ROZDZIAŁ VI: Przyrządy półprzewodnikowe Temat 31: Dioda

ROZDZIAŁ VI: Przyrządy półprzewodnikowe Temat 31: Dioda

ROZDZIAŁ VI: Przyrz dy półprzewodnikowe
Temat 31: Dioda Zenera - budowa i zasada działania.
Przy polaryzacji diody półprzewodnikowej w kierunku zaporowym wyst puje zakres silnego
wzrostu pr du. W konwencjonalnych diodach prostowniczych, o słabym domieszkowaniu
obszaru n, napi cia odpowiadaj ce temu zakresowi s du e, rz du dziesi tków i setek, a nawet
tysi cy woltów. W diodach o silniejszym domieszkowaniu napi cia przebicia s mniejsze,
mog by nawet rz du kilku lub kilkunastu woltów. Przyczyn wzrostu pr du w diodach
bardzo silnie domieszkowanych jest efekt Zenera, a w diodach słabiej domieszkowanych —
przebicie lawinowe. Obydwa rodzaje przebi nie powoduj zniszczenia diody, pod warunkiem
e nie nast puje zbytnie przegrzanie zł cza na skutek wydzielania si du ej mocy. W zakresie
przebicia dioda charakteryzuje si bardzo mał rezystancj dynamiczn (przyrostow ). Du ym
zmianom pr du I odpowiadaj bardzo małe zmiany napi cia (rys. 31.1). Jest to
reprezentowane rezystancj rz w uproszczonym schemacie zast pczym diody (rys. 31.1b).
Przesuni cie charakterystyki diody przy przebiciu reprezentuje ródło napi ciowe Uz. Efekt
przebicia mo e by wykorzystany do stabilizacji napi cia stałego. W układzie stabilizatora (rys.
31.2a) z diod Zenera DZ (stabilitronem) napi cie wej ciowe U1 (rys. 31.2b) jest wi ksze od
napi cia przebicia, tak e przez rezystor R1 przepływa pr d wi kszy od pr du obci enia
pr du przepływa przez diod Zenera. Dla
płyn cego przez rezystor R2. Pozostała cz
zapewnienia stabilizacji przy zmianach obci enia, jak te napi cia wej ciowego, układ
projektuje si w taki sposób, aby przez diod płyn ł zawsze taki pr d, przy którym napi cie na
diodzie niewiele si zmienia. Obecnie produkuje si diody Zenera umo liwiaj ce
stabilizowanie napi
o warto ci od woltów do kilkuset woltów, przy mocach od kilkuset
miliwatów do kilku watów.
Rys.31.1. Charakterystyki statyczne diody Zenera (stabilitronu): a) rzeczywista; b) uproszczona.
Do głównych parametrów diody Zenera nale :
Rys.31.2. Układ stabilizatora z diod Zenera: a) schemat
układu, b) charakterystyki robocze.
napi cie znamionowe stabilizacji
UZ i pr d przy tym napi ciu IZ,
rezystancja
dynamiczna
(przyrostowa) dla punktu pracy
IZ, UZ.
współczynnik
temperaturowy
zmiany napi cia stabilizacji uz,
dopuszczalne straty mocy PZ max.
Temat 32: Diody pojemno ciowe i impulsowe.
Głównym zadaniem diod impulsowych (przeł czaj cych) jest przepuszczanie pewnych
impulsów elektrycznych, a zatrzymanie innych. Od diod impulsowych wymaga si , aby w jak
najmniejszym stopniu zniekształcały przepuszczane impulsy. Maj one bardzo mały pr d
wsteczny i du konduktancj w kierunku przewodzenia. Mo na je równie obci y du ymi
mocami impulsowymi.
Zaliczamy do nich diody:
tunelowe,
ładunkowe,
ostrzowe,
Schottky`ego.
Diody impulsowe wykorzystywane s w układach:
cyfrowych do przeł czania sygnałów,
w układach powielaczy (w zakresie cz stotliwo ci mikrofalowych),
ultraszybkich przeł czników,
przemiany cz stotliwo ci,
ograniczników i modulacji.
Charakterystycznymi parametrami diod przeł czaj cych s :
pojemno diody – C,
napi cie przewodzenia – UF,
pr d wsteczny – IR,
czas ustalania si pr du wstecznego – trr.
Parametrem granicznym diody przeł czaj cej jest maksymalne napi cie wsteczne – URWM.
Diody pojemno ciowe (warikapy i waraktory) pracuj przy polaryzacji zaporowej,
charakteryzuj c si zmienn pojemno ci w funkcji przyło onego napi cia. S zwane niekiedy
diodami parametrycznymi. Warikapy stosuje si do przestrajania obwodów rezonansowych,
waraktory natomiast w układach parametrycznych, we wzmacniaczach lub powielaczach
cz stotliwo ci.
