Elektronika

100

88 EELLEEKKTTRROONNIIKKAA

Elementi i sklopovi Karakteristike elektroničkih komponenti Fizika poluvodiča Dioda, tiristor Tranzistor (BJT, JFET, MOSFET) Računsko pojačalo Digitalni sklopovi

ELEKTROTEHNIKA

101

8.1. Uvod u elektroniku Elektronika je dio elektrotehnike koji se bavi vođenjem struje kroz poluvodiče, plinove i vakuum, te pripadnim elementima i sklopovima. Razvija se od početka dvadesetog stoljeća i temelji na vakuumskim (kasnije i plinskim) elektronskim cijevima. Radi mogućnosti pojačavanja signala doprinosi početno naglom razvitku telekomunikacija, a zatim širi primjenu u razna područja tehnike. Pronalazak tranzistora 1948. godine dovodi do dinamičnog rasta poluvodičke elektronike. Današnja mogućnost izvedbe računala malih dimenzija učinila je elektroniku prisutnom i nezamjenljivom u gotovo svakoj ljudskoj djelatnosti.

8.1.1. Sistematizacija Prema području kome služe razlikuju se informacijska i energetska elektronika.

Informacijska elektronika bavi se stjecanjem, obradbom i prijenosom informacija trošeći pritom minimalnu potrebnu energiju (telekomunikacije, mjerna i računska tehnika...). Informacija je sadržana u nekom parametru signala, čiji je nosilac vremenski ovisna fizikalna veličina (u elektronici napon, struja, naboj).

Energetska elektronika bavi se elektroničkim elementima i sklopovima u proizvodnji, prijenosu i razdiobi energije. Omogućuje upravljanje toka i pretvorbe energije s težnjom prema što većoj korisnosti. Područja informacijske i energetske elektronike u praksi se značajno prožimlju.

Prema namjeni razlikuju se potrošačka (konzumna) i profesionalna elektronika. Elementi i sklopovi namijenjeni potrošačkoj elektronici proizvode se u masovnim količinama, pri čemu se uz standardnu kvalitetu nastoje postići što niže cijene. Predviđeni su za rad u okolišnim uvjetima prihvatljivim za boravak čovjeka. Profesionalna elektronika obuhvaća uređaje i komponente predviđene za siguran rad i pri teškim okolišnim uvjetima, pa pouzdanost i trajnost moraju zadovoljiti visoke standarde.

Prema karakteru veličina razlikuju se analogna i digitalna elektronika. U analognoj elektronici parametar signala koji sadrži informaciju (iznos, frekvencija, trajanje...) može poprimiti bilo koju vrijednost između dviju graničnih. Važan je zadatak očuvanje informacije od utjecaja smetnji. U digitalnoj elektronici barata se s diskretnim signalima, najčešće binarnim. Vrijednost fizikalne veličine koja nosi element informacije (binarnu varijablu) nalazi se samo u jednom od dva dostatno razmaknuta intervala mogućih vrijednosti, što informaciju čini vrlo otpornom na smetnje. Kompleksna informacija sastoji se od skupa elementarnih informacija, a operacije na njoj od skupa elementarnih operacija. Zbog prednosti u

Elektronika

102

obradbi, pohrani i prijenosu digitalnih signala, često se analogne veličine pretvaraju u digitalne (A/D pretvorba). Rabi se i obrnuta D/A pretvorba.

Slika 8.1. Primjeri analognog i digitalnog signala

Na granici fizikalnih područja primjenu nalazi senzorska elektronika s elementima osjetljivim na okolišne podražaje, te pripadnim sklopovima, najčešće sa zadatkom pretvorbe neelektričnih veličina u električne. Široko se primjenjuje i optoelektronika, koja povezuje područja elektronike i optike.

Elektronički elementi su dijelovi strujnih krugova s vođenjem kroz poluvodiče, plinove i vakuum, s definiranom karakteristikom i pripadnim grafičkim simbolom (npr. dioda, tranzistor, tiristor). Vakuumski i plinski elementi zadržali su se u rijetkim primjenama gdje ih poluvodički ne mogu uspješno zamijeniti.

Elektronički sklopovi su kompleksniji strujni krugovi sastavljeni od više smisleno povezanih elemenata koji ostvaruju neke funkcije ili zadatke (npr. ispravljački most, pojačalo, oscilator, bistabil). U elektroničkom sklopu obično ima elemenata iz opće elektrotehnike koji nisu elektronički (otpori, kapaciteti, induktiviteti), pa mehaničkih (kontakti, sklopke), ali bar jedan elektronički. Iste funkcije mogu se često ostvariti na više načina, različitim sklopovima.

Elektroničke komponente su najmanji kompaktni i odvojivi dijelovi elektroničkih uređaja. Mogu sadržavati pojedine elektroničke elemente ili cijele sklopove (integrirani sklopovi).

