbipolarareF EBU V = 0 99 0 2 . , . iI
ACBO = 2 .ntrece limite putem gsi punctul static de funcionare dac
rezistenele din circuit au tolerane de 5% ? n relaia :I I IC FE
CBO= + vomluaF 1iICBO 0.Pentruvalorilenominaleale rezistenelor se
calculeaz: V I R U U mAR U UI IC C CC CBEEB EEE C2 . 6 9 . 2 2 12 ;
9 . 222 . 0 6 = + = + = === =Limitele ntre care poate varia
curentul prin tranzistor sunt: mARU UI I mARU UI IEEB EEE CEEB EEE
C76 . 21 . 22 . 0 6; 05 . 39 . 12 . 0 6maxmin minminmax max=== =
=== =Valorile extreme ale tensiunii de colector se calculeaz
astfel: ( ) V I R U UC C CC CB76 . 6 76 . 2 9 . 1 12min min max= =
= ,( ) V I R U UC C CC CB60 . 5 05 . 3 1 . 2 12max max min= = =
Loculgeometricalpunctelordefuncionareestereprezentatnfigurademaijos,undemaisunt
reprezentate dreptele statice de funcionare pentru valorile extreme
ale lui RC. Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 26!
Aplicaie n circuitul din figur tranzistorul npn are parametrii F R=
= 0 99 06 . , .iI AES= 2 . se cere s se determine punctul static de
funcionare( ) I UC CE, . n ipoteza funcionrii n regiunea activ
normal tranzistorul este descris cu aproximaie de re;aiile: ( ) i i
I i IqukTI I IIC F B CBO E ESBECBO F R CS CSF ESR= + =|\
|.| = = ; exp ; ; 1 Ecuaiile circuitului se obin aplicnd legile
lui Kirchhoff circuitului de baz (care cuprinde jonciunea
baz-emitor) i respectiv circuitul de colector: U R i U R iU R i U R
iBB B B BE E ECC C C CE E E= + += + +; lacaresemaiadaugi i iE C B=
+ .Obinemastfelunsistemdecinciecuaiicucincinecunoscute ( ) I I I U
UE B C BE CE, , , , , una din ecuaii fiind neliniar. Vom estima IE
presupunnd pentru nceputUBE 0 iICBO 0; I I ICFFB FB==1
IURRmAEBBBFE=++=+= 1630010031apoiobinem:UkTqIIVBEEES= = = ln . ln .
0 026 500 016 .AceastavaloarealuiUBEvaficonsiderat suficient de
precis pentru calculul curenilor (ceea ce se poate verifica prin
ncercri succesive). fr a mai neglija de aceasta dat pe ICBO (calcul
mai precis) obinem: ( ) ( )( )( )IU UR RI R RR RmACF BB BEB E FCBO
E B FB E F=+ +++ ++ +=( ).111103AproximndI IC Eobinem:( ) U U R I R
I U R R I VCE CC CC EE CC C E C= + = 4 8 .Deoarece tensiunea
colector-emitor este pozitiv i suficient de mare, tranzistorul nu
este saturat ! Aplicaie n circuitul din figura de mai jos
tranzistorul are F cuprins ntre 100 i 200 , tensiunea baz-emitor de
0.6V . Se cere s se determine poziia punctului static de funcionare
n planul caracteristicilor de ieire ( ) i i uC C CE=
.PresupunndRCvariabil,ssedetermineplajadevaloripecareopoateluaastfelca
tranzistorul s funcioneze n regiunea activ normal Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 27 Cu o echivalare Thvenin la
stnga bornelor A,B se obine circuitul echivalent din figura a doua,
unde: URR R U V RR RR RkBB CC B=+= = =+==21 21 21 2103018 61020306
66 , . Se rezolv sistemul de ecuaii: U R I U R II I II IU R I U R
IBB BB BE e eE B CC FBCC CC CE EE= + += +== + +;;;; cu
necunoscutele: IE, IB, IC, UCE . Din primele trei ecuaii rezult
expresia curentului de colector: ( )( )IU UR RCF BB BEB F E=+ + 1
valoareindependentdeRC,atttimpcttranzistorulfuncioneaznregiuneaactivnormal.
Introducnd valori numerice se obine I mAc = 2 59 .pentruF= 100I mAc
= 2 64 .pentruF= 200
CurentuldecolectordepindefoarteslabdefactoruldeamplificarencurentFDinpunctde
vedere matematic, ICindependent de factor de amplificare se asigur
prin: ( ) F E BR R + >>
1AceastaechivaleazcuneglijareacderiidetensiunepeRBncircuitulbaz-emitor.Caurmare,
potenialul bazei fa de punctul de referin este aproximativ constant
i egal cu UBB ,iar : I IU URmAC EBB BEE ==6 0 622 7..Cu ajutorul
divizorului pe baz i al rezistenei din emitor, tranzistorul este
polarizat la un curent constant,
aproximativindependentdetranzistor.Neglijndcurentuldebazfadecurentuldecolector,obinem
aplicnd teorema a II-a a lui Kirchhoff: ( ) U U R RICC CE C E C +
+care este ecuaia dreptei de sarcin reprezentete n figura de mai
jos: Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 28Punctul
static de funcionare se vagsi pe aceast dreapta de sarcin, la
curenii cuprini ntre 2,59 i 2, 64 mA. LundI mA U VC CE= = 2 6 7 6 ,
, RC min = 0 iRU UIR kCCC OCE maxmax,,, = = =18 0 52 642 4 63
Valoareamaximsecalculeazastfelncttensiuneacolector-emitorlacurentdecolectordevaloare
maximsnuscadsubvaloareadesaturaie,consideratnacestcazdeovaloareacoperitoarede
0,5V. 1.4 Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune 1.4.1
Generalitti.Principii de funcionare.Simboluri. Noatii.