Parametrami charakterystycznymi diod pojemno ciowych s :
pr d wsteczny - IR, przy okre lonym napi ciu zaporowym;
pojemno zł cza - Cj, przy okre lonym napi ciu wstecznym (typow charakterystyk
diody pojemno ciowej jest zale no pojemno ci od przyło onego napi cia);
stosunek pojemno ci minimalnej Cmin do maksymalnej Cmax, przy dwóch ró nych
napi ciach wstecznych (bliskim zeru i warto ci maksymalnej);
rezystancja szeregowa - rs, przy okre lonym napi ciu wstecznym, lub dobro - Qc
(podaje si dla warikapów);
maksymalna cz stotliwo - fc (podaje si dla waraktorów).
Do parametrów granicznych nale :
• maksymalne napi cie wsteczne - URWM,
• maksymalny pr d przewodzenia - I0 (dla warikapów);
• maksymalna moc - Ptot (dla waraktorów).
Temat 33: Tranzystor bipolarny – budowa i zasada działania.
Tranzystor jest elementem wzmacniaj cym sygnały elektryczne. Składa si on z dwóch
zł czy PN, poł czonych szeregowo.
Rys.19.1. Budowa , sposób polaryzacji i symbol graficzny: a) tranzystora typu NPN;
b) tranzystora typu PNP; E – emiter; B – baza; C – kolektor.
Zjawiska zachodz ce w jednym zł czu maj wpływ na drugie zł cze i odwrotnie. Zł cza
s umieszczone w hermetycznej obudowie z trzema wyprowadzeniami poszczególnych
warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem (E) i
kolektorem (C), a rodkow – baz (B). W zale no ci od typu półprzewodnika (N czy
P) tworz cego baz rozró niamy tranzystory typu NPN lub PNP.
ZASADA DZIAŁANIA TRANZYSTORA NPN.
Tranzystor nie przewodzi (jest zatkany), poniewa napi cie
UB’ polaryzuje zaporowo zł cze PN (baza – emiter). Zł cze
górne kolektor – baza jest równie spolaryzowane zaporowo
przez napi cie (UB’+UCE).
W wyniku zaporowej polaryzacji obu zł czy tranzystora
ładunki dodatnie (dziury) gromadz si w rodku bazy, gdy
s odpychane przez pole elektryczne kolektora i emitera, a
ładunki elektryczne ujemne (elektrony) gromadz si w
kolektorze i emiterze, z dala od bazy. Na skutek tego przez
oba zł cza PN pr d nie płynie, a zatem tranzystor nie
przewodzi (jest zablokowany, zatkany).
Po zmianie kierunku napi cia zasilaj cego obwód bazy
tranzystora, zł cze baza – emiter b dzie spolaryzowane w
kierunku przewodzenia. ródło napi cia zasilaj cego obwód
kolektora jest tak wł czone, e zł cze baza – kolektor jest
spolaryzowane zaporowo. Kolektor przyci ga wszystkie
ładunki swobodne ujemne znajduj ce si w obszarze bazy, a
odpycha ładunki dodatnie. Poniewa baza jest wykonana z
półprzewodnika typu P, to mo na zało y , e normalnie nie ma w niej elektronów
swobodnych i przez zł cze baza – kolektor pr d nie płynie. W przypadku dodatniego
spolaryzowania zł cza baza – emiter przewodzi ono pr d. Elektrony z emitera
przechodz do bazy, a poniewa baza jest bardzo cienka, to natychmiast dostaj si w
pole przyci gania kolektora i wskutek tego zł cze baza – kolektor przewodzi pr d.
Rys.19.2. Klasyfikacja tranzystorów.
Rys.19.3. Przykłady tranzystorów: a) małej mocy; b) redniej mocy; c) du ej mocy.
1 – radiator.
Temat 34: Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego.
Z zasady działania tranzystora wynikaj trzy podstawowe mo liwo ci jego sterowania.
Pr d kolektora mo e by zmieniany przez zmian pr du emitera, pr du bazy lub napi cia
mi dzy emiterem i baz . Dla dobrego odbierania no ników mniejszo ciowych z bazy napi cie
mi dzy kolektorem i baz powinno polaryzowa zł cze kolektor-baza w kierunku zaporowym.