Elektronički uređaji su za eksploataciju osposobljeni elektronički sklopovi i njihove kombinacije. Za funkcioniranje moraju imati nekim putem privedenu energiju. Pri izvedbi elektroničkih uredaja općenito se teži smanjenju za rad potrebne energije, volumena, neželjenih okolišnih

ELEKTROTEHNIKA

103

utjecaja, te poboljšanju i proširenju eksploatacijskih svojstava. Eventualno promjenljiv program osposobljava isti elektronički uredaj za izvedbu različitih zadataka.

8.1.2. Građa elektroničkih komponenti Elektroničku komponentu fizički predstavlja kućište s izvodima. Kućište omogućuje smještaj električno aktivnog dijela, te ga zaštićuje i odvaja od okoliša, dok izvodi služe električnom (često i mehaničkom) povezivanju s okolišem u uređaju. Češći materijali kućišta poluvodičkih komponenti su umjetne mase, staklo, keramika i metal, te njihove kombinacije. Keramika i metal su u pogledu izolacijskih i toplinskih svojstava, te trajnosti, superiorniji materijali, pa se njima izvode kućišta kvalitetnijih i pouzdanijih komponenti.

Slika 8-2 Kučišta integriranih krugova

8.1.3. Karakteristike elektroničkih elemenata Svojstva elektroničkih elemenata (i spojeva) iskazuju se iznosima i ovisnostima interesantnih veličina uzimajući u obzir okolišne utjecaje i tipične primjene. Ovisnosti se mogu izraziti matematičkim modelom, grafički (karakteristikama) ili numerički (često parametrima). Za brzi uvid u praksi je primjena matematičkog modela ograničena, te se svojstva iskazuju karakteristikama i parametrima. Karakteristike i parametri elektroničkih elemenata zbog nehomogenosti materijala i nesavršenosti tehnologije izrade unutar istog se tipa rasipaju oko prosječnih, tipičnih vrijednosti. (Za zahtjevnije primjene stoga se katkad izabiru komponente sa što sličnijim kritičnim vrijednostima, ili se rabe spojevi koji dopuštaju razlike.)

Elektronika

104

Slika 8.3. Statička karakteristika diode

Tablica 8.1 Izražavanje ovisnosti veličina na primjeru diode

matematički model diodne statičke karakteristike

Glavni parametri (dioda 1N4007)

S S S1T T

v vn V n Vi I e I e I

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎡ ⎤⎢ ⎥= − = −⎢ ⎥⎣ ⎦

gdje su:

• IS –struja zasićenja p-n spoja (saturation current)

• n – emisijski koeficijent s vrijednošću između 1 i 2

• VT – termički napon, zadan sa

TkTVq

= (9.3)

VR(RMS)=700 V I0=1,0 A VF=0,93 V (tip) VF=1,1 V (max) Za Tj=25ºC i VR(DC)=1000 V IR=0,05 μA (tip) IR=10 μA (max)

Zbog rasipanja stvarnih karakteristika, a i zbog pojednostavljenja modela, nerijetko se koriste približne (aproksimativne) i idealne karakteristike i reducirani modeli.

ELEKTROTEHNIKA

105

i

v

r

FVZV−

Zr

+−

−+

Zr

rZV

idid

FV

( )

F F

Z F

Z Z Z

za0 za

za

v V i r v Vi V v Vv V i r v V

= + >= − < <

= − + < −

Slika 8-4 Jedna aproksimacija karakteristike diode i njezin model

Statičke karakteristike obuhvaćaju iznose i zavisnosti veličina neovisno o vremenu (pri frekvenciji nula). Obično vrijede i kod polaganih promjena, te se mnogo koriste. Dinamička svojstva elemenata opisuju zavisnosti njihovih veličina kad su vremenski promjenljive. Pri bržim promjenama razlikuju se od statičkih. Razlog tome jest što realni elementi posjeduju masu i volumen, dakle i spremnike energije (kapacitete, induktivitete), koji ne mogu promijeniti sadržanu energiju, a time i vrijednosti veličina, trenutno, nego tek u nekom vremenu (prijelazne pojave). Dinamička svojstva elemenata opisuju se različitim nadomjesnim shemama i pripadnim matematičkim modelima.

8.1.4. Granične i tipične vrijednosti U podacima za elektroničke elemente ili među parametrima nalaze se označene granične vrijednosti veličina, koje se ne smiju nadilaziti. Neke od njih mogu se naći u statičkoj i-v karakteristici: granica stalne struje Imax i granica stalnog napona Vmax . Naponska granica određena je granično podnosivim električnim poljem u komponenti iznad kojeg može doći do lavinske ionizacije i proboja, dakle uništenja komponente. Granica maksimalne struje ne smije se prekoračiti zbog lokalnog pregrijavanja, koje ima istu posljedicu. Koliko se i kako dugo kod kratkotrajnih struja i napona granične vrijednosti smiju nadmašiti, navodi se u podacima za pojedine veličine i komponente.