Tranzistoarele la care conduciaelectric este asigurat de un singur
tip de purttor de sarcin se ntlnesc n literatura de specialitate
sub denumirea de tranzistoare unipolare sau tranzistoare cu efect
de
cmp.PentruacestetranzistoaresefolosestecurentprescurtareadetranzistoareTECsauFET(Field
EffectTransistor).Funcionarealorsebazeazapevariatiaconductibilitatiiunui"canal"dintr-unmaterial
semiconductor,alecaruidimensiunitransversalesauconcentratiidepurtatoridesarcinamobilipotfi
controlate cu ajutorul cmpului electric transversal, creat ntre un
electrod de comanda numit poarta (gate) situat n vecinatatea
canalului i masa semiconductorului unde este format sau indus acest
canal.Tranzistorul cu efect de cmp cu jonciune (TECJ) funcioneaz cu
purttori majoritari (electroni n canalul n , vezi figura de mai
jos, respectiv goluri n canalul p) Tranzistorul cuefectdecmp
cujonciune (TECJ)afostpropusdeSchockleyn1952iesten esen un rezistor
a crui seciune este controlat de grosimea regiunii sarcinii spaiale
a unei jonciuni pn. Termenul de efect de cmp este legat de existena
cmpului electric n zona de sarcin spaial , cmp a crui intensitate
este determinat de tensiunea aplicat pe terminalul poart (gate).
Figura de mai jos arat un tranzistor cu efect de cmpcujonciune
realizat n construcie planar-epitaxial. Conducia are loc ntr-un
canal n ntre contactele surs (care emite electroni) i respectiv
dren (care i colecteaz). Electrodul denumit "poart" contacteaz zona
difuzat p+ care mpreun cu substratul p+ delimiteaz canalul n.
Jonciunea pn poarta-canal este polarizata invers, iar grosimea
regiunii de sarcina spatiala asociata acestei jonciuni face ca
sectiunea conductiva a canalului (regiunea n neutra) sa fie mai mic
dect distanta dintre cele doua jonciuni. Aceasta sectiune este
controlabila electric prin diferenta de potential care exista ntre
poarta i canal. Simboluri grafice
Observatie.isubstratulp+poatefifolositcaelectrodpoarta.Dacestelegatlaacelasipotentialcu
propriu-zisa,atunciseobineun"efectdecmp"aproximativsimetricfatadeaxalongitudinalaa
dispozitivului.Dar substratulpoatefifolosit
caunalpatruleaelectrod,independent,cazncareseobine "tetroda cu
efect de cmp". Tranzistorul cu efect de cmp cu jonciune are
avantaje importante fata de tranzistorul bipolar: -dependenta de
temperatura mai redusa a caracteristicilor (nu sunt purtatori
minoritari) -rezistena de intrare (pe electrodul poarta) foarte
mare (sute, mii de M, pentru ca iG=0) -inexistenta tensiunii de
decalaj (tensiunea drena-sursa este zero la curent de drena zero)
Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 29-zgomotul mai
redus
PedealtaparteTECJnuamplificancurent,iaramplificareantensiuneestemaimic.Deobicein
circuiteleelectronicediscretesentlnesteincombinatiecutranzistorulbipolar(seexploateaza
avantajele ambelor tipuri de tranzistoare) Trebuie remarcat faptul
ca sageata din simbolul grafic in acest caz desemneaza o jonciune
pn (sensul
sagetiidelaplan).Curentuldepoartestefoartemic(deordinulnA)ivaficonsideratpracticnul.
Curentul de drena iD este normal pozitiv: intran drena
tranzistorului cu canal n (electrod care evacueaza electroni) i
iese din drena tranzistorului cu canl p. Curentul de surs este egal
cu cel de dren. 1.4.2 Caracteristicile statice ale TECJ
a.Caracteristici de ieire( ) i i uD D DS= cuu cons tGS= tan
parametrunumitei
caracteristicidedren.Pentruoanumitvaloareatensiuniipoarta-surs,numitetensiuneadeprag
TU (threshold), dac negativarea portii creste, grosimea efectiva a
canalului scade i se anuleaza precum i curentul de drena. pentru
tensiuni uDS mici cu uGS=constant caracteristicile sunt: i GuUuD
OGSTDS= |\
|.|
112 Aceste caracteristici sunt schiate pe figura de mai jos:
undeGOesteconductantacanaluluilatensiunepoarta-sursa
nula.Liniilesunttrasateincadranulaltreilea(darnumaipentru
tensiunimici!)pentruaaratacatranzistorulsecomportacao
conductantaliniaripentrutensiunidrena-sursamici.TECJeste
folositnregiunealiniarlatensiunimicidrena-sursacarezistena
controlatantensiune.Aiciconductantadrena-sursaesteidenticacu
conductantacanaluluiirezistenadrena-sursaestefunctieliniarde
tensiunea poarta-sursa aplicata. Pentru calcule practice se poate
aproxima rezistena canalului cu expresia empirica:rrKUdGS=01 unde
r0 este rezistena pentru tensiune poarta-sursa nula, iar K este o
constanta a tranzistorului. Pentru valori mai mari ai tensiunii uDS
avem urmtoarele caracteristici de drena:
Acestecaracteristicisuntliniarenumailatensiunidrena-sursafoartemici,pentrutensiunimaimari,distingemazona
neliniar,ozonadesaturaieacurentuluidedrena(aici
curentuldedrenadepindefoarteslabdetensiuneadrena-sursa),dupcareurmeazaozonadecretereabrupta
(strapungere) a curentului, nemarcata pe grafic.
