1.

Wyjaśnij korzystając z modelu pasmowego materiału półprzewodnikowego proces rekombinacji promienistej

prowadzący do spontanicznej emisji światła.

Generacja światła jest skutkiem rekombinacji promienistej nadmiarowych par elektron – dziura,
wprowadzonych do półprzewodnika w wyniku zewnętrznego pobudzenia. Najczęściej pobudzenie to jest
spowodowane wstrzykiwaniem nośników ładunku w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez złącze p-n
lub heterozłącze p-n. Proces rekombinacji promienistej jest przejściem elektronu z pasma przewodnictwa
(Wc) do pasma walencyjnego (Wv) a energia tracona w tym procesie przez elektron jest emitowana w postaci
fotonu o energii h ~ W

g

. W wyniku obserwuje się zjawisko spontanicznej emisji światła na zewnątrz

półprzewodnika noszące nazwę

ELEKTROLUMINESCENCJI

(elektron

świecenie).

-Rekombinacja promienista zachodzi przede wszystkim w półprzewodnikach o prostej przerwie energetycznej

2. Korzystając z modelu pasmowego złącza p-n przedstaw mechanizm spontanicznej emisji światła. Jak należy
spolaryzować złącze p-n by była ona możliwa? Przy jakich wartościach napięć zasilających zachodzi to
zjawisko?

Emisja spontaniczna występuje przy niskich wartościach napięcia U(V

a

) polaryzującego złącze. Dochodzi

wówczas wewnątrz struktury złącza do wewnętrznych odbić emitowanego promieniowania. Emisja spontaniczna
jest procesem losowym i jest podstawowym procesem występującym w diodach elektroluminescencyjnych.
Dioda LED wymaga polaryzacji złącza p-n w kierunku przewodzenia.

+ rys z wyżej !!!!!!!
3.Przedstaw korzystając z modelu pasmowego materiału półprzewodnikowego proces rekombinacji promienistej
prowadzący do emisji stymulowanej. Czym charakteryzuje się tego rodzaju emisja? W jakim przyrządzie
półprzewodnikowym efekt ten wykorzystuje się?

Gdy napięcie polaryzujące złącze rośnie, emisja staje się tzw. emisją stymulowaną (zwaną też wymuszoną).
Emisja stymulowana jest wynikiem rekombinacji wymuszonej przez fotony.

Cechą charakterystyczną emisji stymulowanej jest to, że wyemitowany foton ma fazę drgań oraz kierunek
rozchodzenia się zgodny z fotonem wywołującym przejście wymuszone – promieniowanie spójne.

4.

Przedstaw jak rodzaj występującej emisji i charakter charakterystyki widmowej zależy od wartości napięcia

zasilania złącza p-n.

W

g

przed procesem

W

C

W

V

emisja spontaniczna

po procesie

h

]

eV

[

W

24

,

1

]

m

[

g

=

μ

λ

przed procesem

po procesie

W

V

W

C

h

CV

h

CV

h

CV

(w fazie)

emisja stymulowana

Wpływ rodzaju występującej emisji na wartość napięcia zasilania złącza p-n

.

5. Narysuj typową konstrukcję diody LED. W jaki sposób można wpływać na optykę geometryczną diody LED
by skuteczniej wyprowadzać generowane promieniowanie z typowej konstrukcji?

Przy opracowywaniu konstrukcji optyki geom. odpowiedniej na wyprowadzenie światła na zewnątrz stosuje się:

1. taka geometrie diody, aby większość promieniowania padała na granice rozdziału pod kątem

mniejszym od kąta granicznego.

2. zwiększenie kąta granicznego poprzez umieszczenie diody w obudowie o współczynniku załamania

spełniającym nierówność n pow. < n < n pp.

3. naniesienie odblaskowego pokrycia na powierzchni diody

naniesienie warstwy odblaskowej (SiO2) na kontakcie dolnym

6. Wymień i zdefiniuj parametry diody LED. Przedstaw charakterystykę prądowonapięciową (I = f (U)) diody
LED w zakresie polaryzacji przy jakiej dioda ta pracuje.