Vrijednosti parametara koje su za neki tip elektroničke komponente najvjerojatnije, nazivaju se tipične, i obično se uz granične daju kao kataloški podaci.

Elektronika

106

Za izradu elektroničkih elemenata danas se prevladavajuće koriste poluvodički materijali. Čine ih neki dvovalentni do šesterovalentnih elemenata iz Mendeljejeve tablice (Tablica 8-2) i njihove smjese (Tablica 8-3). Za osnovni materijal najviše se koristi četverovalentni silicij, dok se u počecima poluvodičke ere u skladu s tadašnjim tehnološkim mogućnostima koristio germanij.

Tablica 8–2 Izvod iz tablice elemenata

II III IV V VI

B C N

Al Si P S

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

Tablica 8–3 Poluvodički materijali

Elementarni IV smjese

III-V smjese

II-VI smjese

IV-VI smjese

Si Ge

SiC SiGe

AlAs AlSb GaP GaAs GaSb InP InAs InSb

ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe

PbS PbTe

Po vodljivosti, glavnom svojstvu materijala u elektrotehnici, poluvodiči se nalaze između vodiča i izolatora (Tablica 8-4).

Tablica 8–4 Vodljivosti i otpornosti osnovnih vrsta materijala u elektrotehnici

materijal vodljivost σ (Scm-1) otpornost ρ (Ωcm)

vodiči > 103 < 10-3

poluvodiči 10-8 < σ < 103 10-3 < ρ < 108

izolatori < 10-8 > 108

Na vodljivost poluvodiča mogu bitno utjecati privođenje energije (npr. zračenje) i dodatak primjesa. U nastavku se uvodi u mehanizam vođenja intrinsičnih (bez primjesa) i ekstrinsičnih (s primjesama) poluvodiča.

ELEKTROTEHNIKA

107

8.2. Intrinsični poluvodiči

8.2.1. Energetski pojasevi Prema planetarnom modelu izoliranog atoma, jezgru koja sadrži neutrone i pozitivne protone okružuju negativno nabijeni elektroni u posebnim orbitalama. Ako elektron apsorbira energiju (u obliku fotona), prelazi u orbitu udaljeniju od jezgre i poprima višu energetsku razinu. Prijelaz elektrona s više energetske razine u nižu popraćen je emisijom fotona.

Moguće energetske razine elektrona neizoliranih atoma čine energetske pojaseve. Popunjenost energetskih pojaseva vanjskih elektrona utječe na električnu vodljivost. U izolatorima pri sobnim temperaturama energetski pojas nižih energija (valentni pojas, granica EV) je popunjen, a energetski pojas viših energija (vodljivi pojas, engl. conduction band, granica EC) prazan. Valentni i vodljivi pojas odijeljeni su zabranjenim energetskim procijepom EG (engl. gap), te vrijedi

G C VE E E= − (8.1)

VODLJIVI POJAS

ZABRANJENI POJAS

VALENTNI POJAS

EC

EV

EG

EN

ER

GIJ

A E

LEK

TRO

NA

Slika 8–5 Energetske razine vanjskih elektrona

U vodičima valentni pojas može djelomično preklapati vodljivi pojas, te tada zabranjeni procijep ne postoji. Zabranjeni procijep u nekim poluvodičkim materijalima pri sobnoj temperaturi ima vrijednosti prema tablici.

Tablica 8–5 Iznosi zabranjenog energetskog procijepa

za neke poluvodičke materijale

Ge Si InP GaAs SiC-6H SiC-4H C

EG [eV] 0,66 1,12 1,34 1,42 3,03 3,28 5,5

Elektronika

108

8.2.2. Pokretni nositelji naboja Četverovalentni silicij je danas najzastupljeniji poluvodički materijal za izradu elektroničkih elemenata i sklopova (integriranih krugova). U rešetki silicijskog kristala svaki atom ima 4 susjedna atoma i svoja 4 valentna elektrona angažira u kovalentne veze s njima. Na temperaturi apsolutne nule valentni pojas potpuno je ispunjen s elektronima, vodljivi pojas je prazan i struja nije moguća. Ako temperatura silicijevog kristala raste (ili se na drugi način privodi energija), povećava se vjerojatnost oslobađanja elektrona iz kovalentne veze i prijelaza iz valentnog u vodljivi pojas. Oslobođena mjesta nazivaju se šupljine, pridaje im se pozitivni jedinični naboj q i njihov je broj jednak broju oslobođenih elektrona. Pokretne su unutar kovalentnih veza. Slobodni elektroni posjeduju energije iz vodljivog pojasa, a šupljinama pripadaju energije iz valentnog pojasa. Proces stvaranja parova elektron-šupljina naziva se ionizacija i trajno je prisutan na temperaturama iznad apsolutne nule. Šupljine se lako popunjavaju sa slobodnim elektronima iz vodljivog pojasa, što se stalno i događa, a naziva se rekombinacija (slika 8-6). Ionizacija (generiranje para) i rekombinacija (iščeznuće para) jednakobrojni su događaji, češći pri višim temperaturama.

