OSNOVNA SVOJSTVA POLUVODIČA

Čvrste tvari mogu biti:1) Amforne – imaju nepravilan raspored atoma i molekula, nisu od značaja za

poluvodičku elektroniku.2) Kristali – imaju pravilan raspored atoma, ako je čitavo tjelo načinjeno od

pravilnog ponavljanja osnovne geometrijske forme kaže se da se radi o monokristalu. Za čvrste tvari u kojima su atomi ili molekule raspoređeni po strogom gemetrijskom redu kaže se da imaju kristalnu strukturu. Kad bi se atomi povezali sa nitima konca dobila bi se prostorna rešetka kristala. Zato se takav skup atoma naziva kristalna rešetka. U poluvodičkoj elektronici od interesa su materijali koji imaju kristalnu rešetku.

K, L, M, N, O, P, Q

Za sva svojstva neke tvari (mehanička, kemijska, optička, toplinska, električka, magnetska) mjerodavni su elektroni u vanjskoj ljusci koji se zovu valentni elektroni. Elektroni se drže na okupu jednom od sljedećih veza:

- ionska veza- metalna veza- molekularana veza- kovalentna

Atomi germanija i silicija drže se na okupu kovalentnom vezom. Kod kovalentne veze, sile koje drže atome na okupu, ostvaruju se sa zajedničkim elektronima dvaju susjednih atoma.

Germanij i silicij su 4-valentnoj vezi što znači da u vanjskoj ljusci ima 4 valentna elektrona. Svaki atom silicija vezan je sa 4 susjedna atoma kovalentnom vezom.

k n1 22 83 18

1

Elektroni koji kruže oko atoma mogu imati samo diskretne energetske nivoe. Ovi energetski nivoi prerastaju u pojaseve energija. U pravilu od svakog diskretnog nivoa u atomu nastaje pojas energija u kristalu. Pojasevi odvojenih energija međusobno su odjeljeni zabranjenim energijama.

Prema dolje odozdo energetski pojasevi popunjehih unutarnjih ljusaka, ali oni nisu interesantni. Na 0K valentni pojas je popunjen i odjeljen od vodljivog pojasa pojasom zabranjeih energija EG. Da bi takav kristal mogao provoditi struju treba elektrone iz valentnog pojasa prebaciti u vodljivu i za to im treba predati energiju . Energija se može predati privođenjem topline, zračenjem ili vanjskim električnim poljem. Na

temperaturu T elektroni dobivaju energijureda veličine ,

- Boltzmanova konstanta, temperatura T je u K.

2

+4 +4

+4

+4

+4

+4 +4

+4+4

+4

za

za

INTRINSIČAN POLUVODIĆPoluvodič čija se kristalna rešetka sastoji samo od atoma jednog elementa naziva se INTRINSIČAN ili čist poluvodič. Kristal je nastao ponavljanjem geometrijske forme. Poluvodič je nastao ponavljanjem osnovne geometrijske forme. Svi atomi su na svojim normalnim mjestima tj. nema atoma u nekim međupoložajima. Na temperaturama blizu 0K svi su valentni elektroni vezani uz svoje atome i ne mogu se kretati kroz kristal. Na nekoj konačnoj temperaturi postoji vjerojatnost da elektron zahvati val energije dovoljno velik da se prebaci u vodljivi pojas. Taj proces zove se razbijanje valentne veze. Elektron se giba po kristalu kaotično jer se ne može pridružiti niti jednom atomu.Odlaskom elektrona ostaje jedan ne kompenziran pozitivan naboj. To se čini tako da se uzme elektron sa neke od susjednih kovalentnih veza i tako se proces nastavlja. Prema tome uz kaotično gibanje elektrona u vodljivom pojasu postoji kaotično gibanje elektrona u valentnom pojasu. U valentnom pojasu ima mnoštvo elektrona pa je zato pogodnije promatrati gibanje pozitivnog naboja, a on predstavlja nepopunjenu kovalentnu vezu i naziva se šupljina (praznina).

n - koncentracija elektronap - koncentracija šupljina

Koncentracija ni računa se primjenom sljedeće relacije:

Silicij:

T n290

295

300

3

305

310

EKSTRINSIČAN POLUVODIĆAko električna vodljivost ovisi o prisustvu nekog drugog elementa, on se zove EKSTRINSIČAN ili primjesni poluvodič. Ako su novi atomi prisutni u većoj koncentraciji njihov utjecaj je dominantan unutar šireg raspona temperatura. U poluvodičkoj tehnici važne su one primjese koje se dodaju namjerno i u točno određenoj koncentraciji. Za to se koriste i tehnološki postupci koji se odvijaju privisokoj temperaturi i visokom vakumu.Koncentracija dodanih primjesa kreće se između:

Primjese zauzimaju mjesta u kristalnoj rešetci gdje bi inače bili atomi silicija. One se uključuju u kristalnu rešetku supstitucijom:

Kao primjese koriste se peterovalentni i trovalentni elementi. Kad se dodaju peterovalentni naziva se poluvodič N-tipa. Kad se dodaju trovalentni naziva se poluvodič P-tipa.

1. Poluvodić N-tipaDobiva se tako da se siliciju dodaju peterovalentni elementi kao što su: dušik, fosfor, arsen, antimon.