Do parametrów o szczególnym znaczeniu należy:

1) zewnętrzna sprawność kwantowa η

zew

definiowana jako

I

P

v

h

e

n

z

zew

, gdzie

n – liczba elektronów przepływająca przez obszar, w którym zachodzi rekombinacja.
P – wyjściowa moc optyczna diody
I – prąd płynący przez diodę
Ø

z

– liczba fotonów wyemitowana przez LED

2) sprawność energetyczna η [%] definiowana jako:

gdzie

hv

IR

I

U

P

S

zew

,

1

1

U – napięcie przyłożone do diody
R

S

– rezystancja szeregowa diody

3) wydajność kwantowa η

zew

0

l

i

zew

,a

wew

= η

i

*η

l

ni – współczynnik efektywności wstrzykiwania
nl – efektywność generacji światła
nwew – wydajność kwantowa wewnętrzna
n0 – współczynnik ekstrakcji (wyprowadzenie światła na zewnątrz)

4) długość fali emitowanego światła λ [nm]
5) szerokość widma Δλ [nm]
6) moc wyjściowa (optyczna) [μW]
7) częstotliwość graniczna lub czas opadania f

C

[MHz], τ [ns]

8) maksymalny prąd zasilający f

F

[mA]

9) maksymalne napięcie wsteczne U

R

[V]

Parametry diody elektroluminescencyjnej określa się także na podstawie:

-

charakterystyki widmowej. Jest to zależność mocy emitowanej – strumienia energetycznego lub
strumienia świetlnego – od długości fali emitowanego promieniowania (rys.7.2).

-

charakterystyki kątowej promieniowania diody – zależność mocy emitowanej od wartości kąta
mierzonego od osi diody (rys.7.3).

Bardzo ważnym parametrem diody jest sprawność kwantowa zewnętrzna, czyli stosunek liczby fotonów
wyemitowanych przez diodę do liczby nośników przepływających przez złącze. Sprawność ta maleje wraz ze
wzrostem temperatury złącza. Trwałość diod wynosi około 10

5

godzin.

7. Przedstaw charakterystykę prądowo- napięciową (I = f (U)), charakterystykę widmową (np. w zakresie
promieniowania podczerwonego) oraz określ typową wartość sprawności energetycznej diody LED. Od czego
zależy długość fali generowanego w takiej diodzie promieniowania?
Sprawność energetyczna diody LED
Czerwono – bursztynowa 45%
Krótkofalowa 25%
Charakterystyka widmowa

Zakres generowanego w takiej diodzie promieniowania zależy od rodzajów materiałów na złączach p-n (?)

8. Wymień znane Ci przykłady zastosowań diod LED, białych diod LED. Od czego zależy długość fali
generowanego w takiej diodzie promieniowania?

-sygnalizatory świetlne sterujące ruchem ulicznym
-ako źródła światła używane w sygnalizatorach wyjść ewakuacyjnych,
-oświetleniabezpieczeństwa oraz wszelkiego rodzaju znakach świetlnych
- Diody LED stosuje się w oprawach oświetlenia miejscowego umożliwiających czytanie pasażerom
samochodów, autobusów i samolotów.
-Możemy je spotkać w światłach pozycyjnych i stopu wielu samochodów osobowych i zwykłych rowerów
-iluminacji wszelkich obiektów architektury
-kolorowe stosowane jako oświetlenie wnętrz w celu uzyskania odpowiedniego nastroju 
-białe diody LED powoli zastępują zwykłe żarówki w oświetleniu domu, w lampach samochodowych itp.
-białe LED to również opraw wytyczających drogi komunikacyjne, korytarze, schody i wyjścia ewakuacyjne.
Oprawy te montowane są w podłodze lub dość nisko w ścianach
-wyświetlacze „telebimy”
-zapis informacji na różnego rodzaju dyski (np. hd )
9. Jakie są zalety źródeł światła białego LED w porównaniu z klasyczną żarówką.
Zalety diod elektroluminescencyjnych:

mały pobór prądu;

mała wartość napięcia zasilającego;

duża sprawność;

mała moc strat;

małe rozmiary;

duża trwałość;

duża wartość luminacji;

Żarówki tradycyjne – świecą dzięki rozgrzanemu, wolframowemu żarnikowi
- Znane, proste w użyciu i tanie
- Zużywają dużo energii i mają niską trwałość (średnio 1000 godzin)
- Dostępne w wersjach wytwarzających światło o różnych barwach
Diody LED – emitują światło w wyniku ruchu elektronów w materiale półprzewodnikowym
- Są najoszczędniejszym źródłem światła, o trwałości sięgającej 50 tysięcy godzin

- Są niewielkie, odporne na wstrząsy i nie nagrzewają się


- Mogą wytwarzać kolorowe światło, idealne do celów dekoracyjnych
- W przyszłości będą świecić równie mocno jak żarówki
Zalety źródeł światła białego LED w porównaniu z klasyczną żarówką:
- oszczędność 80-90%
- stopniowa degradacja klasycznego źródła światła
- czas życia ponad 50tys. godz.
- wymiana po 6 latach
korzyści wynikają z użytkowania żarówek LED:
- duża wytrzymałość, energooszczędność
- niewielkie oddawanie ciepła
- odporność na wibracje oraz warunki atmosferyczne
- łatwo poddaje się wzornictwu
- wszechstronne zastosowania
10. Przedstaw zasady konstrukcji i działania, charakterystykę widmową diody LED emitującej światło białe.