Slika 8–6 a) generiranje i rekombinacija u intrinsičnom poluvodiču

b) pripadni energetski dijagram

Gustoća (koncentracija) slobodnih elektrona ni jednaka je u intrinsičnom poluvodičkom materijalu gustoći šupljina pi i može se izračunati iz masa-akcija zakona:

G

1,5 -3cmEkT

i in p AT e⎡ ⎤−⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎡ ⎤= = ⎣ ⎦ (8.2)

gdje su:

ELEKTROTEHNIKA

109

T – apsolutna temperatura [K]

k – Boltzmann-ova konstanta (k 1,38⋅10-23 J/K ili 8,62⋅10-5 eV/K)

EG – širina zabranjenog procijepa [eV]

A – konstanta zavisna o zadanom materijalu.

Intrinsična gustoća pokretnih nositelja (elektrona i šupljina) raste s temperaturom T, te za silicij na 300 K iznosi 10 31,52 10 cmi in p −= = ⋅ .

Slika 8–7 Ovisnost gustoće nosilaca o temperaturi u intrinsičnom siliciju

Elektroni su pokretljiviji od šupljina. Pokretljivost je faktor razmjernosti između rezultantne srednje brzine nosilaca i električnog polja

v Eμ= (8.3)

Za intrinsični silicij na 300 K pokretljivost elektrona iznosi μn≅ 1500 cm2/Vs, a šupljina μp≅ 500 cm2/Vs. Vodljivost intrinsičnog poluvodiča jednaka je:

( )i i n i pq n pσ μ μ= + (8.4)

gdje su:

σi – vodljivost [S/cm]

q – jedinični električni naboj (1,6⋅10-19 C)

ni – gustoća elektrona [cm-3]

pi – gustoća šupljina [cm-3]

μn – pokretljivost elektrona u poluvodičkom materijalu [cm2/Vs]

μp – pokretljivost šupljina u poluvodičkom materijalu [cm2/Vs].

Elektronika

110

Pri porastu temperature zbog povećanja gustoće nosilaca vodljivost poluvodiča raste, što je ponašanje suprotno onom kod metala. Ako se na poluvodič primijeni električno polje, dotad samo stohastičko gibanje postiže rezultantu u smjeru polja za šupljine i nasuprot polja za elektrone, čineći struju. Zbog veće pokretljivosti elektrona, u intrinsičnom siliciju struja elektrona značajno je veća od struje šupljina.

8.3. Ekstrinsični poluvodiči

8.3.1. Gustoće elektrona i šupljina Ekstrinsični poluvodiči dobivaju se unošenjem stranih atoma (nečistoća) u poluvodički kristal (dopiranje), čime se bitno mijenja vodljivost. Razmatranje koje slijedi odnosi se na ponašanje četverovalentnog poluvodiča pri sobnim temperaturama.

Slika 8-8 a) donorski atom u silicijskom okruženju b) pripadni energetski dijagram

Dopiranjem silicija s elementima iz V. skupine periodičke tablice elemenata (antimon Sb, arsen As, fosfor P) postiže se n-tip silicijskog poluvodiča. Takvi atomi nečistoće nazivaju se donori (darivatelji). Ugrađen u kristalnu rešetku četverovalentnog silicija donorski peterovalentni atom angažira četiri elektrona iz svoje vanjske ljuske u veze prema četiri susjedna silicijska atoma, dok se peti elektron lako oslobađa zbog male potrebne energije ionizacije. Donorski atom gubi nabojsku ravnotežu i postaje u silicijsku rešetku ugrađen nepomičan pozitivni ion s nabojem +q (slika 8-8). Gustoća donora ND, a time i gustoća slobodnih elektrona nastalih pomoću dopiranja, nadmašuje intrinsičnu gustoću obično za nekoliko redova

ELEKTROTEHNIKA

111

veličina. Većinski (glavni) pokretni nositelji su elektroni, a manjinski nositelji su šupljine, čija je gustoća za više redova veličina manja od intrinsične. U n-tipu silicija nije moguće održati intrinsičnu gustoću šupljina jer čim nastane, šupljina bude brzo popunjena radi nadintrinsične množine slobodnih elektrona.