Četri elektrona od peterovalentnog atoma udružena su u kovalentne veze sa četri susjedna atoma silicija. Peti elektron drži se za svoj atom slabom privlačnom elektrostatskom silom i potrebno je utrošiti mnogo manji iznos energije da se taj elektron odvoji od atoma nego da se razbije kovalentna veza. Iznad temperature 100ºC praktički su svi atomi primjesa ionizirani, elektroni su u vodljivom pojasu i mogu se slobodno gibati kroz kristal. Odlaskom elektrona ostao je jedan nepokretni naboj

4

Peterovalentne primjese daju elektrone u vodljivi pojas pa se zovu donorske primjese ili donori.

ND – koncentracija donora.

Ionizirani donor ima naboj +qe.Kod razbijanja kovalentnih veza stvaraju se nositelji naboja u parovima, prema tome u ovakvom poluvodiču postojat če i mala koncentracija šupljina. U ovakvom poluvodiču većinski ili majoritentni nositelji naboja su šupljine. Ovakav poluvodić zove se poluvodić N-tipa zato što su većinski nosioci naboja elektroni tj. čestice koje nose negatvni naboj.

2. Poluvodić P-tipaDobiva se tako da se siliciju dodaju trovalentne primjese kao što su: bor, aluminij, galij i indij.

Trovalentnoj primjesi nedostaje jedan elektron kompletira svoju kovalentnu vezu. Ona to čini tako da uzme elektron sa neke od susjednih kovalentnih veza. Na taj način stvorena je šupljina koja se slobodno giba po kristalu, a ionizirana primjesa ima jedan nepokretni negativni naboj –qe. Budući da trovalentne veze primaju elektron zovu se akceptorske veze ili akceptori. NA – koncentracija akceptora. Energija potrebna za ionizaciju akceptora je vrlo mala i u istom je rasponu kao i ona kod donora. Kaže se da ionizirani akceptor ima jedan nepokretni negativni naboj, a "otpustio" je slobodnu šupljinu u valentni pojas. U poluvodiću P-tipa večinski ili majoritentni nositelji naboja su šupljine, one imaju pozitivni naboj pa se zato i zove P-tip.

5

GENERACIJA I REKOMBINACIJA U POLUVODIĆIMA

Na konstantnoj temperaturi konstantna je koncentracija elektrona n0 i šupljina p0. U čistom poluvodiću nositelj naboja stvaraju se u parovima razbijanjem kovalentnih veza. U ekstrinsičnom poluvodiću nositelj naboja stvaraju se na dva načina:

- ionizacijom primjesa- razbijanjem kovalentnih veza.

Da bi se održala stalna kocentracija elektrona i šupljina mora postojati još jedan mehanizam koji se naziva rekombinacija parova elektrona šupljina. Postoji dinamička

veza između generacije i rekombinacije . Ravnotežne

koncentracije elektrona i šupljina ne ovise o tome na koji način se vrši generacija i rekombinacija. Između generacije para i rekombinacije para protekne neko srednje

vrijeme koje se zove vrijeme života .

Za koncentracije n0 i p0 vrijedi zakon o termodinamičkoj ravnoteži:

6

ODREĐIVANJE KONCENTRACIJA U N I P TIPU POLUVODIĆA

1) N-tip poluvodića

- zakon o električnoj neutralnosti (1)

- zakon o termodinamičkoj ravnoteži (2)

iz (1) , to u (2)

PR

7

2) P-tip poluvodića

(1)

(2)

iz (1) , to u (2)

Za

Pri niskim koncentracijama NA i ND sa porastom temperature poluvodić teži ka savršenom poluvodiću.

POKRETLJIVOST NABOJA U POLUVODIČIMA

Kad poluvodič nije u električnom polju gibanje nositelja naboja je kaotično, svi smjerovi jednako su vjerojatni. Kaotično gibanje nastaje zbog vibracije kristalne rešetke koje uvijek postoje zbog neke temperature. Ako se poluvodič izloži djelovanju vanjskog električnog polja doći će do usmjerenog gibanja slobodnih elektrona i šupljina tj. poteći će struja. Zbog djelovanja električnog polja kaotičnom gibanju superioria (dodaje) se usmjereno gibanje (driftno gibanje), elektroni i šupljine između dva sudara dobivaju dodatnu usmjerenu brzinu koja se zove driftna brzina:

vD je proporcionalna sa električnim poljem, a faktor proporcionalnosti je μ.Zove se pokretljivost i ta pokretljivost za silicij je:

VODLJIVOST POLUVODIĆA8

- vodić

- poluvodić

- Ohmov zakon u elementarnom obliku

INTRINSIČAN POLUVODIĆ

9

PR Koliko iznosi otpor čistog silicijskog komadića kojem je ako je

.

EKSTRINSIČAN POLUVODIĆ

a) N-tip

b) P-tip

PRKoliko iznosi otpor čistog silicijskog komadića kojem je ako je

.

10

DIFUZIJSKO GIBANJE NOSITELJA NABOJA

Osim nositelja polja uzrok proticanja električne struje kroz poluvodić može biti i difuzija. Do difuzije dolaz kada koncentracija čestica u cijelom prostoru nije jednaka. Čestice se gibaju od mjesta veće, ka mjestu manje koncentracije. Kroz poprečni presjek prolazi naboj odnosno teče difuzna struja.

- šupljine

Zbog termičnog gibanja šupljine će kroz presjek x-x prolaziti u oba smjera. Kako je koncentracija šupljina u području A veća od one u području B bit će veći broj šupljina koje prijeđu kroz A u B nego obrnuto. Rezultantno gibanje teži da se izjednače koncentracije. Difuzijska struja proporcionalna je gradijentu koncentracije šupljina.

