Diody, tranzystory, tyrystory

Diody, tranzystory, tyrystory
Materiały pomocnicze do zajęć.
Złącze PN stanowi podstawę diod półprzewodnikowych.
Rozpatrzmy właściwości złącza poddanego napięciu. Na poniŜszym rysunku pokazano złącze
PN, którego półprzewodnik typu N został połączony z dodatnim, a półprzewodnik typu P z
ujemnym biegunem źródła napięcia. Dodatkowo pole elektryczne wytworzone przez źródło
napięcia jest skierowane zgodnie z polem ładunków przestrzennych – bariera potencjału
zostaje przez to zwiększona, co jeszcze bardziej utrudnia dyfuzję.
Rysunek przedstawia działanie zaporowe złącza:
a) układ połączeń (1 – jon donorowy, 2 – jon akceptorowy); b) wykres
b) potencjału przy wyłączniku w otwartym (3) i zamkniętym (4)
Zjawisko to moŜna wytłumaczyć w ten sposób, Ŝe biegun dodatni źródła odciąga elektrony
obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza, wobec czego w
strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego, pozostają tylko jony nie
przenoszące ładunku. Mówimy, Ŝe przy takim połączeniu złącze działa zaporowo. W
kierunku zaporowym moŜe płynąć minimalny prąd, zwany prądem wstecznym. Gdy na
odwrót połączymy półprzewodnik typu P z dodatnim, a półprzewodnik typu N z ujemnym
zaciskiem źródła napięcia, wówczas pole wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane
przeciwnie do pola do pola warstwy zaporowej.
Rysunek przedstawia złącze w stanie przewodzenia:
a) układ połączeń (1 – jon donorowy, 2 – jon akceptorowy); b) wykresy
potencjału przy włączniku w otwartym (3) i zamkniętym (4)
Wtedy bariera potencjału zostanie obniŜona, co wyraźnie ułatwia dyfuzję. Elektrony
półprzewodnika typu P są odpychane przez biegun ujemny źródła w kierunku warstwy
zaporowej i mogą łatwo przekroczyć barierę potencjału. Natomiast dziury półprzewodnika
typu N są odpychane przez biegun dodatni źródła w kierunku złącza. Szerokość warstwy
jonów ulega zmniejszeniu.
Przy takim połączeniu złącza przepływ prądu jest ułatwiony. Kierunek od obszaru P do N
nazywamy kierunkiem przewodzenia, a kierunek od obszaru N do P – kierunkiem
zaporowym lub wstecznym. Przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, jeŜeli obszar
ładunku przestrzennego jest szeroki, to nośniki ładunku przechodząc przez ten obszar
nabierają duŜej energii. Przy odpowiednio duŜej wartości napięcia wstecznego, poruszające
się nośniki zderzają się z elektronami znajdującymi się w siatce krystalicznej, przekazując
im swoją energię. W wyniku tego elektrony te opuszczają siatkę krystaliczną, stając się
elektronami swobodnymi. Są one znów przyspieszane i mogą wygenerować dalsze. Proces
nabiera charakteru lawinowego.
Wskutek jonizacji lawinowej następuje bardzo duŜy wzrost liczby przepływających
elektronów, a więc bardzo duŜy wzrost prądu.
Na poniŜszym rysunku przedstawiono zaleŜność prądu I złącza PN od przyłoŜonego napięcia
U, czyli jego charakterystykę prądowonapięciową.
Przebieg tej charakterystyki wynika ze zjawisk opisanych powyŜej.
Rysunek przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową diody krzemowej
Widać, Ŝe złącze PN umoŜliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku – w kierunku
przewodzenia. Po przekroczeniu tzw. napięcia progowego U(TO) (dla krzemu wynosi ono
ok. 0,7V, a dla germanu ok. 0,2V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko. Natomiast
przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały – wiele tysięcy razy mniejszy
niŜ w kierunku przewodzenia. Mówimy, śe złącze PN ma wartości prostownicze. Przy
duŜym napięciu wstecznym (po przekroczeniu tzw. napięcia przebicia U(BR)) rozpoczyna się
zjawisko przebicia lawinowego, a więc szybkie narastanie prądu przy prawie stałym
napięciu na diodzie. MoŜe to spowodować zniszczenie diody, jeŜeli nie ograniczy się prądu
przez włączenie szeregowo dodatkowej rezystancji.
Charakterystyki złączy PN znacznie zaleŜą od temperatury. Przede wszystkim ze zmianami
temperatury zmienia się prąd wsteczny.
W przybliŜeniu zwiększa się on ok. dwukrotnie przy wzroście temperatury o 10K. Zmiany
prądu są rzędu 5% przy zmianach temperatury o 1K. Obecnie diody półprzewodnikowe
wykonuje się prawie wyłącznie z krzemu, rzadziej z germanu, jako diody ostrzowe i
warstwowe.
Diody ostrzowe mają małą obciąŜalność prądową, ale mogą pracować przy wielkich
częstotliwościach (do kilkunastu gigaherców).
Diody warstwowe wytwarzane są głównie z krzemu. Prądy przewodzenia tych diod wynoszą
nawet do kilku tysięcy amperów, a napięcie wsteczne do kilku tysięcy woltów.
Diody uniwersalne charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć
wstecznych (do kilkuset woltów) i prądów przewodzenia (do kilkuset miliamperów).
Częstotliwość ich pracy nie przekracza kilkudziesięciu megaherców. Łącząc taką diodę z
rezystorem otrzymuje się najprostszy stabilizator napięcia.