Dopiranjem silicijevog kristala s elementima iz III. skupine periodičke tablice elemenata (aluminij Al, bor B, galij Ga, indij In) dobiva se p-tip silicijskog poluvodiča. Atomi nečistoće nazivaju se akceptori (primatelji). Trovalentni akceptorski atom ugrađen u kristalnu rešetku upotpunjuje kovalentnu vezu sa četvrtim susjednim atomom silicija prigrabljivanjem bliskog slobodnog elektrona čime postaje stacionarni negativni ion s nabojem −q, a u susjedstvu ostaje nabojski nepokrivena šupljina (slika 8-9). Kako se akceptori dopiraju u gustoći NA znatno većom od intrinsične, a svaki akceptorski atom proizvede šupljinu, većinski pokretni nositelji u p-tipu poluvodiča su šupljine, a manjinski nositelji su elektroni.

Slika 8-9 a) akceptorski atom u silicijskom okruženju

b) pripadni energetski dijagram

Manjinski nositelji postoje uslijed stalne ionizacije, a njihova mala gustoća posljedica je kratkog životnog vijeka zbog brzih rekombinacija prouzročenih velikom gustoćom većinskih nositelja.

U poluvodičkom materijalu (intrinsičnom i ekstrinsičnom) vrijedi zakon o akciji mase:

konstantapn = (8.5)

gdje su:

p – gustoća šupljina

n – gustoća elektrona.

Elektronika

112

Za intrinsične poluvodiče vrijedi:

ip n n= = (8.6)

pa jednadžba (8.5) daje:

2ipn n= (8.7)

Zakon akcije mase omogućuje izračun gustoće većinskih i manjinskih nositelja u ekstrinsičnom poluvodičkom materijalu. Iz zahtjeva nabojske neutralnosti slijedi:

D Ap N n N+ = + (8.8)

U n-tipu poluvodiča (indeks n) gustoća donora veća je od intrinsične gustoće elektrona, npr. ND je tipično 1017 cm-3 i ni ≈1,5⋅1010 cm-3 za silicij na sobnoj temeperaturi. Tako za većinske i manjinske nositelje vrijedi:

Dnn N≅ (8.9)

2

D

in

npN

≅ (8.10)

U p-tipu poluvodiča (indeks p) gustoća akceptora NA znatno je veća od intrinsične gustoće šupljina pi ni, te za većinske i manjinske nositelje vrijedi

App N≅ (8.11)

2

A

ip

nnN

≅ (8.12)

Ako se poluvodiču dodaju i donori i akceptori, rezultantna će gustoća biti jednaka razlici njihovih pojedinih gustoća s karakterom veće.

Pri povišenju temperature u ekstrinsičnom poluvodiču raste broj generiranih parova, te se kod intrinsične temperature izjednačuju gustoće nosilaca porijeklom od primjesa i uslijed generiranih parova ni. Pri istim gustoćama dopiranja intrinsična temperatura je viša kod poluvodiča s većim EG, pa će se primjerice silicijski poluvodički elementi moći koristiti do viših graničnih temperatura nego germanijski.

8.3.2. Gustoća struje Na gibanje pokretnih nositelja u poluvodičkom materijalu načelno djeluju dva mehanizma: drift (pomak) i difuzija. Struja drifta posljedica je djelovanja električnog polja E, dok struju difuzije uzrokuje kretanje nositelja iz područja visoke njihove gustoće prema području niže gustoće.

Gustoća struje drifta Jdrift [A/cm2] u ekstrinsičnom poluvodičkom materijalu u smjeru električnog polja E [V/cm] je zbroj gustoće struje drifta elektrona i gustoće struje drifta šupljina te iznosi

ELEKTROTEHNIKA

113

( )drif drift drift n p t n pJ J J E q n p Eσ μ μ= + = = + (8.13)

i ovisi o pokretljivosti elektrona μn i pokretljivosti šupljina μp. U slučajevima ravnomjerne gustoće nosilaca ukupna struja jednaka je struji drifta.

8.4. PN-spoj: kontaktni potencijal, struja spoja

8.4.1. Kontaktni potencijal Idealni pn-spoj dobije se kad se jednoliko dopirani p-tip materijala diskontinuirano promijeni u n-tip materijala. U stvarnosti se pn-spojevi formiraju unošenjem veće gustoće nečistoća p-tipa do neke dubine u slabije dopirani poluvodič n-tipa ili obratno.