Konstanta DP zove se difuzijska konstanta, a opisuje svojstvo čestica da prodiru kroz poluvodić.

- elektroni

- difuzijske konstante za silicij

U poluvodiču postoji električno polje i razlika u koncentraciji električnih naboja.

11

1)

2)

Između difuzijske konstante D i pokretljivosti μ istovrsnih čestica postoji veza:

- Einsteinova relacija

Difuzijska dužina Ln i Lp.Dužina kod koje koncentracija zbog rekombinacije padne za e puta zbog početne koncentracije zove se difuzijska dužina šupljina Lp, a analogno za elektrone Le

Vrijedi slijedeća relacija:

- prosječno vrijeme života para elektron šupljinaPrijelazno područje između p i n tipa vodiča je najvažnije u području poluvodičke elektronike.

12

PN SPOJ

PN spoj ostvaruje se različitim tehnološkim postupcima kojima se postiže to da je jedan dio poluvodiča n-tip drugi dio p-tip, s time da je sačuvana monokristana struktura.

Kada se ostvari kontakt ovih dvaju vodiča lako se može zaključiti da ovo stanje ne može biti i ravnotežno stanje. Postoji vrlo velika razlika u koncentracijama istog tipa na lijevoj i na desnoj strani. Posljedica toga je difuzijsko gibanje elektrona iz n-tipa u p-tip i šupljina iz p-tipa u n-tip.

13

N strana koja gubi elektrone, a dobiva šupljine pa postaje pozitivnija. Šupljine koje dolaze iz P tipa u N tipa nailaze na veliku koncentraciju elektrona pa se sa njima rekombiniraju. Koncentracija šupljina sve više opada sa udaljenošču spoja. P strana gubi šupljine, a dobiva elektrone pa postaje sve negativnija. Elektroni nailaze na veliku koncentracju šupljina pa se s njima rekombiniraju i koncentracija opada s udaljenošću od spoja. Prolaz difuzijske struje sve više se otežava, elektronima se suprostavlja negativan naboj na P strani, a šupljinama pozitivan na N strani. P i N tip više nisu električki neutralni u graničnom području. P-tipu ostaju nekompenzirani negativni akceceptorski ioni, a u N-tipu pozitivni donorski ioni, a količine naboja su jednake. Područje u kome se mijenjaju potencijalne energije elektrona i šupljina označeno je sa dB, a zadire u P i N tip poluvodiča. To područje zove se PN barijera ili prijelazni sloj ili sloj porstornog naboja. Barijera se više širi na onu stranu na kojoj je manja koncentracija primjesa.

Razliku potencijala N i P područja izračunati ćemo iz uvijeta da struje šupljina i elektrona moraju biti jednake 0.

14

za

Sa porastom temperature Uk pada

PR

PR

PRSkicirati valni oblik električnog polja u PN-spoju

15

Na osnovu poznate raspodjele naboja može se izračunati jakost električnog polja

16

Izrazi za električna polja su:1) u P-tipu:

2) u N-tipu:

Na osnovu poznatih derivacija za jakost električnog polja može se izračunati potencijal za bilo koju točku unutar barijere.

Iz ove relacije može se dobiti i širina PN barijere koja je jednaka:

17

2ln op on

ki

p nkTU V

q n

PN SPOJ POD DJELOVANJEM NAPONA

Kada se PN spoj prikljiči na vanjski izvor napna, kroz njega će teči struja. Uz različite priključke napona bit će i različita struja.

1. Propusno polariziran PN spoj

Spajanjem napona U na prethodni način dolazi do snižavanja potencijalne barijere. Krugom teče struja I koja nastaje zbog difuzijskog gibanja većinskih nositelja naboja. Što je priključni napon veći potencijalna barijera je niža i difuzijska struja veća.

18

2. Nepropusno polariziran PN spoj

Krugom teče struja manjinskih nositelja naboja, zove se invertna struja PN spoja, označava se sa IS, praktički ne ovisi o naponu U, pa se naziva i struja zasićenja. Potencijalna barijera se povećava, a također i širina barijere.

Ovisnost struje o naponu dana je Shockleyevom jednadžbom:

- Shockleyeva jednadžba

m=1÷2 za male U, m=1za velike U, m=2

19

PR

za

za

A (anoda)- IDEALNA DIODA p-tip

K (katoda)n-tip

20

ELEKTRIČNI PROBLEM U PN SPOJU

Ako se diodi priključi dovoljno veliki inverzni napon dolazi do proboja diode, struja naglo raste te može doći do uništenja diode ako ona nije ograničena vanjskim otporom. Postoje dva tipa proboja:

1.) Zenerov proboj – nastupa kad dioda koje imaju vrlo usku širinu barijere, kod velikih koncentracija primjesa. Električno polje u barijeri postaje tako snžno da se izvlače elektroni iz valentnog pojasa u p-tipu pa se struja naglo povećava.

2.) Lavinski proboj – nastupa kod širih barijera pri manjim konsentracijama primjesa. Pri svom gibanju elektroni se sudaraju s atomima u babarijeri, izbijaju im elektrone pa se proces dalje nastavlja kao lavina.

VRSTE DIODA

1. SLOJNA DIODA – ima veliku površinu PN spoja, a time i kapacitet zbog toga se ne može koristiti na visokim frekvencijama. Koristi se u ispravljačima za dobivanje istosmjernog iz izmjeničnog.