Dopóki tak jest, zmiany napi cia na kolektorze niewiele wpływaj na pr d kolektora,
szczególnie przy sterowaniu tranzystora pr dem emitera (układ W B). Odpowiada to zakresowi
dodatnich napi mi dzy kolektorem i baz (rys. 34.1a). Zmniejszenie napi cia na zł czu
kolektor-emiter, przy spolaryzowaniu go w kierunku przewodzenia, powoduje zmniejszenie
pr du kolektora, mimo utrzymywania stałego pr du emitera. Kolektor przestaje wówczas
odbiera no niki wprowadzone przez emiter i staje si tak e ródłem wprowadzaj cym no niki
do bazy. Zakres, w którym zł cze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a
zł cze kolektor-baza zaporowo, nazywa si zakresem aktywnym. Zakres, w którym przewodzi
zł cze kolektor-baza, przy przewodz cym drugim zł czu, nazywa si zakresem nasycenia.
Podobne zakresy wyst puj przy sterowaniu pr dem bazy (rys. 34.1b), przy czym zł cze
kolektor-baza zaczyna przewodzi ju przy dodatnich napi ciach miedzy kolektorem i
emiterem (UCE > UCEs, gdzie CES jest napi ciem nasycenia). Nale y zwróci uwag na to, e
nachylenie charakterystyk tranzystora dla układu
WE jest wi ksze ni
dla układu WB.
Charakterystyki
te
nazywaj
si
charakterystykami
kolektorowymi;
parametrem jest pr d steruj cy. Charakterystyki
pr du emitera maj kształt podobny do
charakterystyk diody; wyst puj ce zmiany pr du
emitera pod wpływem napi cia mi dzy
kolektorem i emiterem s spowodowane zmian
szeroko ci obszaru przelotowego bazy. Zmiany
szeroko ci obszaru przelotowego bazy pod
wpływem napi cia mi dzy kolektorem i baz
wpływaj
tak e nieco na charakterystyki
kolektorowe, co zaznacza si w postaci
niewielkiego nachylenia charakterystyk w
zakresie aktywnym (rys. 34.1c).
Na rysunkach przedstawiaj cych charakterystyki
statyczne tranzystora nie pokazano ogranicze
mocowych i napi ciowych.
Rys.34.1. Charakterystyki statyczne tranzystora
bipolarnego:
a) w układzie WB;
b) w układzie WE;
c) wej ciowe układu WB.
Temat 35: Podstawowe parametry tranzystora bipolarnego.
Parametry okre laj ce wła ciwo ci tranzystorów dzieli si na: graniczne, charakterystyczne i
maksymalne.
Parametry graniczne okre laj warto ci np. napi czy pr dów, których przekroczenie mo e
spowodowa uszkodzenie lub zniszczenie tranzystora.
Parametry charakterystyczne albo rednie s zalecane przez wytwórc jako optymalne.
Rozró nia si parametry statyczne i parametry dynamiczne.
Parametry maksymalne s najwi kszymi warto ciami np. pr dów lub napi , których
osi gni cie nie grozi uszkodzeniem tranzystora.
Parametry dynamiczne informuj o wła ciwo ciach diody czy tranzystora w wybranym
punkcie pracy przy wysterowaniu tranzystora przemiennym napi ciem lub pr dem.
Parametry statyczne okre laj zale no ci pomi dzy napi ciami stałymi a pr dami stałymi
doprowadzonymi do tranzystora. Parametry te umo liwiaj wybranie odpowiedniego punktu
pracy tranzystora.
Podstawowymi parametrami statycznymi tranzystorów s :
UCBRmax - maksymalne dopuszczalne napi cie stałe kolektor-baza, doprowadzone w kierunku
wstecznym zł cza, przy pr dzie emitera równym zeru, nie powoduj ce przy
długotrwałej pracy zmniejszenia niezawodno ci poni ej danej warto ci;
UEBRmax - maksymalne dopuszczalne napi cie stałe emiter-baza, doprowadzone w kierunku
wstecznym, przy pr dzie kolektora równym zeru, nie powoduj ce zmniejszenia
niezawodno ci poni ej danej warto ci;
UCERmax - maksymalne dopuszczalne napi cie stałe kolektor-emiter, doprowadzone w kierunku
wstecznym, przy pr dzie bazy równym zeru, nie powoduj ce zmniejszenie
niezawodno ci poni ej danej warto ci.
Parametry te okre laj równocze nie warto ci napi przebicia zł czy kolektor-baza, emiterbaza i kolektor-emiter. Cz sto s one podawane jako warto ci napi maksymalnych pomi dzy
poszczególnymi elektrodami tranzystora.
Np.: dla tranzystorów krzemowych BFS10 w temp. 25°C
UCBRmax = 30 V, UEBRmax = 5 V, UCBRmax = 30 V
Dla pracy tranzystora przy du ych sygnałach wa ny jest parametr UCE sat - ~ napi cie
nasycenia (szcz tkowe) kolektor-emiter przy okre lonych warto ciach pr du bazy i pr du
kolektora; pr d kolektora jest tu ograniczany przez obwód zewn trzny.