Zonaneliniarestecaracterizatadeu uDS DS
sat,,undeiDestepracticindependentdeuDS.Pentrucalculese foloseste
aproximatia parabolica a acestei caracteristici: i i IuUD D sat
DSSGST= = |\
|.|,12 Grafic, caracteristica static de transfer se prezint n
figura urmtoare. Zona preferat de lucru este cea de la cureni mari,
acolo unde i panta caracteristicii este mai mare. Aici curentul
scade cu creterea temperaturii (laconst UGS= ) dar problema
ambalrii termice nu se pune n cazul TECJ. 1.4.3 Polarizarea
tranzistorului cu efect de cmp cu jonciune(TECJ) Figura de mai jos
prezint un circuit n care polarizarea porii fa de surs se asigur
prin cderea
detensiunedatdecurentuldesursaiDperezistenaRS.Aceastatensiuneesteaplicatapepoartaprin
rezistena RG , care are valori de ordinul M. Deoarece u R iGS S D=
punctuldefuncionarenplanulcaracteristiciidetransferpoatefi
determinat prin intersectia dreptei de mai sus numite dreapta de
polarizare, ca n figura. datorit dispersiei
caracteristicilor(variatiatensiuniidepragladiferitecdispozitive),caracteristica(
) i i uD D GS= estensa
nesigura..Pentruopolarizarecorecta,binedeterminata,liniadepolarizaretrebuiesaintersecteze
caracteristicile de transfer ntre punctele A,B, lucru deloc usor de
realizat.
Atuncicndesteimpusundomeniufoartemicpentruvariatiacurentuluidedrena,serecomanda
polarizare cu divizor rezistiv pe poarta Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I 31 u U i RGS GG D S= URR RUGG DD=+22 1
asigurndastfelopolarizarecorect,respectndlimiteleimpuse,lucruimposibilderealizatcuschema
anterioar. 1.4.4 Circuitul echivalent de semnal mic La frecvene
joase comportarea tranzistorului este cvasistaionar i modelul de
semnal mic poate fi dedus prin liniarizarea caracteristicilor n
jurul unui punct de funcionare.Definirea parametrilor circuitului
echivalent se face plecnd de la: ( ) i i u uD D GS DS=
,difereniind: diiuduiuduDDGSGSDDSDS= + trecnd la variaii finite
(dar foarte mici): i g u g uD m GS d DS= +definim panta sau
transconductanta: giuiumDGS uDGS UDS DS= si conductanta de dren sau
de ieire giuiu rdDDS uDDS udGS GS= =1unde rd este rezistena de
drena. Dac tranzistorul este polarizat n regiunea activa normala,
atunci panta gm i rezistena de drena rd au valori mici. Valoarea
maxim a pantei se poate calcula: giuIUuUguUmDDS uDSSTGSTmGSTDS= =
|\
|.| = |\
|.|21 10 undegiuIUUmDGS UDSSTTGS0020 0 = = > = + = 16 1 8 7 1
3 2pentru primul punct de funcionare iU V U VDS DSsat= = > = + =
16 133 10 67 4 133 4 2 67 . . . .pentru al doilea punct de
funcionare. DacR kD = 2 7 . obinemU V U VDs Dssat= > = 4 2 2 .
nprimulcazi U V U VDS DSsat= < = 0 28 2 67 . .
.nacestaldoileacaztranzistorulcuefectcmpnufuncioneazn
regiuneadesaturaie.Caurmare,nicicaracteristicaparabolicnuestevalabiliarvaloriledeterminate
anteriorpentruIDiUGS(aldoileapunctstaticdefuncionare)nusuntcorecte.Dacexistdispersia
enunat atunci rezistenaR kD = 2 7 . nu este aleas corect. 1.5
Tranzistoare cu efect de cmp MOS 1.5.1 Generalitati.Principii de
funcionare.Simboluri. Notatii
TranzistorulMOSesteundispozitivelectronicbazatpeconduciacurentuluielectriclasuprafata
semiconductorului.Proprietileconductivealesuprafeteisemiconductoruluisuntcontrolatedeuncmp
electricaplicatprintr-unelectrodizolatdesemiconductor(poart).Acesteaspecteconstructivedefinesc
familiatranzistoarelorcuefectdecmpcupoartaizolatsau,pescurt,TEC-MIS(tranzistorcuefectde
cmp-metal-izolator-semiconductor).Izolatorulfolositesteunstratsubiredeoxid(SiO2)crescutprin
oxidareatermica
suprafeeisiliciului(deundedenumireaTEC-MOS,adictranzistor
cuefectdecmp-metal-oxid-semiconductor). Poarta este realizat, de
regul din aluminiu, dar poate fi realizat i din alte materiale, de
exemplu siliciu policristalin puternic dopat.