Diody pojemnościowe (warikap) wykorzystują pojemność złącza PN przy jego polaryzacji
w kierunku zaporowym. Pojemność ta, rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu pikofaradów,
zaleŜy od napięcia. Diody te stosuje się np. w odbiornikach radiowych do dostrajania
częstotliwości (układy tzw. automatycznej regulacji częstotliwości ARCz), w głowicach
telewizyjnych do zmiany i dostrajania kanałów itp.
Tranzystor bipolarny jest to element półprzewodnikowy o dwóch złączach PN i np.,
wykonanych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy zachodzące w jednym złączu
oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury, o czym
świadczy przymiotnik : bipolarny. MoŜliwe jest przy tym dwojakie uszeregowanie obszarów
o róŜnym typie przewodnictwa: PNP (pierwszy rysunek) i NPN (drugi rysunek), dające dwa
przeciwne
typy
tranzystorów.
N P
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o
polaryzacji PNP
N
Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o
polaryzacji NPN
Zasada ich działania jest jednakowa, róŜnice występują tylko w kierunku zewnętrznych
źródeł napięcia i w kierunkach przepływu prądów.
W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika stykające się z
elektrodami są oznaczone: E – emiter, C – kolektor, B – baza.
W tranzystorach unipolarnych – nazywanych teŜ tranzystorami polowymi – wykorzystuje
się zmiany prądu płynącego przez płytkę półprzewodnika typu N lub P, wywołane
poprzecznym polem elektrycznym Tranzystory te dzieli się na dwie zasadnicze grupy:
tranzystory polowe złączowe FET (z ang. Field-Effect Transistor – co znaczy tranzystor
wykorzystujący efekt polowy) i tranzystory polowe z izolowaną bramką MOS, MOSFET
(z ang Metal-Oxide Semiconductor – co znaczy metal-tlenek półprzewodnik). Rozpatrzmy
zasadę działania tranzystora FET.
Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: przepływ prądu przez płytkę
półprzewodnikową
Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: zwęŜenie kanału i zmiana jego
konduktancji przez napięcie bramki
Płytka półprzewodnika typu P (lub N) po dołączeniu źródła napięcia przewodzi prąd, a jej
konduktancja jest tym większa, im więcej jest atomów domieszki. JeŜeli dołączymy do
elektrody S, zwanej źródłem, dodatni biegun źródła napięcia UDS, a do elektrody D, zwanej
drenem, biegun ujemny, to dziury będą się przemieszczać w kierunku drenu. Warstwa
półprzewodnika, w której odbywa się przepływ ładunków nazywa się kanałem. Gdyby
płytka była wykonana z półprzewodnika typu N, to prąd byłby wywołany przepływem
elektronów. NaleŜałoby wówczas zamienić biegunowość źródła napięcia UDS. Zgodnie z
prawem Ohma, przy stałej wartości napięcia UDS, prąd płynący przez płytkę moŜna zmienić
przez płytkę moŜna zmieniać przez zmianę konduktancji kanału. Konduktancję tę zmienia
się za pomocą pola elektrycznego. Na powierzchnię płytki nakłada się elektrodę sterującą
G, zwaną bramką. JeŜeli do bramki G doprowadzimy napięcie dodatnie względem źródła S,
to złącze PN, powstałe między bramką a kanałem, będzie odpychać dziury zdąŜające do
drenu, gdyŜ jest ono polaryzowane zaporowo. Nastąpi zwęŜenie kanału, co utrudni przepływ
dziur. Napięcie bramki UGS zwęŜa więc kanał i zwiększa jego rezystancję.
TYRYSTORY
Tyrystor jest to element półprzewodnikowy o trzech złączach wykonanych w jednej
płytce półprzewodnika typu P lub N. Ma on trzy elektrody: katodę K, bramkę G i anodę
A
Rysunek przedstawia symbol graficzny tyrystora
Pod względem działania moŜna go uwaŜać za diodę półprzewodnikową sterowaną.
Przewodzi on prąd jednokierunkowo, tj. od anody do katody. Elektrodą sterującą jest bramka.
Z punktu widzenia uŜytkownika tyrystor jest wyłącznikiem w, zamykanym za pomocą
dodatniego prądu bramki.
Schemat budowy tyrystora przedstawiono poniŜej. Na płytkę półprzewodnikową typu P,
oznaczoną na rysunku przez P1, nałoŜono warstwy półprzewodnikowe N1, N2, a następnie na
N2 warstwę P2. Złącza między nimi oznaczono przez z1 (N1P1), z2 (P1N2) i z3 (N2P2).
Elektroda zewnętrzna P2 stanowi anodę, a elektroda N1 - katodę.
Rysunek przedstawia budowę tyrystora i schemat jego włączania
JeŜeli do anody doprowadzimy zacisk (-) ze źródła napięcia, a do katody zacisk (+), to prąd w
tym obwodzie nie popłynie, bo złącza z1 i z3 będą działać zaporowo. JeŜeli natomiast anodę
połączymy z zaciskiem (+), a katodę z zaciskiem (-) źródła napięcia przez zamknięcie
wyłącznika w1 (na powyŜszym rysunku) przy otwartym wyłączniku w2, to złącze z2 będzie
działać zaporowo i prąd równieŜ nie popłynie. Układ złączy moŜemy traktować jako
tranzystor o bazie P1. doprowadzając niewielkie napięcie między bazę P1 a katodę N1, która
odgrywa rolę emitera, moŜemy zniweczyć zaporowe działanie warstwy z2. Po zamknięciu
wyłącznika w2, przy zamkniętym wyłączniku w1, zaobserwujemy odchylenie wskazówki
amperomierza.
Na tym polega działanie sterujące tyrystora. Elektroda P1, nazywana bramką, jest elektrodą
sterującą