Warto
napi cia nasycenia ogranicza zakres roboczy tranzystora.
Np. dla tranzystora BF 510 UcEsat = IV
Bardzo wa nymi parametrami statycznymi s równie :
ICBO - zerowy pr d kolektora, przy okre lonym wstecznym napi ciu na zł czu kolektor-baza i
pr dzie emitera równym zeru (odł czony emiter),
IEBO - zerowy pr d emitera, przy okre lonym wstecznym napi ciu na zł czu emiter-baza i
pr dzie kolektora równym zeru (odł czony kolektor).
Pr dy zerowe tranzystora okre laj jego jako dla ró nych jego zastosowa . Pomiary warto ci
tych pr dów pozwalaj stwierdzi , czy tranzystor jest dobry czy uszkodzony oraz czy jest
stabilny w czasie. Pr dy zerowe uzale nione s od temperatury i wzrastaj wraz z ni .
Np. dla tranzystora BF 510
ICBO = 0,5 A (przy UCB = 6 V i w temp. 25°C),
ICBO = 100 A (przy UCB = 6 V i w temp. 150°C).
Temat 36: Stany pracy tranzystora.
Tranzystor jest elementem wzmacniaj cym sygnały elektryczne, składaj cym si z
dwóch zł czy PN poł czonych szeregowo. Dlatego te polaryzuj c odpowiednio te
zł cza mo na wyró ni cztery stany pracy tranzystora:
Stan pracy tranzystora
Zatkany
Polaryzacja zł cza
emiter - baza
kolektor - baza
zaporowy
zaporowy
Przewodzenia aktywnego
przewodzenia
zaporowy
Nasycenia
przewodzenia
przewodzenia
Przewodzenia inwersyjnego
zaporowy
przewodzenia
W zale no ci od rodzaju układu, w którym pracuje tranzystor, musi by odpowiednio
spolaryzowany:
• układy analogowe – praca w stanie aktywnym;
• układy cyfrowe – praca w stanie zatkania lub nasycenia.
Na rysunku 36.1 przedstawiony został obszar pracy aktywnej tranzystora w konfiguracji OB i
OE. Jest on ograniczony od góry maksymalnym pr dem kolektora, a od dołu pr dem zerowym,
płyn cym przez tranzystor w danym układzie (poni ej znajduje si obszar zatkania). Ze strony
lewej ograniczenie stanowi obszar nasycenia, a z prawej - krzywa (hiperbola) Pa = UI, która
okre la maksymaln moc, jaka mo e by wydzielona w tranzystorze, i warto napi cia
przebicia.
Rys.36.1. Obszary pracy tranzystora w układzie: a) OB.; b) OE.
Temat 37: Tranzystor PNFET - budowa i zasada działania.
W tranzystorach unipolarnych mi dzy elektrodami płynie głównie pr d no ników jednego
rodzaju, pr d no ników wi kszo ciowych. S dwa rodzaje tranzystorów unipolarnych.
Najstarszym jest tranzystor unipolarny zł czowy, oznaczony jako JFET (angielska nazwa
Junction Field Effect Transdstor - tranzystor zł czowy z efektem polowym). Nowszym
technologicznie typem jest tranzystor unipolarny z izolowan bramk oznaczany jako
IGFET lub MOSFET (angielska nazwa Insulated Gate Field Effect Transister). Obecnie dzi ki
opracowaniu nowych technologii tranzystory typu IGFET (MOSFET) znalazły szerokie zastosowanie w układach cyfrowych. Układy wielkiej skali integracji (LSI — Large Scal
Integration), takie jak pami ci, rejestry, liczniki, procesory wykonuj ce działania matematyczne
i przetwarzaj ce sygnały elektryczne, s teraz małymi kostkami zawieraj cymi wiele tysi cy
tranzystorów.
ZASADA DZIAŁANIA:
Na rys. 37.1 przedstawiono przekrój uproszczonej budowy tranzystora JFET z kanałem typu n.