Conduciaserealizeazpesuprafaasubstaratuluidesiliciu,ntredouazonecutipde
conductivitate opus celui al substratului; cele dou zone se numesc
surs (S) i dren (D). Germn Zoltn Dispozitive electronice1
curspartea I 34nfigurs-a consideratunsubstratdetipn;nacest caz
sursa idrena suntdetipp.Pentrua seputea
stabiliuncurentelectricntresursaidrena,suprafaasemiconductoruluitrebuieinversatcatipde
conductivitate, adic s devin de dip p. n acest caz, la suprafaa
apare un canal conductor, de tip p., care
leagsursadedren.Inversareatipuluideconductivitateasuprafeei,precumicontrolulrezistivitii
canaluluisefacedectrepoart.SimbolurilegraficepentrutranzistoareMOScucanalnipsunt
prezentate n continuare: De obicei n aplicaii obinuite substratul
se leag la surs, dar exist dispozitive la care substratul apare ca
un terminal separat. Se observ aceeai semnificaie pentru sgeata din
simbolul grafic. 1.5.2 Caracteristicile statice ale tranzistorului
MOS Fie un TEC-MOS cu canal n (cel cu canal p se descrie identic)
la care substratul se leag la surs. Tensiunile de poart UGS i de
dren UDS sunt pozitive. Pentru tensiuni de poart mai mici de
tensiunea de prag UT nu apare canal la suprafata i ca urmare
curentul de drena ID este nul.Dac tensiunea de poarta depaseste
valoarea de prag, ntre sursa i drena se formeaza un canal n care
permite conduciacurentului electric (cu att mai bine cu ct
tensiunea UGS este mai mare).
CaracteristicilestaicealetranzistoruluiMOSreprezintdependenacurentuluidedrendetensiunilede
poart i de dren: ( ) I I U UD D GS DS= ,Caracteristicile de dren
sau de ieire au aceeasi forma ca i n cazul TECJ, se pot deosebi o
zon cvasiliniar i a zona de saturaie: Ecuaia caracteristicii
statice n regiunea cvasiliniar este: ( ) I U UUUU UD GS T DSDSDS DS
sat=
< < 2202 ,, unde este un parametru constructiv al
tranzistorului. tensiunea de saturaie are forma aproximativ: U U
UDS sat GS T , n zona de saturaie curentul de drena are o valoare
constant n raport cu UDS pentru tensiuni mai mari ca tensiunea de
saturaie, i caracteristica static de transfer are urmtoarea form: (
) I U U U UD GS TmDS DS sat= > ;, unde m este un coeficient
cuprins ntre 1 i 2 , dar de obicei n calcule mai simple se
utilizeaz: ( ) I U U U UD GS T DS DS sat= > 2;, Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 35n figura de mai jos se
reprezint aceast caracteristic pentru un tranzistor MOS cu canal n
Observaie.Dinpunctuldevederealdependeneide temperatur, tranzistorul
MOS prezint avantaje deosebite fa
detranzistoarelebipolare.Lacretereatemperaturii,curentul dedren
scade,dardependenaestefoarteslab.Caurmare
tranzistoareleMOSnuprezintfenomeneledestrpungere secundar i
ambalare termic. n figura urmtoare este prezentat caracteristica
static de transfer pentr un TECMOS cu canal p n cazul TECMOS cu
canal p ambele tensiuni UGS, UDS sunt negative. Aceste tranzistoare
au canal indus prin aplicarea unei tensiuni UGS mai mari dect
valoarea de prag. Unele tranzistoare prezint canal chiar la
tensiuni poart-surs nule( ) UGS = 0i se numesc tranzistoare MOS cu
canal iniial. Aceast situaie se ntlnete n special la tranzistoare
cu canal n. Un asemenea tranzistor poate lucra cu orice polaritate
a tensiunii de poart. Dac tensiunea de poart este pozitivUGS >
0,regimulsenumeteregimdembogiredatoritcreteriiconcentraieideelectronin
canal; dac tensiunea de poart este negativUGS < 0, regimul poart
denumirea de regim de srcire i duce la scderea concentraiei de
electroni din canal pn la dispariia lui (laU UGS T= )
Caracteristicile de transfer pentru TECMOS cu canal iniial n i p
sunt prezentate n figurile urmtoare: TECMOS cu canal p iniialTECMOS
cu canal n iniial 1.5.3 Polarizarea TECMOS alegerea unui anumit
punct static de funcionare se face n functie de scopul dorit:
obinerea unei anumite pante, folosirea unei regiuni ct mai liniare
a caracteristicilor, etc Pentru tranzistoare MOS cu canal indus
tensiunile de poarta i de drena au aceeasi polaritate. ca urmare,
pentru polarizare se poate folosi un circuit simplu, cu o singura
sursa de curent continuu, cum se vede pe figura: U URR RGS DD=+21 2
pe baza caracteristicii de transfer se poate determina curentul ID;
tensiunea de dren este atunci: U U R IDS DD DD= Germn Zoltn
Dispozitive electronice1 curspartea I 36 Tranzistoarele MOS cu
canal iniial trebuie polarizate astfel nct tensiunea de poart s
poat cpta att valori pozitive ct i valori negative. n figura de mai