Radi različitih gustoća pokretnih nositelja oko granice, postoji jaka težnja da većinske šupljine iz p-tipa difundiraju u n-tip poluvodiča, a većinski elektroni iz n-tipa u materijal p-tipa. Kad šupljine prijeđu granicu, u materijalu n-tipa rekombiniraju se s većinskim slobodnim elektronima. Slično, kad elektroni pređu spoj u područje p-tipa, rekombiniraju se s većinskim šupljinama. S obje strane granice ostvaruje se tako područje praktično bez većinskih nositelja i naziva se prijelazno ili osiromašeno (engl. depeletion) područje.

p

q

E

V x

x

x

nE

VC

Slika 8-10 Jednodimenzijski prikaz idealnog simetričnog pn-spoja

s raspodjelom naboja, el. polja i potencijala

Dijelovi osiromašenog područja prestaju biti nabojski neutralni, jer nepomični ioni dopiranih materijala ostaju bez ranije ravnoteže s većinskim nositeljima. Nabojski nepokriveni donorski ioni čine osiromašeno područje blizu spoja unutar n-tipa poluvodiča pozitivno nabijenim, dok područje blizu spoja unutar p-tipa materijala ostaje negativno nabijeno akceptorskim ionima (prostorni naboj). Nastaje unutrašnje električno polje E usmjereno od pozitivnih prema negativnim ionima.

Električno polje na prijelaznom području stvara razliku potencijala VC koja se naziva potencijalna barijera ili konaktni potencijal. Potencijalna barijera

Elektronika

114

sprečava daljnji tok većinskih nositelja preko spoja pod ravnotežnim uvjetima (kad ne teče struja jer su drift i difuzija su u ravnoteži).

ener

gija

osiromašeno područje

0

EC

EV

p

n

x

qVCdrift

difuzija

difuzijadrift

Slika 8-11 Energetske razine na pn-spoju bez vanjskog napona

U ravnotežnim uvjetima kontaktni potencijal VC iznosi:

A DC 2ln

i

N NkTVq n

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (8.14)

i ne mijenja se značajno s temperaturom. Za silicij VC iznosi između 0,5 i 0,8 V, za germanij između 0,1 i 0,2 V, a za galijev arsenid oko 1,5 V.

8.4.2. p-n spoj pod naponom Kad se na pn spoj primijeni vanjski napon 0<VS<VC s pozitivnim potencijalom na p-strani spoja (propusna polarizacija, engl. forward-biased), vanjsko se polje suprotstavlja unutrašnjem, ukupna se razlika potencijala na spoju smanjuje na VC−VS, a osiromašeno područje suzuje. Za VS=VC osiromašeno područje iščezne i većinski se nositelji lako prenose preko granice iza koje su manjinski i zbog rekombinacija gustoća im opada.

Kad se pak na p-stranu spoja primijeni negativni napon VS (reverzna polarizacija, engl. reversed-biased), ukupna razlika potencijala na spoju iznosi VC+|VS|, osiromašeno područje se širi i za većinske nositelje barijera je još teže savladiva. Malobrojni manjinski nositelji omogućuju tek neznatnu struju preko spoja. Slika 8-12 prikazuje raspodjelu potencijala oko granice u propusnoj i nepropusnoj polarizaciji pn-spoja.

ELEKTROTEHNIKA

115

p n

VS=0

VS>0

VS<0

propusna polarizacija

zaporna polarizacija

V0-VS

VC

V0+VS

Slika 8-12 Dijagrami potencijala na pn-spoju

8.4.3. Struja spoja Kad se na pn-spoj s temperaturom T priključi napon VS, teče struja:

S

S 1qVkTI I e

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

⎡ ⎤= −⎢ ⎥

⎢ ⎥⎣ ⎦ (8.15)

gdje je IS struja zasićenja (engl. saturation) ovisna o geometriji spoja i parametrima materijala, te temperaturi.

Jednadžba (8.22) pogodna je za izračun struje i pri propusnoj (VS>0) i pri nepropusnoj polarizaciji (VS<0) pn-spoja. Pri zapornoj polarizaciji struja je praktično jednaka struji zasićenja IS. U propusnoj polarizaciji jedinica se unutar zagrade može zanemariti, te struja spoja raste eksponencijalno s porastom priključenog napona VS.

8.5. POLUVODIČKI ELEKTRONIČKI ELEMENTI

8.5.1. Dioda U većini elektroničkih elemenata koristi se bitna značajka poluvodičkih materijala: mogućnost stvaranja zapornog sloja (poluvodičke barijere). Poluvodička barijera posjeduje izrazitu nelinearnost strujno-naponske ovisnosti, što pojednostavljeno znači da preko barijere u jednom smjeru struja može teći (kad je propusno polarizirana), a u drugom ne (tad je nepropusno ili zaporno polarizirana). Elektronički element koji sadrži samo poluvodičku barijeru naziva se dioda.

Elektronika

116

Slika 8-13 Dioda a) karakteristika idealne diode b) simbol diode

Glavnu primjenu svog ventilnog ponašanja diode nalaze u ispravljačima.