Wyró niono trzy elektrody: ródło S (ang. Source), dren D (ang. Drain), znajduj ce si na
dwóch przeciwległych ko cach płytki półprzewodnika typu n (kanały), oraz bramka steruj ca
G (ang. Gate), które tworz dwa obszary półprzewodnika p. Do wytłumaczenia działania tranzy
stora JFET dogodnie jest posługiwa si jego uproszczonym schematem zast pczym (modelem
dwuwymiarowym). ródło i
dren s spolaryzowane tak,
aby umo liwi przepływ pr du
no ników wi kszo ciowych
przez kanał n w kierunku od
ródła do drenu. Sterowanie
strumienia no ników nast puje
po
.przyło eniu
mi dzy
bramk
i
ródło napi cia
polaryzuj cego zł cza bramkakanał (p-n) w kierunku
zaporowym. Domieszkowanie
obszaru p jest znacznie
silniejsze ni domieszkowanie
kanału n i dlatego prawie cały
obszar ładunku przestrzennego
zł cza zwi ksza si w gł b kanału. Pole elektryczne w tych obszarach jest tak skierowane, e
nie przepływaj przez nie no niki wi kszo ciowe, które s koncentrowane w cz ci kanału nie
obj tej obszarem ładunku przestrzennego. Jak wida napi ciem bramki mo e by dokonywana
zmiana szeroko ci kanału przepływowego, a wi c zmiana rezystancji mi dzy ródłem S i
drenem D. Mo liwe jest zw anie i rozszerzanie przekroju strumienia ładunku za pomoc
trzeciej elektrody – bramki steruj cej G.
Temat 38: Tranzystor PNFET - charakterystyki i podstawowe parametry
Rys.38.1. Charakterystyki statyczne tranzystora unipolarnego JFET: a) drenowa (wyj ciowa) – zale no
pr du drenu (ID) od napi cia dren- ródło (UDS), przy stałym napi ciu bramka- ródło (UGS);
b) bramkowa (przej ciowa) - zale no pr du drenu (ID od napi cia bramka- ródło (UGS), przy stałym
napi ciu dren- ródło (UDS) .
Charakterystyki statyczne tranzystora polowego JFET pokazano na rys. 38.1. Przy
ustalonym napi ciu mi dzy bramk i ródłem, np. UGS = O V, pocz tkowe zwi kszanie
napi cia mi dzy drenem i ródłem od zera powoduje wzrost pr du drenu, podobnie jak w
zwykłym rezystorze, z tym jednak, e wzrost pr du jest wolniejszy (charakterystyk
odpowiednio dobranego rezystora zaznaczono lini prost ). Nast pnie dalsze zwi kszanie
napi cia (dodatniego) mi dzy drenem i ródłem powoduje wyra ne zmniejszenie szeroko ci
kanału przepływowego no ników, szczególnie zaw a si obszar II i jednocze nie rozszerza w
kierunku drenu. Powoduje to wzrost rezystancji mi dzy ródłem i drenem. Wybrana
charakterystyka statyczna coraz silniej si zakrzywia. Dla pewnego napi cia, nazywanego
napi ciem odci cia kanału, obszary barier schodz si , a przy napi ciu mi dzy drenem i
ródłem wi kszym od napi cia odci cia obszar wspólnej bariery rozszerza si w kierunku
ródła. No niki płyn w pierwszej cz ci (obszar I) tak jak poprzednio, ale wchodz c w obszar
barier s ju ukształtowane w w ski strumie i transportowane w warunkach istnienia silnego
pola elektrycznego. Wówczas no niki te poruszaj si ze stał pr dko ci maksymaln i dalsze
zmiany napi cia i wzrost pola elektrycznego nie powoduj wyra nego przyrostu pr du.
Gwałtowny wzrost pr du nast puje wówczas, gdy zaczyna dominowa efekt lawinowy,
poniewa wówczas obszar barierowy jest długi. Typowe warto ci napi cia odci cia kanału s
zawarte w granicach l ... 6 V, a napi cia przebicia 20 ... 60 V (rys. 38.2.).
Rys.38.2. Charakterystyki drenowe tranzystora JFET
przy napi ciu na bramce jako parametrze.
Temat 39: Tranzystor MOSFET - budowa i zasada działania.
Na rys. 39.1. pokazano budow dwóch rodzajów tranzystorów IGFET. W słabo domieszkowane
podło e typu p wdyfundowane s obszary n o silnym domieszkowaniu. Mi dzy tymi obszarami
znajduje si kanał ze słabo domieszkowanego materiału typu n. Mo e te nie by adnego kanału
wbudowanego (rys. 39.1b). Bramka jest odizolowana od obszarów wdyfundowanych i podło a
warstw dwutlenku krzemu. Dzi ki istnieniu tej warstwy rezystancja wej ciowa bramki jest bardzo
du a, o warto ci rz du 1012....1014 . Podobnie jak w tranzystorach bipolarnych wykonuje si w tym
przypadku elementy komplementarne, w których podło e jest typu n. Dren i ródło stanowi obszary
typu p, kanał te mo e by wbudowany (typ p) poprzez wdyfundowanie.
Rys.39.1. Budowa tranzystora
unipolarnego IGFET z bramk izolowan :
a) z wbudowanym kanałem n;
b) z zaindukowanym kanałem n
W tranzystorach IGFET, nie maj cych kanału wdyfundowanego, transport no ników mi dzy ródłem i
drenem nast puje w obszarze pod powierzchni dwutlenku krzemu, gdzie w pewnych warunkach tak e
powstaje kanał. Sposób powstawania tego kanału jest ró ny w ró nych rodzajach tranzystorów IGFET.