Poluvalni ispravljač

Punovalni ispravljača) s transformatorom sa srednjim izvodom

21

Za vrijeme pozitivne poluperiode ulaznog napona struja teče krugom A, D1, R, 0.Za vrijeme negativne poluperiode ulaznog napona struja teče krugom B, D2, R, 0.

b) Graetzov spoj

Za vrijeme pozitivne poluperiode ulaznog napona struja teče krugom A, D1, R, D3, B.Za vrijeme negativne poluperiode ulaznog napona struja teče krugom B, D2, R, D4, A.Graetzov spoj može se kupiti za određene napone, struje i snage.

2. TOČKASTA DIODA – ima malu površinu PN spoja, i mali kapacitet barijere, pa se može koristiti na višim i visokim frekvencijama, za modulatore, demodulatore itd.

3. ZENER DIODA – koristi se u području probojnih napona. Proizvodi se sa različitim iznosima probojnih napona. Služi kao izvor referentnog napona u stabilizatorima.

22

Stabilizator sa Zener diodom

1) Na ulazu je , na izlazu je :

2) Na ulazu je , na izlazu je :

PR

23

5 V[ ]

IIz

IZ

I

+U

Uiz=?

4. TUNEL DIODA (Esakijeva dioda) – izvodi se sa vrlo visokim koncentracijama primjesa. Zbog toga je barijera vrlo uska. U nepropusnom području odmah nastupa proboj. U propusnom području ima dio karakteristike sa negativnim nagibom tangente.

Područje sa negativnom dinamičkom karakteristikom

Karakteristika ove diode objašnjava se kvantnom mehanikom, a efekt se zove tunel efekt. Japanski fizičar Esaki patentirao je naziv tunet dioda.

Koristi se za izradu oscilatora.

5. VARICAP DIODA (kapacitivna dioda) – služi kao promjenjivi kondenzator, kome se iznos kapaciteta mjenja s inverznim naponom.

24

6. SVJETLEĆA DIODA - LED (LIGHT EMITTING DIODE)

Radi pri propusnoj polarizaciji i tada zrači svjetlost. Svjetlost nastaje kao rezultat rekombinacije šupljina i elektrona. Koristi se kao signalni i kontrolni element, te kao izvor svjetlosti. Izrađuje se od spojeva galija, arsena i fosfora. Obično daju crveno, žuto i zeleno svjetlo, a mogu dati i infracrveno.

7. FOTODIODA - LAD (LIGHT ACTIVATED DIOD)

Dioda radi pri inverznoj polarizaciji. Upadno svjetlo generira parove elektron šupljina. IR se povećava proporcionalno sa intenzitetom svjetla. Koristi se u uređajima za: mjerenje intenziteta svjetlosti, fotoaparata, svjetlomjera, za pozicioniranje alata kod strojeva, za detekciju svjetlosnih signala u optičkim kabelima.

8. FOTOĆELIJA – struja teče krugom i bez vanjskog napajanja.

Koristi se u solarnim ćelijama za punjenje akumulatora za pogon satova, kalkulatora. Efikasnost im je ηmax=11%.

25

TRANZISTORI

Tranzistori su poluvodičke komponente sa tri sloja poluvodića. Imaju svojstvo pojačavanja signala. Izumili si ih 24.12.1947.: John Barden, Walter Brattain, William Shockley. 1956 g. dobili su Nobelovu nagradu za to otkriće.

Rad NPN tpa tranzistora temelji se na prijenosu elektrona iz jednog N-tipa u drugi N-tip, a rad PNP tipa temelji se na prijenosu šupljina iz jednog P-tipa u drugi P-tip. Kod NPN tipa glavni nositelji su elektroni, a kod PNP šupljine. Da bi se postiglo usmjereno gibanje elektrona potrebno je jedan PN spoj polarizirati propusno a drugi nepropusno.

E – emiterC – kolektorB – baza

N-tip koji emitira elektrone u P područje naziva se emiter E, a drugi N-tip koji ih sakuplja naziva kolektor C. Srednje područje ili P-tip naziva se baza B. PN spoj između E i B zove se emiterski PN spoj, a onaj između C i B zove se kolektorski PN spoj.

Struje u tranzistoru – pri normalnoj polarizaciji

26

NP

E C

B+ +

IelE IelC

IelB

IšCIrBIšE

UBE UBC

IE IC

IB

1.

IelE – je struja koju čine elektroni koji iz emitera prelaze u bazu. To je korisna komponenta jer teče kroz tranzistor, zahvaljujući njoj postiže se pojačanje.IšB – je struja šupljina koje iz baze prelaze u emiter, nije od koristi za pojačanje samo dodatno zagrijava emiterski PN spoj. Prema tome poželjno je da struja IelE>>IšB. Zato se tranzistor izvodi tako da je koncentracija primjesa u emiteru i do 100 puta veća od koncentracije primjesa u bazi.

- efikasnost emitera

2.IelC – je struja koju čine elektroni koji dolaze iz emitera preko baze. Zbog rekombinacije jednog broja elektrona u bazi IelC je manja od IelE. U normalnom aktivnom području struja IelC praktički ne ovisi o naponu UCB.IšC – struja koju čine šupljine koje iz kolektora ulaze u bazu.IelB – struja koju čine elektroni koji iz baze ulaze u kolektor.IšC i IelB su struje manjinskih nositelja naboja, jako rastu sa temperaturom.

3.

IšB – struja šupljina koja iz baze prelaze u emiter.IrB – je struja šupljina koje se u bazi rekombiniraju sa elektronima koji dolaze iz emitera. Da bi tranzistorski efekat bio što bolji potrebno je da što veči broj elektrona dođe iz emitera u kolektor.