jos se prezint un astfel de circuit de polarizare, cu o singur surs
de alimentare. Tensiunea de poart se calculeaz cu relaia: U URR RR
IGS DD S D=+21 2
Seobservposibilitatearealizriiambelorsemnepentrutensiuneade
poart.CircuiteledecurentcontinuualetranzistoarelorMOSnuau,de
regul,sarcinastabilizriitermiceapunctelorstaticedefuncionare,
datorit dependentei slabe de temperatur a caracteristicilor
statice. ! Aplicaie Tranzistorul MOS din figur are 225 . 0 V mA =
iV UT4 = . Se cere s se calculeze :DS D GSU I U , , Soluie: V UR R
RUDD G6 1210 10102 12=+ += , unde V U UG GS6 = = ( ) ( ) mA U U IT
GS D1 4 6 25 . 02 2= = = V U U U V R I U UT GS DSsat D D DD DS2 9 1
3 12 = = > = = =Din rezultatele obinute se vede c tranzistorul
MOS se afl n regim de saturaie (DSsat DSU U > ) ! Aplicaie
Tranzistorul MOS din figur are 2125 . 0 V mA = iV UT2 = . Se cere s
se calculeze :DS D GSU I U , , Soluie: V UR R RUDD G4 126 3 32 12=+
+=( ) mA U U IT GS D5 . 4 ) 2 4 ( 125 . 02 2= + = = V R I U U R I U
US D G GS S D GS G2 . 3 4 . 0 5 . 4 4 = = = + =V U U U V R R I U UT
GS DSsat S D D DD DS6 7 . 5 4 . 1 5 . 4 12 ) ( = = < = = + =Din
rezultatele obinute se vede c tranzistorul MOS se afl n regim de
saturaie (DSsat DSU U > ) Germn Zoltn Dispozitive electronice1
curspartea I 37 1.5.4 Regim variabil de semnal mic.Schema
echivalenta de semnal mic.
UtilizareatranzistoarelorMOSncircuitedeamplificarenecesitastabilireauneischeme
echivalente pentru regimul variabil de semnal mic. Tranzistorul MOS
lucreaza n regiunea de saturaie.
Dacfrecventasemnaluluiestejoasasepoateadoptaipotezacvasistationara,potrivitcareia
dependentantrevalorileinstantaneealemarimilorelectrice( ) i u uD GS
DS, , esteaceeasicancurent continuu, conform relaiei: ( ) i u UD GS
Tm= difereniind oinem: diiuduiuduDDGSGSDDSDS= + notnd variaiile
mici de semnal:du u du u di iDS d GS g D d= = = , , , rezulta o
relaie ntre componentele variabile ale mrimilor electrice: ( ) ( )
i m U U u U Uuu g ur ud GS Tmg GS TmDSd m gdd= + = +1 1 unde s-au
utilizat urmtoarele notatii: gm panta tranzistorului la frecvente
joase data de: ( ) g m U UmIU Um GS TmDGS T= =1 rd rezistena
difereniala canalului n regiunea de saturaie: ( )1rU UuIudGS
TmDSDDS= = Pe baza acestora se poate realiza schema echivalenta la
semnale mici: La frecvene nalte trebuie luate n considerare
capacitile ntre electrozi, asa cum se indic n figura de mai jos
Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 38SINTEZA UNOR
DISPOZITIVE ELECTRONICE FUNDAMENTALE Denumire/ Simbol grafic
Caracteristica de intrareCaracteristica de transferCaracteristica
de ieire Tranzistorbipolar pnp Tranzistor bipolar npn Comand n
putere TEC-J canal n TEC-J canal p TEC-MOS canal n iniial TEC-MOS
canal p iniial TEC-MOS canal n indus TEC-MOS canal p indus Comand n
tensiune Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 39 1.6
Dispozitive multi- i unijonciune 1.6.1 Introducere
Dispozitivelemultijonciuneautreisaumaimultejonciuni,aulabazastructurapnpn,careare
patru straturi i trei jonciuni i care, datorit caracteristicii sale
statice curent-tensiune cu dou stri stabile, se folosete n
circuitele de comutaie. Vor fi tratate n acest capitol urmtoarele
dispozitive multijonciune: dioda pnpn, tiristorul convenional,
tiristorul tetroda, diacul, triacul. Acestedispozitivemultijonciune
suntfolositencircuitedeimpulsuri,ncircuitepentru conversia energiei
electrice, circuite de comutaie. 1.6.2 Dioda pnpn
Diodapnpnesteostructuradesiliciumonocristalincupatruzonealternativdopatecuimpuriti
acceptoareidonoare.nfigurademaijosesteprezentetschematicmodelulunidimensionalalacestui
dispozitivcutreijonciuni(J1,J2,J3).Zoneleextrememaiputernicdopatesenumescemitori,iarzonele
interioaresenumescbaze.Emitorp1+semainumesteanod,iaremitoruln2+catod.Jonciunileseaflala
distantemicintreele,astfelcaregiunileA-J3iJ1-C
sapoatandeplinifunctiadetranzistor.Diodapnpn se mai numeste i dioda
Shockley, dinistor sau dioda cu patru straturi. Simbolul grafic al
acestui dispozitiv, precum i sensurile pozitive pentru curent i
tensiune sunt prezentate n figura de mai jos: Caracteristica
statica este aratata n aceeasi figura:
npolarizareinversajonciunileJ1,J3suntalimentateinvers,iarjonciuneaJ2directicaurmare
curentulprindispozitivarevalorimici,deordinulcurentuluiinversprintr-ojonciunepn.Laoanumita
valoareatensiuniiinverseUB(breakdown)curentulinversprindiodacrestefoarterapiddatorit
strapungerii prin multiplicarea n avalansa a purtatorilor de
sarcina a jonciunii J1 sau J3.