W .niektórych typach tranzystorów kanał tworzy si dopiero wówczas, gdy napi cie bramki
przekroczy pewn warto progow .
ZASADA DZIAŁANIA.
Je eli do bramki zostanie przyło one
napi cie dodatnie, to powstanie kanał
wzbogacony, a je li ujemne — to
kanał zubo ony. W tranzystorze z
kanałem
wzbogaconym,
wzrost
napi cia UGS powy ej warto ci
napi cia progowego UT powoduje
powstanie kanału. Napi cie progowe
UT jest to napi cie, jakie nale y
Rys.39.2. Zmiany szeroko ci kanału
przyło y do bramki, aby powstała
pod wpływem napi cia na drenie
warstwa
inwersyjna.
Ka dy
przy stałym napi ciu na bramce:
a) w zakresie małych napi
na
nast pny przyrost napi cia UGS
drenie; b) w zakresie napi
powoduje
przyrost
ładunku
odpowiadaj cym
„zamkni ciu”
wprowadzanego przez bramk , który
kanału przy drenie; c) w zakresie
jest
kompensowany
ładunkiem
napi
po przekroczeniu napi cia
no ników powstaj cego kanału. W
UDSs.
tranzystorze z kanałem zubo onym,
B - podło e
wzrost napi cia UGS powoduje
silniejsze zubo enie kanału, a wreszcie przy pewnej jego warto ci, równej tzw. napi ciu odci cia
UGSoff, kanał zanika. Je eli napi cia UDS i UGS b d porównywalne, to pr d drenu b dzie zale ny
liniowo od napi cia UDS – kanał pełni wówczas funkcj rezystora liniowego (rys.39.2a). Dalszy wzrost
napi cia UDS powoduje, tak jak w tranzystorze zł czowym, spadek napi cia na rezystancji kanału. W
okolicy drenu nast puje wówczas zmniejszenie inwersji, a do całkowitego jej zaniku. Mówimy wtedy
o odci ciu kanału. Warto
nasycenia (rys.39.2b).
napi cia UDS, przy której nast puje odci cie kanału nazywamy napi ciem
Temat 20 : Tyrystory.
Tyrystor jest czterowarstwow diod półprzewodnikow (NPNP) sterowan . Ma on trzy
elektrody: katod (K), bramk (G) i anod (A). Elektrod steruj c jest bramka.
Tyrystor mo e przewodzi pr d jednokierunkowo, tj. od anody do katody.
Rys.20.1. Tyrystor: a) budowa; b) symbol graficzny.
G – bramka; K – katoda; A – anoda.
ZASADA DZIAŁANIA TYRYSTORA.
Zasad
działania tyrystora mo na
omówi w trzech kolejnych stanach
jego działania.
1. Do anody doł czono biegun ujemny
ródła pr du, a do katody dodatni. W
tym przypadku powstaj dwie szerokie
warstwy zaporowe. Tyrystor nie
Rys.20.2. Zmiany szeroko ci
przewodzi pr du elektrycznego. Na
warstwy zaporowej tyrystora
przy przeł czaniu do anody:
charakterystyce pr dowo – napi ciowej
a) minusa ródła pr du;
jest to zakres pracy oznaczony przez
b) plusa ródła pr du;
(a).
c) charakterystyka tyrystora.
2.
Do anody doł czono biegun dodatni
ródła pr du, a do katody ujemny. W
tyrystorze nast puje polaryzacja zł czy
1 i 3 w kierunku przewodzenia. Zł cze 2 jest spolaryzowane w kierunku zaporowym. Cały
spadek napi cia pojawia si na tym zł czu. Przepływ pr du przez tyrystor jest równie
zablokowany. Na charakterystyce jest to zakres pracy (b).
3.
-
Przy podnoszeniu napi cia na anodzie, po przekroczeniu napi cia krytycznego Uk,
nast puje narastanie pr du przy malej cym równocze nie napi ciu (c – rezystancja ujemna),
po czym tyrystor przechodzi w stan przewodzenia. Spadek napi cia na tyrystorze jest wtedy
niewielki (ok. 1,2V), a pr d w kierunku przewodzenia bardzo du y.