(1)

(2) za male promjene

- faktor strujnog pojačanja u spoju ZB

27

Kod spoja zajednički emiter faktor srujnog pojačanja je:

(2)

iz (2)

za

U spoju zajedničke baze je:

U spoju zajedničkog emitera:

U kojoj su vezi ICB0 i ICE0?

28

Za rad tranzistora u normalnom aktivnom području bitna su tri sljedeća mehanizma:1.) Ubacivanje većinskih nositelja naboja iz emitera u bazu kroz propusno polariziran

emiterski PN spoj2.) Prijenos ubačenih nositelja kroz bazu u kojoj su oni manjinski nositelji naboja. Da

bi prijenos bio što bolji baza treba biti uska i manja koncentracija primjesa da se smanji IšB i IrB.

3.) Skupljanje manjinskih nositelja koji su prošli kroz bazu od strane inverzno polariziranog konektorskog PN spoja.

STATIČKE KARAKTERISTIKE TRANZISTORA

Odnosi između istosmjernog napona i struja dani su statičkim karakteristikama. One se snimaju točku po točku sa istosmjernim naponom napajanja. Daju se u katalozima proizvođača kao srednja vrijednost karakteristika od velikog broja tranzistora istog tipa. To su familije karakteristika od kojih je jedna veličina parametar. Za praksu su najvažnije izlazne i ulazne karakteristike, a ostale se mogu dobiti iz njih. Najčešće se susreću karakteristike spoja zajedničkog emitera.

Shema za snimanje prikazana je na slici:

LABORATORIJSKI IZVOR

1. IZLAZNE KARAKTERISTIKE

29

Izlazne karakteristike prikazuju ovisnost struje IC o naponu UCE uz struju IB kao parametar:

Snimaju se na slijedeći način:- sa potenciometrom P1 podesi se iznos struje IB

- sa potenciometrom P2 mjenja se napon UCE i očitava struja IC

- ponovi se mjerenje (pod 2) sa drugom strujom IB

Napon koljena koje je oko 0,5V za tranzistore malih i srednjih snaga promjene napona UCE uzrokuju male promjene struje IC.Područje nakon koljena je radno područje tranzistora kao pojačala u izlazne karakteristike ucrtava se:

- statički radni pravac (SRP)- radna točka (Q)- dinamički radni pravac (DRP)- hiperbola snage.

Iz njih se može očitati faktor strujnog pojačanja i dinamički izlazni otpor.

2. ULAZNE KARAKTERISTIKE

Prikazuju ovisnost struje o IB o naponu UBE uz napon UCE kao parametar:

Ove su karakteristike nelinearne pa su one glavni uzrok nastajanja nelinearnih izobličenja.Snimaju se na sljedeči način:

- sa P2 podesi se UCE

- sa P1 mijenja se UBE i očitava se struja IB

- ponovi se korak 2 sa drugim naponom UCE

30

POJAČALO S TRANZISTOROM U SPOJU SA ZAJEDNIČKIM EMITEROM

Ovo pojačalo se najčešće primjenjuje pri realizaciji NF (nisko frekventnih) pojačala jer se njime dobiva najveće pojačanje napona, struje i snage. Ulazni signal dovodi se između baze i emitera, a izlazni se dobiva između kolektora i emitera. Da bi se dobilo pojačanje radna točka mora se nalaziti u normalnom aktivnom području. Dakle pored izmjeničnog signala tranzistoru se trebaju privesti određeni istosmjerni naponi. Statička radna točka Q može se odrediti na način kao što je prikazano na slici:

Pomoću UBB i RB odnosno ulaznih karakteristika odredi se struja IBQ

31

Pomoću UCC i RC odredi se statički radni pravac

JEDNADŽBA SRP

1. za :

2. za :

TOTALNI IZNOS IZMJENIČNA KOMPONENTA

ISTOSMJERNA KOMPONENTA

32

U praktičnim izvedbama radna točka određuje se sa jednim izvorom napajanja u tome se koriste dvije sheme:

1. Visokoomski djelitelj baze 2. Niskoomski djelitelj baze

1. VISOKOOMSKI DJELITELJ BAZE

PR

Odredi radnu točku Q i maksimalni hod napona Ucemax ako se tranzistor zamjeni s novim kojem je β=120. UCEQ, ICQ, Ucemax=?

33

2. NISKOOMSKI DJELJITELJ BAZE

Otpor RB2 odaberite takav da je

POJAČALO U SPOJU ZAJEDNIČKOG EMITERA SA RADNIM TROŠILOM

- SRP

34

Za izmjenične naponske signale kondenzatori Cv su kratki spoj, također i izvor UCC. Shema za izmjenične signale je:

DINAMIČKI RADNI PRAVAC (DRP)

1. DRP prolazi kroz Qza

2. za

35

STABILIZACIJA RADNE TOČKE

Poluvodičke komponente su jako temperaturno osjetljive. Zbog toga se u sklopovima provodi temperaturna stabilizacija radne točke. Stabilizacija radne točke izvodi se na jedan od sljedećih načina:

a) primjenom stabilinih spojeva (spojevi sa negativnom povratnom vezom)b) metodama kompenzacije (upotrebom PTC i NTC otpornika)

Najčešće se koristi stabilni spoj uvođenjem otpora RE.

Stabilizirajuće djelovanje otpornika RE ogleda se u sljedećem: - ako zbog porasta temperature poraste IC, poraste IE, poraste napon na otporu RE,

smanji se UBE, smanji se IB pa je porast struje IC daleko manji nego da nema otpora RE.