Slika 8-14 Poluvalni ispravljač s diodom

Kombiniranjem više poluvodičkih barijera različitih svojstava pod različitim geometrijskim okolnostima mogu se ostvariti različiti elektronički elementi. Glavni predstavnici iz velikih skupova srodnih elemenata su tiristor i tranzistor.

8.5.2. Tiristor Snaga većeg trošila priključenog na mrežni ispravljač s diodama ne može se kontinuirano i ekonomično smanjivati. Taj nedostatak nemaju ispravljači s tiristorima.

Tiristor je element s tri zaporna sloja, a može se promatrati kao dioda s mogućnošću upravljanja. Dok dioda vodi čim napon anode prema katodi nadmaši iznos kontaktnog potencijala (za silicij 0,7 V), tiristoru to nije dostatno, već se za provođenje mora ostvariti i primjerena (obično impulsna) pobuda na upravljačkoj elektrodi G.

ELEKTROTEHNIKA

117

Slika 8-15 Primjena tiristora u poluvalnom ispravljaču

Kao što dioda prestane voditi kad nestane uvjet pozitivne anode prema katodi, tako i tiristor prestaje voditi kad struja kroz njega padne približno na nulu. U poluvalnom ispravljaču prema slici to se događa na kraju pozitivnih poluperioda. Trošilo dobiva istosmjerne strujne impulse koji počinju pojavom pobudnih impulsa tijekom pozitivnih poluperioda, a završavaju krajem poluperioda. Pozicioniranje pobudnih impulsa utječe na iznos srednje i efektivne vrijednosti struje kroz trošilo, a time i na snagu trošila. Najveća snaga ostvaruje se ako pobudni impulsi djeluju početkom poluperioda (takva kao da je na mjestu tiristora dioda), a najmanja, s iznosom nula ako pobudni impulsi izostanu.

Za mnoge primjene i dioda i tiristor mogu se promatrati kao sklopke. Dioda kao sklopka uključena je ako je ispunjen uvjet vođenja, a to se u ispravljaču sa slike ostvaruje tijekom cijelih pozitivnih poluperioda. Tijekom negativnih sklopka je isključena. Tiristor je sklopka uključena nakon nailaska impulsa ako se to zbilo u pozitivnim poluperiodama, a isključena tijekom negativnih.

Postoje vrste tiristora kojima je moguće prekinuti vođenje i prije kraja pozitivnih poluperioda (GTO tiristori).

Elektronika

118

8.5.3. Tranzistor

8.5.3.1. FET Dva su osnovna tipa tranzistora: bipolarni i FET (tranzistor s efektom polja). U elektroničkim sklopovima mogu se promatrati kao upravljivi elementi (otpori, izvori ili sklopke, ovisno o okolnostima).

a) FET b) Bipolarni

Slika 8-16 Tranzistor kao upravljani element u strujnom krugu

Ako se u izlazni krug umetne otpor (opteretni otpor), promjene izlazne struje stvaraju na njemu promjenljiv pad napona koji se interpretira kao izlazni signal. Omjer

ul

izlv V

VAΔΔ

=

jest naponsko pojačanje.

Ako se i u izlazni krug bipolarnog tranzistora unese opteretni otpor, može se na isti način dobiti izlazni naponski signal.

8.5.3.2. Bipolarni tranzistor Bipolarni tranzistor sadrži dvije poluvodičke barijere i ima tri izvoda: emiter E, bazu B i kolektor C. U najčešćem režimu rada barijera EB polarizira se propusno i nalazi se u ulaznom (upravljačkom) strujnom krugu, dok je barijera CB polarizirana zaporno. Moguće su npn i pnp izvedbe.

izl izlI R VΔ = Δ

ELEKTROTEHNIKA

119

Slika 8-17 Struktura i simboli a) npn i b) pnp tranzistora

Izlazni (radni) krug obuhvaća obje barijere (CE) i izvor napajanja. Struja u ulaznom krugu je upravljačka, a upravlja se struja izlaznog kruga. Male promjene upravljačke struje imaju za posljedicu velike promjene izlazne struje , što se interpretira kao strujno pojačanje:

ul

izl

II

ΔΔ

=β

8.5.3.3. FET FET (s izvodima G, D, S) se pojavljuje u osnovnim inačicama JFET i MOSFET.

c)

ulIΔizlIΔ

Elektronika

120

Slika 8-18 JFET a) n-kanalni b) p-kanalni c) simboli

JFET ima u upravljačkom krugu zaporno polariziranu poluvodičku barijeru GS.

Slika 8-19 Promjena širine kanala kod JFET-a

Promjene ulaznog napona mijenjaju jakost električnog polja na barijeri, zbog čega se mijenja širina kanala i time iznos struje u izlaznom krugu DS.