Tyrystory znajduj zastosowanie w nast puj cych układach:
sterownikach pr du stałego (zwanych inaczej prostownikami sterowanymi) –
stosowanych w stabilizatorach napi cia stałego i w automatyce silników pr du
stałego;
-
-
sterownikach pr du przemiennego – stosowanych w automatyce silników
indukcyjnych, w technice o wietleniowej i elektrotermii;
ł cznikach i przerywaczach (stycznikach) pr du stałego i przemiennego –
stosowanych w automatyce nap du elektrycznego, układach stabilizacji napi cia,
elektrotermii i technice zabezpiecze ;
przemiennikach cz stotliwo ci – stosowanych w automatyce silników
indukcyjnych, technice ultrad wi ków i w przetwornicach (np. pr du stałego na stały
o wy szym napi ciu lub pr du przemiennego na zmienny o innej cz stotliwo ci – w
urz dzeniach zasilaj cych);
rzadziej w układach impulsowych; w generatorach odchylania strumienia
elektronowego w kineskopach telewizorów kolorowych, w urz dzeniach
zapłonowych silników spalinowych (zapłon tyrystorowy) i w modulatorach impulsów
w radiolokacji ( o czasie trwania 0,1÷100 s)
Rys.20.3. Tyrystory: 1 – du ej mocy; 2 – małej mocy; 3 – z radiatorem,
4 – tyrystor symetryczny (triak). A – anoda; K – katoda; G – bramka; K1 – wyprowadzenie pomocnicze katody.
Temat 21 : Elementy optoelektroniczne.
Elementami optoelektronicznymi nazywamy elementy elektroniczne zwi zane z
wykorzystaniem fal wietlnych (od podczerwieni do ultrafioletu). Półprzewodnikowymi
elementami optoelektronicznymi s :
• elementy przetwarzaj ce fale wietlne na sygnały elektryczne (np. fotorezystory,
fotodiody, fototranzystory, lasery, przetworniki obrazu: CCD i APS);
• elementy emituj ce wiatło, czyli przetwarzaj ce pr d elektryczny na fale wietlne
(np. diody wiec ce LED, diody laserowe, kineskopy, wy wietlacze, moduły
wy wietlaczy).
FOTOREZYSTORY, FOTODIODY, FOTOTRANZYSTORY
Fotorezystor jest elementem wiatłoczułym, wykonanym z półprzewodnika typu P lub
N napylonego w postaci warstwy na płytk izolacyjn . Płytka z elementem
wiatłoczułym jest umieszczona w hermetycznej obudowie z okienkiem przezroczystym
dla wiatła. wiatło zmniejsza rezystancj półprzewodnika. Rezystancja nie zale y od
kierunku napi cia doprowadzonego do fotorezystora.
Rys.21.1. Szkic fotorezystora
– strumie wietlny; 1 – wiatłoczuła warstwa półprzewodnika,
2 – okienko przezroczyste dla wiatła, 3 – obudowa hermetyczna,
4 – doprowadzenie
Fotorezystory s wykonane na ogół ze zwi zków kadmu i ołowiu, a
tak e germanu z domieszk cynku, miedzi i złota. Fotorezystory stosuje si jako
detektory promieniowania widzialnego i podczerwonego w urz dzeniach fotometrii i
automatyki.
Fotodioda jest elementem zbudowanym ze zł cza PN, w którym wykorzystuje si
zale no pr du wstecznego od strumienia wietlnego padaj cego na zł cze PN. Zł cze
PN jest umieszczone w obudowie hermetycznej z okienkiem
Rys.21.2. Szkic fotodiody
– strumie wietlny; 2 – okienko przezroczyste dla wiatła,
3 – obudowa hermetyczna, 4 – doprowadzenie, 5 – zł cze PN
Fototranzystor jest elementem trójwarstwowym PNP lub NPN, w którym pr d
kolektora IC jest sterowany przez strumie wietlny padaj cy na baz . W fototranzystorze
zmiany strumienia wietlnego powoduj znacznie wi ksze zmiany pr du ni w
fotodiodzie, poniewa fototranzystor jest elementem wzmacniaj cym.
Rys.21.2. Szkic fototranzystora
– strumie wietlny; 2 – okienko przezroczyste dla wiatła,
3 – obudowa hermetyczna, 6 – zł cze PNP lub NPN
Diody elektroluminescencyjne - LED zazwyczaj s wykonane z arsenku gallu GaAs
lub fosforku gallu GaP. Zł cze PN jest umieszczone w obudowie metalowej z okienkiem
przepuszczaj cym wiatło na zewn trz. Diody LED wiec podczas przepływu pr du
przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Emitowany strumie wietlny jest tym
wi kszy, im wi kszy jest pr d przepływaj cy przez diod .
wiatło emitowane przez diod LED mo e by : podczerwone,
czerwone, zielone,
ółte, niebieskie lub bursztynowe.