Charakterystyka widmowa

niebieski LED

podłoże

kontakt luminofor


Zasada działania :

Zastosowano tutaj wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła diody niebieskiej 470nm (lub granatowej
460nm). Światło niebieskie jest częściowo przepuszczane, a częściowo pochłaniane poprzez luminofor (patrz
rysunek), który konwertuje je w światło o barwie żółtej (kolor powstający w wyniku sumowania addytywnego
barwy czerwonej i zielonej). Następnie dokonuje się mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje barwę
białą. Dzięki temu uzyskano białą diodę charakteryzującą się prostotą wykonania i prostym obwodem zasilania,
o zwiększonej wydajności energetycznej oraz niepromieniującą w paśmie UV, co w konsekwencji przesądziło o
dużej popularności tego rozwiązania. Wadą jest jednak problem ze stałością parametrów luminoforu w czasie
oraz współczynnik oddania barw na poziomie 70 - 90.
11. Omów zasadę działania i budowę lasera półprzewodnikowego oraz określ warunki uzyskania akcji laserowej
w laserze pp. W jaki sposób uzyskuje się inwersję obsadzeń?

Lasery półprzewodnikowe (kwantowe generatory optyczne), np. GaAs, AlGaAs, GalnAsP są laserami
złączowymi, w których ośrodkiem czynnym (aktywnym) jest półprzewodnik.

sprawność energetyczna η > 50%.

niewielkie rozmiary

dł. emitowanej fali 800-1600 [nm]

rezonatorem jest kryształ półprzewodnika zwykle krótszy niż 1mm

Zasada działania lasera opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu
(inwersji) obsadzeń.

Emisja wymuszona

Emisja wymuszona to proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z innym fotonem.

Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię, wytwarzany foton ma fazę i częstotliwość taką samą
jak foton oryginalny. Zjawisko to odgrywa ważną rolę w emisji fotonów przez ciała a szczególne znaczenia
odgrywa w laserach, będąc podstawą ich działania.

Warunki uzyskania akcji laserowej (przy wykorzystaniu rekombinacji promienistej) :

inwersja obsadzeń;

wzmocnienie optyczne, które powinno być co najmniej równe stratom;

promieniowanie powinno być spójne.

Inwersja obsadzeń poziomów energetycznych (pompowanie) - jest to stan układu w którym w stanie
wzbudzonym o energii większej jest większa liczba cząstek niż w stanie podstawowym o energii niższej.

Inwersję obsadzeń uzyskuje się poprzez wstrzyknięcie mniejszościowych nośników ładunku do obszaru
złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.

12. Przedstaw zależność mocy promienistej lasera od prądu zasilającego.

a - bez czynników deformujących – charakterystyka teoretyczna; b – charakterystyka rzeczywista

13. Wymień znane Ci zastosowania laserów półprzewodnikowych.

-

telekomunikacja światłowodowa

-

obróbka materiałów

-

poligrafia

-

metrologia;

-

medycyna;

-

geodezja;

-

drukowanie;

-

zapisywanie i przetwarzanie informacji (CD, DVD);

-

wskaźniki;

-

poziomowanie;

-

czytniki kodów paskowych

-

pompowanie optyczne

14. Omów zasadę działania i budowę diody laserowej oraz określ warunki uzyskania emisji wymuszonej w
obszarze aktywnym.

Przekrój poprzeczny przez strukturę diody laserowej

Złącze p-n niespolaryzowane Złącze p-n spolaryz. w kierunku przewodzenia

W diodzie laserowej obszary typu p i n (tworzące złącze p-n) są zdegenerowane. W warunkach

polaryzacji złącza w przewodzeniu, gdy U ≥ E

g

(W

g

) /q następuje znaczące obniżenie bariery potencjału co

powoduje wzrost prądu płynącego w złączu. To pobudzenie przyczynia się do wystąpienia w tzw. obszarze
aktywnym (d) rekombinacji promienistej i emisji spontanicznej promieniowania o częstotliwości γ (E

g

< hγ < (E

Fn

-E

Fp

)).