Slika 8-20 Karakteristike JFET-a

ulVΔ

ELEKTROTEHNIKA

121

8.5.3.4. MOSFET MOSFET je inačica FET-a s priključkom metalno-slojnog izvoda G preko tankog izolirajućeg oksidnog sloja na silicijski kanal –n ili –p tipa (Metal-Oxide-Silicon). Napon na upravljačkoj elektrodi G influencijskim djelovanjem utječe na gustoću nosilaca, a time i na širinu kanala između priključaka S i D, te izlaznu struju.

Slika 8-21 Građa MOSFET-a

Tranzistori se, kao i ostale električne i elektroničke komponente, za svrhu analize mogu prikazivati različitim ekvivalentnim električnim shemama. Jednostavna ekvivalentna shema bipolarnog tranzistora za mali signal sadrži upravljani strujni izvor.

Slika 8-22 Spoj sa zajedničkim emiterom i ekvivalentna shema bipolarnog

tranzistora za mali signal

Upravljani tranzistor može se u izlaznom krugu promatrati kao promjenljiv otpor, čijim promjenama upravlja ulazna upravljačka veličina. Pri minimalnim vrijednostima tog otpora teče u izlaznom krugu maksimalno moguća struja (zasićenje), određena naponom napajanja i opteretnim otporom. Odgovarajućim iznosom ulazne veličine može se u izlaznom krugu

Elektronika

122

ostvariti struja iznosa nula (zapiranje), što bi značilo da tranzistor kao promjenljiv otpor ima iznos beskonačno. Ta dva ekstremna slučaja sugeriraju da se tranzistor može promatrati u izlaznom krugu kao upravljana sklopka, što je temelj digitalne elektronike.

Slika 8-23 Karakteristike tranzistora

Više tranzistora integrira se u složenije komponente, npr. operacijska ili računska pojačala.

Slika 8-24 Integrirana operacijska pojačala

8.6. Digitalna elektronika Digitalna elektronika bavi se pridobivanjem digitalnih signala i različitim postupcima nad njima. U praksi su među digitalnim signalima najvažniji binarni. Matematički ekvivalent binarnog signala je logička ili binarna varijabla s mogućim vrijednostima 0 i 1. Različite funkcije nad binarnim varijablama daju kao rezultat također binarne varijable, a mogu se

ELEKTROTEHNIKA

123

ostvarivati kombinacijama sklopki (sklopna algebra) ili elementarnim logičkim sklopovima (logic gates). U opisu i projektiranju digitalnih sustava od koristi je Boolova algebra s pravilima postupanja s binarnim varijablama (funkcije, jednakosti i teoremi). I veliki digitalni sklopovi sastoje se od elementarnih na kojima se izvode u velikom broju osnovne funkcije.

Digitalni sklopovi mogu biti kombinacijski (izlaz ovisi samo o postojećem stanju na ulazima sklopa) ili sekvencijski (izlaz ovisi o postojećem, ali i o prethodnim stanjima na ulazima). Sekvencijski sklopovi moraju sadržavati memorijske elemente radi pamćenja prethodnih stanja. Najjednostavniji kombinacijski sklopovi su elementarni logički sklopovi (NOT, AND, OR....).

Slika 8-25 Ostvarenje invertora (funkcija NOT) s bipolarnim tranzistorom

Najjednostavniji sekvencijski sklop je bistabil (flip-flop). Ima memorijski kapacitet od jednog bita (binarna znamenka – binary digit) i dva izlaza s oprečnim (komplementarnim) vrijednostima binarnog signala. Stanje bistabila definirano je vrijednostima na izlazima. Postoji više vrsta bistabila koji se razlikuju po načinu pobude za promjenu stanja (RS, JK, D,...).

Elektronika

124

Slika 8-26 RS i JK bistabil

Integrirani krugovi su danas osnovne komponente za izradu sklopova u području informacijske elektronike (ranije su to bili diskretni elementi). U integriranim krugovima kombiniraju se na minijaturnom prostoru elektronički elementi (kombinacijom slojeva i struktura različito dopiranih poluvodiča, izolatora i metala u različitim tehnologijama) ostvarujući različite sklopove i više ili manje komplicirane funkcije. Osnovne su im značajke: male dimenzije, mali utrošak energije, velike brzine, mogućnost razmjerno jeftine masovne proizvodnje. Integrirani krugovi namijenjeni području analogne elektronike nazivaju se linearni, dok digitalni procesiraju digitalne signale.

Među osnovne linearne komponente ubrajaju se operacijska pojačala, naponski stabilizatori, aktivni filtri, vremenske i analogne sklopke.

Digitalni integrirani krugovi postižu veliku gustoću elementarnih funkcija (i preko 106 tranzistora), a u slučaju mikroprocesora opremaju se i s velikim brojem priključaka kojima se ostvaruju veze s okolišem. Nerijetko sadrže i memorije različitih kapaciteta.