npolarizaredirectavemdouastaristabile.unacaracterizataprincurentmicitensiunemare
(rezistenamare),deblocare,altaprincurentmareitensiunemic(rezistenamic),deconductie.
Crescndtensiuneadirectpedioda,curentularevalorimici,practiccurentulinversaljonciuniicentrale
polarizateinvers.Laotensiunenumitade aprindere(deamorasare)
notatacu UBOdispozitivul comutan cealalta stare stare stabila, cea
de conductie.Regiunea O-A se numeste regiune de blocare, iar
regiunea
B-Cdeconductie.PortiuneaintermediaraA-Bderezistenadinamicnegativaesteinstabila.Comutarea
inversaarelocatuncicndcurentuldirectsautensiuneadirectscadsubvaloriledementinereIH,
respectivUH.PentruastudiafenomenelefizicedinstructuardiodeipnpnseadoptamodelulluiEbers,i
anume descompunerea structurii pnpn n doua tranzistoare T1 pnp i T2
npn conectate ca n figura de mai jos: i i Ii i IC F E CBC F E CB1 1
1 012 2 2 02= += + Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea
I 40unde F suntfactorideamplificarencurentdirect,iar 0 CBI
suntcureniirezidualidecolector. Prin jonciunea centrala va trece
curentul : i i i i i IA C C F A F A O= + = + +1 2 1 2 2 , undeI I
IO CBO CBO 2 1 2= +este curentul rezidual al jonciunii J2. Din
relatia anterioara rezulta: ( )iIAOF F= +21 21 de unde condiia de
amorsare: F F 1 21 + = . n momentul amorsrii, la jonciunea J2 apare
multiplicarea n avalan a purttorilor, ce atrage dup sine o cretere
puternic a curentului iA.Tensiunea la care se realizeaz amorsarea
este denumit tensiune de autoamorsare,notatcu 0 BU
.Amorsareadiodeipnpnprincretereatensiuniianodicereprezintmodul
normal de funcionare. Exista ns i moduri parazite de amorsare, prin
creterea temperaturii sau printr-o variaie brusc a tensiunii
anodice, moduri ce trebuie evitate la o funcionare normal. 1.6.3
Diacul
Diacul(Diodealternatingcurrent)esteundispozitivmultijonciunecareareproprietatilediodei
pnpn n ambele sensuri de conductie. Dispozitivul are cinci straturi
i patru jonciuni, poate fi considerat ca
fiindrealizatdindouastructuripnpnasezateantiparalelnacelasimonocristaldesiliciu.Diaculare
conduvctibilitate bidirectionala, cei doi electrozi ntre care
circula curentul principal iT se numesc terminal T1 i terminal T2.
Laaplicareauneitensiunipozitive(vezifiguraurmtoare)structuradindreaptaestepola-rizata
direct, se amorseaza la o tensiune de amorasare naturala i are
caracteristica din cadranul I. Cnd polaritatea tensiunii se
inverseaz, intr n conducie structura din stnga, rezultnd ramura
simetricacaracteristicii.Estededoritcatensiuniledeamorsaresfieegale,pentruocaracteristic
simetric.Datoritcaracteristiciibidirecionale,simetrice,diaculsefolosetencircuiteledecurent
alternativ,fiindundispozitivdeputeremic,seutilizeazncircuiteledecomandaletiristoarelori
dispozitivelor triac. 1.6.4 Tiristorul conventional Tiristorul este
o structur pnpn prevzut cu electrod de comand prin conectarea zonei
p adiacente catodului, dup cum se vede pe figur: Electrodul de
comanda, poarta, G (gate), anod i catod sunt cele trei terminale
ale tiristorului. Acest tiristor se numeste "conventional" deoarece
el constituie varianta cea mai des ntlnit. Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I
41Amorsareatiristoruluiserealizeazaprininjectareaunuicurentpepoarta,laotensiunemaimic
dect cea de autoamorsare sau la tensiunea de autoamorsare fara
curent de poarta, mod utilizat foarte rar sau deloc.