Emisja spontaniczna występuje przy niskich wartościach napięcia U (V

a

) polaryzującego złącze. Gdy

napięcie polaryzujące rośnie emisja staje się emisją stymulowaną (zwaną WYMUSZONĄ). Emisja
stymulowana jest wynikiem rekombinacji wymuszonej przez fotony.

Proces emisji stymulowanej

Cechą charakterystyczną tej emisji jest to, że wyemitowany foton ma fazę drgań oraz kierunek rozchodzenia się
zgodny z fotonem wywołującym przejście wymuszone – nazywamy to promieniowaniem spójnym.

W akcji laserowej proces emisji stymulowanej poprzedza występowanie emisji spontanicznej.

15. Jaką rolę spełniają fotodetektory? Omów wewnętrzne zjawisko foto-elektryczne w półprzewodniku
samoistnym „i”, domieszkowym typu „n” i „p”. Określ warunek progowy wewnętrznego zjawiska fotoelektry-
cznego dla tego rodzaju pp.

FOTODETEKTORY to elementy optoelektroniczne, które zamieniają sygnał optyczny na sygnał elektryczny.
Pod wpływem absorpcji promieniowania optycznego w półprzewodniku może zachodzić wewnętrzne zjawisko
fotoelektryczne. Fotony absorbowane przez półprzewodnik mogą spowodować:

-

powstanie nośników prądu w drodze generacji par elektron-dziura – PP SAMOISTNY

-

lub w drodze generacji jednego typu nośników z poziomów domieszkowych (jonizacji donorów (PP
typu N) lub akceptorów (PP typu P) w niskich temperaturach)

Warunkiem wystąpienia powyższych efektów jest odpowiednia energia absorbowanego fotonu.

Warunek progowy wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego:

λ

prog

= ch / W

g

,

gdzie: c- prędkość światła, h- stała Plancka

PP samoistny:

hγ > W

g

, stąd:

λ

prog

[μm]

= 1,24 / W

g

[eV]

PP donorowy (typu N):

hν ≥ W

c

– W

d

, stąd:

λ

prog

[μm]

= 1,24 / W

c

– W

d

[eV]

PP akceptorowy (typu P):

hν ≥ W

a

– W

v

, stąd:

λ

prog

[μm]

= 1,24 / W

a

– W

v

[eV]

16. Jak działa fotorezystor? Przedstaw: symbol, przekrój przez konstrukcję. Jakich materiałów jest
wykonywany( przykłady)? Przedstaw charakterystykę prądowo- napięciową (I = f(U)) fotorezystora gdy zmienia
się natężenie padającego światła na jego powierzchnię.

Fotorezystor jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego
promieniowania ( i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora).
Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja).

Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący

przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od
natężenia oświetlenia. Na podstawie charakterystyki prądowo – napięciowej fotorezystora dobiera się właściwy
obszar jego pracy.

SYMBOL:

lub

(grzebieniowy kształt elektrod).

Przekrój przez konstrukcję:

Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, jak
również z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe.

+ odp z pyt. 18 charaktrystka

17. Od czego zależy przyrost liczby nośników Δn, (Δp) gdy oświetlimy fotorezystor? Jak przyrost ten wpływa
na konduktywność materiału pp? W jakich warunkach fotorezystor charakteryzować będzie się największą
wartością rezystancji?

Przyrost liczby nośników Δn, Δp jest liniową funkcją strumienia świetlnego (dla małych mocy
promieniowania) i wyraża się wzorem:

Konduktywność pp jest liniową funkcją strumienia świetlnego w granicach stosowalności wzoru określającego
przyrost liczby nośników. Zatem przyrost liczby nośników Δn i Δp (elektronów i dziur) powoduje przyrost
konduktywności materiału pp:

18. Przedstaw charakterystykę prądowo- napięciową (I = f(U)) fotorezystora gdy zmienia się natężenie
padającego światła na jego powierzchnię? Wymień parametry opisujące fotorezystor.

Na podstawie charakterystyki prądowo – napięciowej (I = f(U)) fotorezystora dobiera się właściwy obszar jego
pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie napięć i prądów:

PARAMETRY fotorezystora:

wartość rezystancji ciemnej R

e

(zwykle

zakres MΩ)

wartość rezystancji przy określonym

natężeniu oświetlenia (10 kΩ dla E=1
klx),

współczynnik n określany jako

stosunek rezystancji przy danej wartości
natężenia oświetlenia

50

R

R

n

D

, gdzie R

D

-rezystancja ciemna,

R

50

=rezystancja przy oświetleniu 50lx,

zakres widmowy

czułość fotoelementu

19. Omów zasadę działania fotodiody wykorzystywanej jako fotodetektor. Przedstaw jej symbol, przekrój przez
konstrukcję, ch- kę I = f(U), wzór I = f(U) uwzględniający pojawienie się fotoprądu gdy element ten oświetlimy.