Uvođenjem otpora RE uvodi se i strujna serijska negativna povratna veza koja smanjuje pojačanje. Da bi se djelovanje negativne povratne veze uklonilo za izmjenične signale paralelno otporniku RE spaja se kapacitet CE dovoljno velikog iznosa kapaciteta.

36

DINAMIČKA ANALIZA

U sklopu pojačala tranzistor radi u dinamičkim uvjetima što znači da uz istosmjerne napone kojima je određena radna točka djeluju i izmjenični naponi. Dinamički rad razmatra se u "režimu malih signala", a tada se tranzistor može smatrati kao linearni aktivni element. Tada između napona i struja postoji linearna zavisnost. Bipolarni tranzistor može biti u spoju zajedničkog emitera, zajedničke baze ili zajedničkog kolektora, a u ovoj analizi predstavlja se sa dvije ulazne i dvije izlazne priključnice.

Ponašanje četveropola potpuno je određeno sa četri promjenjive veličine U1, U2, I1, I2, a one se povezuju sa dvije linearne jednadžbe sa dvije nezavisne veličine. Tranzistor se najčešće opisuje sa h parametrima. Jednadžbe četveropola sa h parametrima su:

Za opisivanje tranzistorskih umjesto brojevnih indeksa koriste se slovni indeksi:

Osim toga dodaju se i indeksi e, b i c, zavisno od toga u kojem spoju tranzistor radi.

Na osnovu ovih jednadžbi može se nacrtati nadomjesna shema sa h parametrima u spoju zajedničkog emitera.

Postoje četri vrste zavisnih izvora (i ne može ih biti više):1. naponom upravljan naponski izvor2. strujom upravljan naponski izvor3. strujom upravljan strujni izvor4. naponom upravljan strujni izvor

Bipolarni tranzistor ponaša se kao strujom upravljan strujni izvor.

37

FET se ponaša kao naponom upravljan strujni izvor. U katalozima proizvođača najčešće se daju he parametri, rijeđe hb, a vrlo rijetko hc

parametri. hfe≈β.

TRANZISTOR KAO SKLOPKA

Osnovna shema prikazana je na slici:

Kada je na ulaz napon Uul dovoljno visokog iznosa sklopka je uključena i krugom teče struja:

,

a napon na trošilu je: .

Da bi sklopka bila uključena uz napon na ulazu mora teći neka struja IBmin:

Ovako izračunat otpor RB je maksimalni koji bi se smio koristiti. Iz niza standardnih vrijednosti treba izabrati manji. Prema tome kada se sklopka uključi radna točka na SRP-u je Q1. sklopka je isključena kada je Uul=0 odnosno IB=0, radna točka je Q2.

Prednosti tranzistorske sklopke su:1. Malim strujama IB upravlja se velikim strujama IC

2. Strujom trošila može se upravljati sa daljine 3. Brzina ukapčanja i iskapčanja je i do 108 puta u sekundi4. Nema efekta iskrenja kao kod mehaničkih sklopki5. Tranzistor ima dug vijek trajanja

38

Nedostaci tranzistorske sklopke su:1. Tranzistor radi samo sa istosmjernim naponima, ne mogu se prekidati

izmjenične struje2. Krug nije potpuno zatvoren niti otvoren, ne ponaša se kao idealna sklopka3. Tranzistor je osjetljiv na preopterečenja strujom ili naponom 4. Tranzistor može raditi samo do određene temperature (silicij do 200ºC)

Tranzistorska sklopka obavlja logičku funkciju NE (NOT)

A T0 11 0

Pomoću tranzistorske sklopke mogu se realizirati i druge logičke sklopke kao što su : I, ILI, N, NILI.

OGRANIČENJA U RADU TRANZISTORA

Postoje ograničenja maksimalnih dozvoljenih struja, maksimalnih dozvoljenih napona i maksiamlnih dozvoljenih snaga. Daju se u katalogu rubrici ''maximal ratings'':1. Maksimalna struja kolektora Icmax (ICH), je struja koja smije teći kroz tranzistor

bez obzira na iznos napona UCE i snagu. Ovisi o površini kolektora. Kod snažnih tranzistora može biti i do 100A.

2. Maksimalni napon UCemax

3. Maksimalna snaga disipacije ovisi i o temperaturi

ambijenta, (okoline). Daje se i podatak o tome za koliko se smanjuje dozvoljena snaga ako temperatura poraste za 1ºC.

Da bi se zagrijavanje smanjilo, a time povećala dozvoljena snaga koriste se hladila.

39

Toplinski otpor hladila ovisi o površini hladila i debljini materijala, što je površina veća to je toplinski otpor manji. Hladila se izrađuju u obliku radijatora sa većim brojem rebara. Tranzistor se montira na hladilo tako da je između njega i hladila tanki sloj izolatora od:

- liskuma (tinjac)- beriljija- aluminijevog dioksida

SEKUNDARNI PROBOJ:Zbog nejednolike raspodjele struje po površini emitera u nekim područjima je gustoća struje veća. Baza je izrađena manjom koncentracijom primjesa pa kod neke veće temperature područje baze postaje intrinsično, pa se stvara direktni spoj između emitera i kolektora. Struja naglo raste a napon UCE opada. Zbog pojave sekundarnog proboja smanjuje se sigurno područje rada:

SOA – safe operating area.

40

TIRISTORI (THYRISTOR)

Tiristor je zajednički naziv za razne vrste četveroslojnih poluvodičkih komponenata. Najvažniji predstavnik je jednosmjerni triodni tiristor SCR (silicon controlled rectipier, silicijsko upravljani ispravljač).