Denumireade"tiristor"provinedelanumeleunuitubulelectroniccugazcufuncionare
asemntoare numit tiratron (TIRatron transISTOR) Analiza fenomenelor
fizice ce au loc la amorasarea tiristorului prin injectarea unui
curent de poart
sepoatefaceechivalndstructuracudoutranzistoarecomplementare,cancazuldiodeipnpn,dup
cum se vede pe figura urmtoare: Avem relatiile: ( ) i i i Ii i IC F
A G CBC F E CB2 2 021 1 1 01= + += + prin jonciunea J2 circul
curentul: ( )( )i i i i I ii IA F A F A G CB AF G OF F= + + + =+ +
1 2 022 21 21
Aceastrelaieindicposibilitateacreteriinelimitateacurentuluiprinstructur,daceste
ndeplinitcondiiadeamorsare,amorsareapoateavealoclaotensiuneanodicamaimicdect
tensiuneadeautoamorsare.Proceselefizice suntaceleaicala amorsarea
diodeipnpn,deosebireafiind
cainiiereaamorsriiesteprovocatprininjectareaunuicurentiGprinjonciuneaJ3inuprincreterea
tensiuniianodic.Dependenafactorilordecurentdecurentulprindispozitivstlabazaprocesuluide
amorsare a tiristorului. Urmrind caracteristicile statice
curent-tensiune, se observ c la cureni de poart mai mari tensiunea
de amorsare este mic, peste o anumit valoare a curentului de poart,
amorsarea are loc pe curba punctat, ca la o jonciune pn (tiristorul
este de fapt o diod
comandat).nfuncionarenormal,tensiuneaanodictrebuiesfiemaimicdecttensiuneade
autoaprindere UBO.Pentru comutare direct se aplic un curent de
poart cruia i corespunde o tensiune de aprindere UA > 0 0 ,modul
II u uT G> < 0 0 ,modul IIIu uT G< < 0 0 ,modul IVu uT
G< > 0 0 ,Triacul se foloseste n circuitele de reglare i
comand a puterii de curent alternativ. tensiunea de
autoaprinderetrebuiesfiemaimaredectvaloareadevrfaplicattriaculuintreceledouterminale
pentru a asigura amorsarea dispozitivului pe poart la orice valoare
instantanee a tensiunii de alimentare. Comanda porii se face prin
tensiune continu, tensiune alternativ redresat (nefiltrat),
alternativ sau n
impulsuri.IPRSBaneasproducetriacede6(deexempluTB10N6pentru600V),respectiv10A,
(TB10N6), diace de 32, 38, 44, 50 V (DC32, DC38, DC44, DC50).
Pentruaplicaiideputereserecomandutilizareatriacelorcuradiatorpentrueliminareaputerii
disipate. Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 43!
Aplicaie Pe schema de mai jos se reprezint o schema de variator de
curent alternativ, realizat cu un triac, comandat cu ajutorul unui
diac. Condensatorul C1 se ncarc pn la tensiunea de autoaprindere a
diacului, moment n care diacul
sedeschideasigurndcurentuldepoartnecesaramorsriitriacului.Putereapesarcinsevariazprin
variaia unghiului de conducie a triacului. Prin R1, se regleaz
durata de ncrcare a condensatorului C1,, iar R2 are rolul de a
limita curentul prin diac, iar C2 are rol de filtrare. 1.7
Dispozitive optoelectronice 1.7.1 Generaliti. Clasificri
Dispozitiveleoptoelectronicereprezintocategoriededispozitiveelectroniceacarorfuncionare
presupuneexistentauneiradiatiielectromagneticendomeniulopticTransformareaenergieiradiatiei
electromagneticenenergieelectriciinverssefacenmoddirect,faraintermediulaltorformede
energie.Fenomenelefizicefundamentalecare staula
bazafuncionariidispozitiveloroptoelectronice sunt
absorbtiaradiatieielectromagneticencorpulsolidirecombinarearadiativaapurtatorilordesarcinan
semiconductor. dispozitivele electronice se mpart n doua mari
categorii: -dispozitive bazate pe efectul fotoelectric intern
-dispozitive optoelectronice electroluminescente 1.7.2 Dispozitive
optoelectronice bazate pe efectul fotoelectric intern 1.7.2.1
Fotorezistena Fotorezistena este un rezistor realizat dintr-un
material semiconductor, a carei rezistena depinde de valoarea
intensitatii fluxului luminos. Constructiv este realizata dintr-o
placuta de material semiconductor omogen, prevazuta cu capete cu
contacte ohmice. o mArime importantA ce defineste fotorezistena
este rezistena de ntuneric, ca fiind rezistena la echilibru termic:
RlwdO O= , undeO este rezistivitatea n absenta iluminrii
Pentrugrosimiwmicisepoateconsideracaluminaesteabsorbitauniformntotvolumul
materialului.nurmaabsorbtiei,nsemiconductorsegenereazaperechielectron-golcareducla
micsorarearezistivitatiisi,implicitarezistentei.Conductantafotorezistenteiestedirectproportionalacu
intensitatea fluxului luminos incident. Alte marimi ce definesc
funcionarea fotorezistentei sunt: Germn Zoltn Dispozitive
electronice1 curspartea I
44-pragulfotoelectric,adicalungimeadeundamaximapnalacareefectulfotoelectricmaieste
prezent -inertia fotorezistentei, exprimata prin timpul necesar
stabilirii valorilor stationare ale concentratiilor purtatorilor
mobili. 1.7.2.2 Fotodioda
Fotodiodaesteundispozitivoptoelectronicrealizatpebazauneijonciunipnsauaunuicontact
metal-semiconductor, polarizat imvers. n conditii de ntuneric,
curentul prin jonciune polarizata invers este datorat perechilor
electron-gol generate n interiorul regiunii de sarcina spatiala i n
regiunile neutre.