Elementy optoelektroniczne, które zamieniają sygnał optyczny na sygnał elektryczny to fotodetektory.
Fotodiody są przyrządami pp., które pracują przy polaryzacji zaporowej złącza p-n. Przy takiej polaryzacji bez
oświetlenia w strukturze płynie mały prąd (tzw. prąd ciemny). Oświetlając tak spolaryzowaną diodę
promieniowaniem (o odpowiedniej energii) powoduje się, na skutek występowania w obszarze warstwy
zaporowej pola elektrycznego, „wymiatanie” generowanych tam nośników. Powoduje to wzrost prądu diody.
Zależność prądowo napięciową oświetlonego złącza p-n opisuje zmodyfikowany wzór Shokley’a:

I

kT

qU

I

I

s

1

exp

, gdzie

s

I

prąd ciemny, generacji lub nasycenia ,

I

fotoprąd związany z

występowaniem wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego

lub

Przekrój przez konstrukcję

Fotodioda wykorzystywana jako fotodetektor pracuje przy polaryzacji

zaporowej !!!

20. Jak prąd fotodetektora jakim jest fotodioda zależy od polaryzującego napięcia (wzór)? Przy jakiej polaryzacji
dioda wykorzystywana jako fotodetektor pracuje?

?
21. Omów zasadę działania fotodioy typu p-i-n wykorzystywanej jako fotodetektor. Przedstaw przekrój przez jej
strukturę. Wymień jej typowe zastosowania.

ZASADA DZIAŁANIA:

Pole elektryczne, które separuje wygenerowane nośniki, istnieje w znacznie grubszej warstwie
(w takiej strukturze wbudowano pomiędzy warstwę typu „p” a warstwę typu „n” warstwę słabo
domieszkowaną, półizolacyjną, typu „i”) co poprawia sprawność zbierania generowanych nośników.
Dla typowej polaryzacji diody grubość warstwy zaporowej jest bowiem znacznie mniejsza od głębokości
wnikania (absorpcji) fotonów. Dodatkową zaletą jest również i to, że zwiększenie szerokości warstwy złącza
zmniejsza pojemność złączową struktury zwiększając tym samym maksymalną częstotliwość pracy

fotodetektora

(czas

odpowiedzi krótszy od
1ns).

Diody p-i-n używane są
w:
-telekomunikacji
optycznej,
-zdalnym sterowaniu
optycznym,
-detekcji promieniowania.

(lub inaczej zasada
działania: W fotodiodzie p-

i-n między domieszkowanymi obszarami p-n znajduje się warstwa półprzewodnika samoistnego i. W takiej
strukturze warstwa zaporowa ma dużą grubość, równą w przybliżeniu grubości warstwy samoistnej, co
powoduje że pojemność takiego złącza jest bardzo mała, z czym wiąże się mała bezwładność działania
fotodiody.)

22. Jak działa fototranzystor? W jaki sposób zachodzi w nim wewnętrzne wzmocnienie prądu
fotoelektrycznego? Przedstaw jego budowę i charakterystykę wyjściową przy sterowaniu strumieniem
promieniowania.

Budowa fototranzystora.

Fototranzystory bipolarne to elementy z zaciskami E (emiter) B
(baza) C (kolektor), lub dwu końcówkowe (baza nie ma
wyprowadzenia) działające przy polaryzacji typowej dla układu

pracy ze wspólnym emiterem (WE) tj. w zakresie aktywnym normalnym. Mimo braku prądu bazy tranzystor
zapewnia wzmocnienie fotoprądu.
Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektron-dziura w warstwie typu p. elektrony jako
ujemne nośniki ładunku przechodzą do obszaru kolektora dzięki polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego.
Dziury nie mogą przejść do obwodu emiterowego z powodu istniejącej bariery potencjału na złączu baza emiter.
Cześć z nich jednak przechodzi do emitera, gdyż ostatecznie mają dostatecznie dużą energię kinetyczna i tam
ulegają rekombinacji. Natomiast dziury, które nie przeszły powiększają nieskompensowany ładunek dodatni,
obniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W wyniku czego elektrony obszaru n pokonują barierę
zwiększając strumień elektronów przechodzących z emitera do bazy, a potem do kolektora. Elektrony te
zwiększają prąd kolektora w znacznie większym stopniu, niż elektrony które powstały w wyniku generacji par
elektron-dziura bezpośrednio w obszarze bazy pod wpływem oświetlenia. W ten sposób zachodzi wewnętrzne
wzmocnienie prądu fotoelektrycznego.