Wytwarzane s diody LED dwu- lub trójkolorowe – składaj si
one z dwóch lub trzech diod w jednej obudowie. Diody LED s
stosowane w układach komutacji optycznej, w układach automatyki i kontroli jako
wska nik optyczny oraz w urz dzeniach sygnalizacyjnych jako ródło promieniowania.
Diody LED s tak e zasadniczym elementem wielosegmentowych wska ników
cyfrowych (wy wietlaczy liczników cyfrowych).
Parametry diod LED (w zale no ci od typu):
- rednica: 3 lub 5 mm
- maksymalny pr d przewodzenia: 20 ÷ 500 mA
- dopuszczalna moc wej ciowa: 0,1 ÷ 1 W
- dopuszczalne napi cie wsteczne: 6 ÷ 15 V
- napi cie przewodzenia: 1,65 V
- cz stotliwo : 1 MHz
Temat 23 : Oznaczenia elementów półprzewodnikowych.
Tab. 23.1. Ogólne zasady oznaczenia elementów dyskretnych.
Krajowe elementy dyskretne opisane w katalogu CEMI, cz.1. s oznaczane – zgodnie z
zasadami – literami i cyframi: pierwsza litera – materiał półprzewodnikowy; druga litera
– rodzaj elementu. Dalsze litery charakteryzuj obszar zastosowa : P – w sprz cie
powszechnego u ytku; E- w układach hybrydowych; YP – w sprz cie profesjonalnym (Y
mo e by zast pione przez V,W,X lub Z). Cyfry charakteryzuj typ elementu.
Dane techniczne katalogowe obejmuj warto ci parametrów oraz charakterystyki
statyczne i dynamiczne, ewentualnie tak e termiczne.
Charakterystyki statyczne opisuj zmienno
wybranego parametru w funkcji
wolnozmiennego wymuszenia i w warunkach stałych; mog to by wykresy
parametryczne.
Charakterystyki dynamiczne opisuj zmienno wybranego parametru w funkcji czasu i
w warunkach stałych. Liczba i rodzaj charakterystyk zale od typu elementu i stopnia
szczegółowo ci katalogu.
Temat 24: Oznaczanie układów scalonych.
Symbolika stosowana w oznaczeniu układów polskiej produkcji jest tworzona zgodnie z
zasadami podanymi poni ej.
•
Pierwszy znak – litera – okre la wykonanie
U – układ scalony półprzewodnikowy monolityczny wykonany w technologii bipolarnej;
M - układ scalony półprzewodnikowy monolityczny wykonany w technologii unipolarnej.
•
Drugi znak – litera – okre la spełnian funkcj :
C – układy cyfrowe,
L – układy liniowe (analogowe).
•
Trzeci znak – litera – okre la zastosowanie:
X – wykonanie prototypowe, do wiadczalne,
Y – wykonanie do zastosowa w sprz cie profesjonalnym,
A – do zastosowa specjalnych.
Brak litery oznacza wyrób do zastosowa w sprz cie powszechnego u ytku.
•
Kolejny znak – cyfra – okre la zakres dopuszczalnej temperatury otoczenia:
1 - zakres inny ni wymienione poni ej,
4- od –55 do +85O C,
5- od –55 do +125O C,
6 - od –40 do +85O C,
7 - od 0 do +70O C,
8 - od –25 do +85O C.
•
Kolejny znak – cyfra – okre la numer serii. Dodatkowo mog wyst pi jedna lub dwie
litery okre laj ce rodzaj serii:
Dla układów TTL:
Brak litery – seria standardowa,
L – seria małej mocy,
H – seria o zwi kszonej szybko ci,
S – seria Schottky’ego (bardzo szybka),
LS - seria Schottky’ego o małym poborze mocy,
F – seria szybka,
ALS – ulepszona Schottky’ego małej mocy,
AS – ulepszona Schottky’ego (najszybsza).
•
Kolejne znaki – dwie lub trzy cyfry – s liczb porz dkow okre laj c rodzaj
elementu
•
Na ko cu mo e wyst pi jeszcze litera okre laj ca rodzaj obudowy (F, S, H, J, N,
L, K, M, P, R, T). Np.:
N – obudowa dwurz dowa plastykowa (typu DIL – ang. Dual In Line),
K – obudowa czterorz dowa plastykowa.
UCY74LS132N – układ scalony półprzewodnikowy monolityczny wykonany w
technologii bipolarnej (U), cyfrowy (C), do zastosowa w sprz cie profesjonalnym (Y),
o dopuszczalnych temperaturach otoczenia w zakresie od 0 do +70O C, o numerze
seryjnym 4, serii układów Schottky’ego (bardzo szybkich) małej mocy. Układ
zawieraj cy w dwurz dowej obudowie plastykowej (N) cztery dwuwej ciowe bramki
NAND z przerzutnikiem Schmitta (132).