nprezentaluminiiapareogeneraresuplimentaradepurtatori,deciuncurentsuplimentarIL,
atunci curentul invers are expresia: I I IR O L= +Generarea de
purtatori sub influenta luminii se face n tot volumul jonciunii
unde lumina este absorbita. Purtatorii de sarcina generati n
regiunile neutre se deplaseaza spre regiunea de sarcina spatiala
prin curenti de cmp sau de difuzie, dar sunt supusi recombinrii. n
figura de mai jos se prezinta caracteristicile statice ale
fotodiodei la diferite valori ale iluminarii: I IqUmkTIA oAL=|\
|.|
exp 1
Oaltcaracteristicimportantafotodiodeiestecaracteristicaspectral,careindicrspunsul
relativ al fotodiodei n funcie de lungimea de und a radiaiei
luminoase. 1.7.2.3 Fotoelementul
Fotoelementulesteundispozitivoptoelectroniccarerealizeazconversiadirectaenergiei
luminoase n energie electric , prin apariia la borne a unei
tensiuni electromotoare. Constructiv, se poate spune, este identic
cu fotodioda, doar c aria sa este mult mai mare pentru a putea
oferi o suprafa mai mare de iluminare i , deci o energie electric
mai mare. ntruct de cele mai multe ori energia luminoas
esteceasolarfotoelementelesemainumescibateriisolare.Circuitulelectricpentruaplicaiinumai
cuprinde surse exterioare ci numai rezistena de sarcina. Mrimea
tensiunii electromotoare rezult din urmtoarea relaie:E UmkTqIIFE FE
ILOFE= = +|\
|.|=01 lnPuterea maxim ce se poate obine la ieire este n jur de
30 mW Germn Zoltn Dispozitive electronice1 curspartea I 451.7.2.4
Fototranzistorul
Fototranzistorulesteundispozitivoptoelectronic,realizatpeostructurdetranzistor,
al crui curent de colector este comandat de un flux
luminos.Bazatranzistoruluiestenlocuitcuosuprafacarepoatefiiluminat,asigurnd
astfel curentul de baz necesar. Cu toate acestea unele
fototranzistoare sunt prevzute i
cuelectroddebaz.Simbolulgraficesteprezentatpefiguraurmtoare,iar
caracteristicile sunt practic identice cu caracteristicile
tranzistorului bipolar. 1.7.2.5 Fototiristorul Fototiristorul este
un dispozitiv optoelectronic realizat pe o structura de tiristor, a
carui aprindere se face sub actiunea unui flux luminos. i n acest
caz tensiunea de amorsare scade cu creterea intensitatii fluxului
luminos 1.7.3 Dispozitive optoelectronice bazate pe emisia radiaiei
luminoase 1.7.3.1 Dioda electroluminescent Fenomenul de emisie a
radiatiei luminoase se mai numeste i luminescenta. Emisia de
luminan semiconductoare se datoreaza recombinarii radiative a
purtatorilor de sarcina. Dioda electroluminescenta (Light Emitting
Diode), dioda LED, este realizata dintr-o jonciune pn polarizata
direct.luminescentaserealizeazaprininjectiedepurtatoriminoritari.simbolulgraficicaracteristicile
curent-tensiune, respectiv cele spectrale se prezinta n figura
urmtoare: Diodele electroluminescente sunt folosite ca simple
indicatoare luminoase sau servesc la realizarea elementelor de
afisare, dar elementele de afisaj de dimensiuni reduse nu folosesc
diode separate, ci acestea se realizeaza integrat n aceeasi placuta
de semiconductor (GaAs). n scopul economisirii materialului
semiconductor, dimensiunea reala a cifrei este foarte mic, pentru a
fi usor observabila deasupra structurii se monteaza lentile
convergente, care maresc imaginea. 1.7.3.2 Optocuploare
Optocuplorulseobineprininterconectareauneidiodeelectroluminescentecuunfototranzistor
(fotodioda, fototiristor, fotoelement, etc) astfel nct semnalul
electric ajuns pe dioda LED sa fie transferata de aceasta catre
fototranzistor.
Deobiceirandamentedetransferrelativridicateseobtinndomeniul
frecventelorinfrarosii.Optocuploarelepotfiutilizatepentrutransferde
semnaleattdecurentcontinuu,ctidecurentalternativ,frecventa limita
fiind ordinul zecilor de MHz. Germn Zoltn Dispozitive electronice1
curspartea I 46 Receptoare foto n schemele urmtoare se prezinta
doua circuite simple, receptoare foto. n primul caz la apariia
fluxului luminos, fototranzistorul intra n saturaie, tensiunea de
ieire fiind practic nula.n al doilea caz , la apariia fluxului
luminos tranzistorul intra n conductie, tensiunea de ieire va avea
valoare foarte apropiat de valoarea tensiunii de alimentare. Pentru
a obine valori mai mari pentru curentul de ieire, se poate utiliza
nc un tranzistor bipolar pentru un montaj Darlington.