Charakterystyka wyjściowa

23. Scharakteryzuj półprzewodnikowy
przyrząd optoelektroniczny jakim jest

transoptor. Podaj przykłady takich elementów. Narysuj typowe charakterystyki przenoszenia sygnałów
elektrycznych pomiędzy wejściem i wyjściem transoptora dioda LED – fotodioda.

Transoptor – optoelektroniczny przyrząd półprzewodnikowy o optycznie sprzężonej parze fotoemiter -
fotodetektor umieszczonej w jednej obudowie. Transoptor pozwala przesyłać sygnały elektryczne wejścia na
wyjście bez połączeń galwanicznych obwodów wejściowego i wyjściowego. Sprzężenie optyczne wewnątrz
obudowy zapewnia warstwa materiału elektroizolacyjnego (szkło żywica epoksydowa) w tzw. Transoptorach
zamkniętych (monolitycznych) lub powietrze w transoptorach otwartych (szczelinowych)

Schematy transoptorów z emiterem LED i fotodetektorem( a-fotodiodą; b-fototranzystorem; c-fototranzystorem
w układzie Darlingtona (duże wzmocnienie prądowe równe iloczynowi wzmocnienia β każdego z tranzystorów);
d-fototyrystorem)

Charakterystyka przejściowa transoptora: LED-fototranzystor
Parametrem charakterystycznym jest nachylenie tej
charakterystyki wyrażone za pomocą stałoprądowego
współczynnika przełożenia prądowego CTR (Curent Transfer
Ratio) nazywanego przekładnią prądową transoptora.

I

WY

– prąd w obwodzie wyjściowym

I

WE

– prąd w obwodzie wejściowym

Pasmo przenoszenia, a więc i górna częstotliwość pracy
transoptora, zależy od rodzaju zastosowanego fotodetektora –
najszersze jest dla transoptora z fotodiodą, bardzo wąskie z
fotorezystorem.
Istotnym parametrem jest napięcie stałe izolacji U

IO

(lub

napięcie zmienne U

io

) tj dopuszczalna wartość napięcia

przyłożonego pomiędzy zwarte końcówki wejściowe i
wyjściowe, nie powodująca przebicia elektrycznego izolacji

transoptora. Napięcie to wynosi od kilkuset woltów do kilku a nawet kilkunastu kilowoltów.
Zastosowanie transoptorów:

Do galwanicznego rozdzielania obwodów

W technice pomiarowej i automatyce

W sprzęcie komputerowym

W sprzęcie telekomunikacyjnym

24. W jaki sposób na zaciskach złącza p-n wykorzystywanego jako fotoogniwo pojawia się siła
elektromotoryczna? Jak spolaryzowane jest wówczas złącze? Podaj przykład wykorzystania takiego foto
elementu.

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n, na które pada światło. Padające na złącze
fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par
elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki
różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników

ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego.

25. Narysuj ch-kę I = f(U) fotoogniwa. Zdefiniuj podstawowe parametry opisujące ten element
i przykłady jego zastosowania.

lub

Podstawowe parametry:

Siła elektromotoryczna E

f

– napięcie wyjściowe

Prąd zwarcia I

zw

– prąd który płynie w obwodzie przy zwartych zaciskach

Współczynnik wypełnienia FF

26. Przedstaw: symbol, strukturę w przekroju( konstrukcję) oraz ogólna zasadę polaryzacji tranzystora
bipolarnego npn w zakresie aktywnym normalnym. Jak w tym zakresie pracy tranzystora bipolarnego typu npn
przedstawia się relacja między potencjałami elektrod tranzystora?

Zasada polaryzacji: w stanie aktywnym normalnym złącze emiter baza jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenie, natomiast złącze kolektor baza w kierunku zaporowym.
Zależnie od typu w układzie wspólnej bazy polaryzacja będzie wyglądała następująco:

27. Wyjaśnij pojęcie „ tranzystor bipolarny z bazą jednorodną”, „ tranzystor bipolarny dryftowy”. Który z tych
tranzystorów bipolarnych pracować będzie przy wyższych częstotliwościach i dlaczego?

Tranzystor bipolarny z bazą jednorodną – obszary emitera i kolektora są domieszkowane w jednakowym
stopniu, występuje tylko dyfuzja nośników
Tranzystor bipolarny z niejednorodną bazą (dryftowy) – obszar emitera jest silniej domieszkowany niż baza, co
powoduje powstanie wbudowanego pola, które powoduje dryf nośników.