Razvio ga W. Shockley, a radi u režimu lavinskog proboja. Nakon što porovede struju propušta struju u jednom smjeru. U stanje nevođenja može doči ako mu struja padne ispod određenog iznosa. U–I karakteristika prikazana na slici:

Prebacivanje iz isključenog u uključeno stanje izvodi se pomoću pozitivnog napona UGK i struje IG. Na taj način postiže se sniženje prelomnog napona. Ove veličine zovu se:

IH (holding current) = struja pridružavanjaUH (hoding voltage) = napon pridružavanjaUBO – prijelomni napon u IG=0

41

Tiristori se koriste u raznim tipovima upravljivih ispravljača. Pogodnom izvedbom može se mjenati kut vođenja, a time i snaga na trošilu. Tiristor može biti u slijedeća tri stanja (ili hoda):1. Invertni mod

2. Blokirajući mod

3. Tiristor u vodljivom stanju

Nakon što se prekidač P trajno zatvori poteče struja glavnim krugom: +U, RT, A, K, -U

Da bi se struja u glavnom krugu prekinula potrebno je njen iznos smanjiti manje od IH, a to se može postići povečanjem otpora RT ili smanjenjem napona U.

Tiristor se primjenjuje energetskoj elektronici: za regulacije brzine vrtnje elektromotora, za regulaciju snage kod snažnih grijača, za regulaciju osvjetljenja itd. Izuzetno su pogodni za primjenu kod izmjenične struje. Tada svaka negativna poluperioda dovodi tiristor u stanje inverznog moda.

42

za

za

43

Um

t

UT

t

U

2T 3

2TT

2T

4T T0t

za

za

za

za

44

OGRANIČENJA U RADU TIRISTORA

1. ograničenje – brzina porasta struje mora biti ispod nekog maksimalnog iznosa jer može doći do uništenja tiristora, podatak se daje u katalogu proizvođača.

Kada se na gate dovede impuls struje najprije provede usko područje u blizini elektrode G. Struja tiristora teče tim uskim pordučjem dok se ono ne proširi. Zbog toga dolazi do lokalnog zagrijavanja koje ne smije prijeći određeni maksimalni iznos jer može doći do uništenja tiristora. Da bi se smanjio utjecaj vremena porasta u seriju s tiristorom spaja se zavojnica.

2. ograničenje – daje se u katalogu proizvođača.

Ako brzina porasta napona prijeđe neki iznos tiristor može doći u stanje vođenja i kada se to ne želi. Za to je odgovoran parazitni kapacitet CAG između anode i gatea. Dodatkom RC spoja utjecaj se smanjuje. Ovaj efekt može se i iskoristiti za uključenje tiristora.

45

OPERACIJSKA POJAČALA I SKLOPOVI S NJIMA

Ovaj naziv odnosi se na pojačalo koje ima vrlo veliko pojačanje, dva ulaza i jedan izlaz. Naziv potječe iz tehnike analognih računala u kojima se ono koristilo za izvođenje matematičkih operacija zbrajanja, oduzimanja, deriviranja i integriranja. Masovna proizvodnja donjela je i njihovu vrlo nisku cijenu, a počela je nakon pojave monolitne tehnike u planarnoj tehnologiji na siliciju. Cijelo pojačalo proizvodi se na jednoj ploči površine od svega oko 1mm2. Operacijska pojačala spadaju u grupu linearnih integriranih sklopova. Od svih operacijskih pojačala najširu primjenu našlo je ono pod brojem 741. U osnovnoj verziji ima 20 bipolarnih tranzistora, 11 otpornika i jedan kondenzator od 30[pF]. Simbol za idealno operacijsko pojačalo je:

za neinvertirajući ulaz

za invertirajući ulaz

Svojstva idealnog operacijskog pojačala:1. , pojačanje teži u beskonačnost2. , ulazni otpor teži u beskonačnost

3. , izlazni otpor teži u nulu4. sva svojstva ne ovise o temperaturi i frekvenciji

Za realna operacijska pojačala:1.

2.

3.

4. pojačanje ovisi o frekvenciji i temperaturi

Realno operacijsko pojačalo

46

+

+

u2

u1

1

2

uiz

+

A(u -u )1 2

Da bi ispravno radilo potrebno ga je priključiti na izvor napajanja koji je simetričan s obzirom na zajedničku točku. Obično su to naponi do maksimalnog iznosa U=±22V. Priključnice 1 i 5 koriste se za otklanjanje debalansa odnosno nesimetrije koja je prisutna u realnim pojačalima. Kada se priključnice 2 i 3 spoje na zajedničku točku 0 izlazni napona morao bi biti jednak 0. Kod realnog pojačanja na izlazu postoji mali napon reda nekoliko [mV] da bi se podesio na nulu potrebno je načiniti spoj prema slici:

Operacijska pojačala koriste se za:1. Realizaciju invertirajućeg i neinvertirajućeg pojačala2. kod aktivnih RC filtara 3. kod stabilizatora napajanja generatora4. u generatorima raznih napajanja 5. u mjernim instrumentima 6. kod A/D i D/A pretvarača

Operacijska pojačala koriste se u sklopovima sa jakom negatvnom povratnom vezom koja se realizira sa pasivnim komponentama. Zbog visokog pojačanja svojstva sklopa ovise o elementima u povratnoj vezi, zato se sa operacijskim pojačalima mogu dobiti sklopovi vrlo dobrih i stabilinih svojstva.