28.+29 Podaj ogólną zasadę polaryzacji by tranzystor bipolarny typu npn pracował w zakresie aktywnym
normalnym . Narysuj dla tranzystora tego typu układy pracy WBaza (OB.), WEmiter (OE).

Zasada polaryzacji: w stanie aktywnym normalnym złącze emiter baza jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenie, natomiast złącze kolektor baza w kierunku zaporowym.
Wbaza (OB.)

Wemiter (OE)

NPN PNP
30. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny npn dla pracy aktywnej normalnej w układzie WEmiter (OE).

31. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny pnp dla pracy aktywnej normalnej w układzie WEmiter (OE).

32. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny npn dla pracy aktywnej normalnej w układzie WBaza (OB.).

33. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny pnp dla pracy aktywnej normalnej w układzie WBaza (OB.).

34. Zdefiniuj współczynnik α, β, αc. Podaj typowe wartości tych współczynników.
a - stosunek ilości nośników (elektronów) przechodzących do kolektora, do ilości nośników (elektronów)
wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądowego. (0,98 – 0,985)
β- współczynnik wzmocnienia prądowego, który jest stosunkiem ilości nośników wstrzykiwanych do kolektora
do ilości nośników w bazie (b = 20 ¸ 850)
a

0

– współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnej bazy - stosunek liczby nośników

wpływających do kolektora do liczby nośników wstrzykiwanych przez złącze emiter-baza.

35. Opisz rozpływ prądu w tranzystorze bipolarnym typu npn w układzie WBaza (OB).

W wyniku przyłożenia napięć do elektrod
tranzystora, elektrony jako nośniki większościowe
przechodzą z emitera do bazy, gdzie stają się
nośnikami mniejszościowymi i część z nich
rekombinuje z dziurami wprowadzanymi przez
kontakt bazy. Elektrony przechodzące przez złącze
emiter-baza mają określone prędkości i jeżeli obszar
bazy jest wąski, to prawie wszystkie przejdą do
kolektora, gdzie staną się ponownie nośnikami
większościowymi i zostaną usunięte z obszaru
kolektora do obwodu zewnętrznego.
Jeżeli złącze kolektor-baza jest spolaryzowane w

kierunku zaporowym, tzn. kolektor ma wyższy potencjał niż baza, to pole elektryczne występujące w tym złączu
powoduje unoszenie nośników z obszaru bazy do obszaru kolektora. Wartość prądu płynącego przez kolektor
może być regulowana przez zmianę wysokości bariery złącza emiterowego, czyli przez zmianę napięcia
polaryzującego złącze emiter-baza. Przez złącze baza-kolektor płynie prąd związany z polaryzacją, tzw. Prąd
zerowy kolektora – I

CBO

. Płynie on nawet wtedy gdy złącze baza-emiter nie jest spolaryzowane (I

E

= 0). Przez

tranzystor płynie również prąd zerowy I

CBO

, gdy I

B

= 0.

36. Opisz tranzystor bipolarny jako wzmacniacz mocy. Narysuj charakterystyki statyczne WE i WY tranzystora
bipolarnego w układzie WEmitera (OE) ( Zaznaczyć odcięcie i nasycenie tranzystora).

Charakterystyka wejściowa Charakterystyka wyjściowa

37. Narysuj charakterystyki statyczne WE i WY tranzystora bipolarnego w układzie WBaza (OB) ( Zaznaczyć
odcięcie i nasycenie tranzystora).

Wyjsciowa wejsciowa
38. Zdefiniuj prądy zerowe tranzystora bipolarnego. Przedstaw na charakterystyce Ic = f (UCE), Ic = f (UCB)
zależności między nimi.

39. Przedstaw model „czwórnikowi” z macierzą „h” opisujący pracę tranzystora bipolarnego z małymi
sygnałami.

Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik
opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc
opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za
pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a
które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań.

Układy z parametrami mieszanymi „h”:
U

1

= h

11

I

1

+ h

12

U

2

I

2

= h

21

I

1

+ h

22

U

2

40. Przedstaw wykres wzmocnienia prądowego w układzie WEmitera (OE) od częstotliwości.

41. Przedstaw klasyfikację tyrystorów i narysuj ich charakterystyki I = f (U) .

Dynistor Tyrystor triodowyprzewodzący wstecznie

Diak Triak

42. Przedstaw strukturę warstwową ( model), model dwutranzystorowy, charakterystykę I = f (U) dynistora.
Przedstaw wzór na IA. Określ warunek załączania.