47

1. INVERTIRAJUĆE POJAČALO

iz (2)

za

48

PR

PR

Na ulazu operacijskog pojačala postoji virtualni ili prividni kratki spoj. Napon između priključnica je skoro nula, ali je ulazni otpor beskonačno velik.

2. NEINVERTIRAJUĆE POJAČALO

49

za

3. NAPONSKO SLJEDILOZa realizaciju aktivnih RC fitera i za odvajanje stupnjeva pojačala potrebno je imati pojačalo sa pojačavanjem ''1'', velikim ulaznim otporom i malim izlaznim otporom. Ovaj sklop dobiva se iz neinvertirajučeg pojačala takoda je R2=0 i R1 teži u ∞

Sklop se zove naponsko sljedilo zato što izlazni napon sljedi ulazni po iznosu i fazi.

za

za

50

4. SKLOP ZA ZBRAJANJE S INVERTIRAJUĆIM POJAČALOM

U slučaju da su ulazni naponi sinusne veličine koristi se fazorski račun

PR

51

5. SKLOP ZA ZBRAJANJE SA NEINVERTIRAJUĆIM POJAČALOM

1)

2)

52

6. SKLOP ZA DOBIVANJE RAZLIKE ULAZNIH SIGNALA

1) za

2) za

53

7. SKLOP ZA DERIVIRANJE

PR

54

+

uiz

C

R

+

+

uul

i1

i2

~0

8. SKLOP ZA INTEGRIRANJE

9. KOMPARATOR

55

PRIJENOSNA KARAKTERISTIKA

56

TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (FET)

FET (field efekt transistor) = tranzistor sa efektom polja, unipolarni tranzistor sa efektom polja. Struju im čini samo jedna vrsta naboja, ili elektroni ili šupljine.Dvije osnovne skupine:

1. JEFT (junction field efekt transistor) = spojni tranzistor sa efektom polja. Može biti P i N kanalni.

2. IGFET (insulated gate field efekt transistor) = tranzistor s efektom polja i izoliranom upravljačkom elektrodom. MOSFET (metal oxide semiconductor field efekt transistor).Može biti: - N-kanalni (obogačeni i osiromašeni),

- P-kanalni (obogačeni i osiromašeni).

Elektrode:S – (source) – uvodD – (drain) – odvodG – (gate) – vrata (upravljačka elektroda)

FET-ovi imaju jako velik ulazni otpor pa u nadomjesnoj shemi malih signala imaju naponom upravljan strujni izvor.

1. IZVEDBA I PRINCIP RADA JFET – A

1. UDS=0,

57

Napon UGS pri kome se lijeva i desna barijera dotaknu zove se napon praga, označava se sa UGS0 i daje se u katalogu proizvođača za pojedini tip tranzistora.

2. UGS=0

δ – širina kanala (vrlo mali broj)

Porastom napona UDS struja ID raste skoro linearno. Kada struja ID naraste do određenog iznosa dolazi praktički do dodira lijeve i desne barijere. Sa daljnjim povećavanjem napona UDS struja ID više ne raste nego ostaje konstantana.

Napon UDS pri kome dolazi do dodira dodira lijeve i desne barijere zove se napon dodira, označava se sa UP (pinch voltage) i daje se u katalogu proizvođača.

Simbol

- N-kanalni JFET - P-kanalni JFET

Shema za snimanje izlaznih karakteristika prikazana je na slici:

LABORATORIJSKI IZVOR

58

0p GSU U

Izlazne karakteristike snimaju se na sljedeći način:1. Sa P1 podesi se napon UGS

2. Sa P2 mjenja se UDS i očitava se struja ID

3. Ponoviti mjerenje pod 2. sa drugim naponom UGS

1.

2.

Maksimalna vrijednost struje ID pri naponu UGS=0 označava se IDSS i daje se u katalogu proizvođača.

U izlaznim karakteristikama očitava se: statički radni pravac (SRP), radna točka Q, dinamički radni pravac (DRP) i hiperbola snage. Iz izlaznih karakteristika može se očitati dinamički radni otpor.

1. Dinamički izlazni otpor:

2. Strmina

Nadomjesna shema za režim malih signala prikazana je na slici:

59

8

6

4

2

12

5 10 15 UDS

ID[mA]

UGS=0[V]

ICQ

UGS=-1[V]

UGS=-2[V]

UGS=-3[V]

UGS=-5[V]UGS=-4[V]

2. IZVEDBA I PRINCIP RADA IGFET–A (MOSFET)

- N-kanalni MOSFETobogačeni tip(enhancened type)

- N-kanalni MOSFET - P-kanalni MOSFET

Silicijska podloga je P-tip sa niskom koncentracijom primjesa. Na nju su nanesene dvije zone N+ tipa i na njima su priključci za elektrode D i S. Između D i S nanesen je tanki sloj silicijevog dioksida koji je izolator, a na njega je vezana metalna upravljačka elektroda G. Pozitivni napon UGS stvara u sloju podloge između D i S vodljivi kanal kojim teče struja ID. Struju čine samo elektroni pa se zato ovaj tip zove N-kanalni MOSFET. Uz veći napon UGS vodljivi kanal je širi pa uz isti napon UDS teče ista struja ID.

Kod osiromašenog MOSFET-a vodljivi kanal načinjen je još u toku procesa proizvodnje. Prema tome ovaj tip tranzistora vodi struju i pri naponu UGS=0.

60

N-kanalni MOSFET P-kanalni MOSFETosiromašeni tip osiromašeni tip(depletion type)

61