Warunkiem przełączenia tyrystora ze stanu blokowania w stan przewodzenia jest wzrost
płynącego przezeń prądu do takiej wartości, przy której suma
(

1

)

(

1

2

1

g

I

i

43. Przedstaw metody załączania tyrystora.

Tyrystor możemy załączyć impulsem bramkowym, ale tylko gdy jest prawidłowo spolaryzowany
(anoda:+ katoda:-

). Oczywiście może załączyć się także jak dynistor przy dużych du/dt - skokach

napięcia między anodą a katodą. Jednak takiego załączania unikamy (w końcu chcemy sterować).
Metoda przekroczania

napięcia przełączenia (w dynistorze napięcie włączenia) jest niedopuszczalna -

może nastąpić trwałe uszkodzenie elementu! Załączenie tyrystora następuje przy odpowiedniej
polaryzacji i podaniu dodatniego względem katody impulsu bramkowego. Im mniejsze jest napięcie
między anodą a katodą, tym większy musi być prąd bramki. Wyłączenie tyrystora następuje przy
obniżeniu napięcia anoda-katoda lub spadku wartości przepływającego prądu poniżej I

H

-

prądu

podtrzymania

44. Przedstaw strukturę warstwową ( model), model dwutranzystorowy, charakterystykę I = f (U) tyrystora.
Przedstaw wzór na IA. Określ warunek załączania

Wzór na Ia

)

(

1

2

1

g

I

i

1,

2

- zwarciowe współczynniki

wzmocnienia prądowego tranzystora w
układzie OB,
I

g

-

prąd wsteczny (generacji) złącza C-B

(tj. całego złacza j

2

tyrystora),

45. Wyjaśnij określenie „ tranzystory polowe ”( unipolarne). Określ podstawowe różnice między tranzystorami
tego typu a tranzystorem bipolarnym.

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie
prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.
Parametry:
Moc admisyjna, rezystancja wejściowa, rezystancja wyjściowa, nachylenie g

m

, współczynnik szumów.

46. Opisz zasadę działania, narysuj przekrój przez strukture rzeczywistą, symbol ogólny i spolaryzuj tranzystor
JFET z kanałem typu n.

Jednorodny obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie
prąd nośników większościowych (elektrony) i którego rezystancję można zmieniać poprzez zmianę jego
przekroju. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzanie lub zwężanie warstwy zaporowej złącza p–
n, powodowane zmianą wartości napięcia UGS, polaryzującego złącze bramka – kanał w kierunku zaporowym.

Na skutek bardzo dużej różnicy koncentracji domieszek w złączu p+–n obszar bariery
potencjału wnika głównie do półprzewodnika typu n.
Pod wpływem wzrostu napięcia UGS, polaryzującego złącze p+–n zaporowo, obszar zubożony rozszerzy się,
powierzchnia przekroju kanału tym samym zmniejszy się, więc jego rezystancja wzrośnie. Dalsze zwiększanie
wartości napięcia UGS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwa zaporowa całkowicie zamknie kanał, a
jego rezystancja będzie bardzo duża.

47. Opisz zasadę działania, narysuj przekrój przez strukture rzeczywistą, symbol ogólny i spolaryzuj tranzystor
JFET z kanałem typu p.

Zasada działania taka sama jak NJFET-a
tylko, ze tutaj nośnikami
większościowymi są dziury.

48. Narysuj charakterystyki
wyjściowe tranzystora JFET .
Zefiniuj i przedstaw sposób
wyznaczenia z nich parametru
: GDS0; gds; IDSS.

g

ds

jest stosunkiem przyrostu prądu I

D

w pewnym przedziale przyrostu napięcia U

DS

do tego przyrostu napięcia

(z wykresu można wywnioskować co i jak)-

I

DSS

jest to prąd odcięcia i jest to na wykresie miejsce gdzie nagle od tego miejsca zwiększanie napięcia U

DS

powoduje tylko niewielki wzrost I

D-(

wartość prądu w zakresie nasycenia dla UGS=0,)

G

DS

-konduktancja kanału otwartego GDS=ID/UDS

Struktura MIS (MOS, MDP)

49. Narysuj charakterystyki przejściowe tranzystora JFET . Zefiniuj i przedstaw sposób wyznaczenia z nich
parametru : gm; Up; IDSS.

I

DSS

jest to prąd odcięcia i jest to na wykresie miejsce

gdzie nagle od tego miejsca zwiększanie napięcia U

DS

powoduje tylko niewielki wzrost I

D-(

wartość prądu w

zakresie nasycenia dla UGS=0,)


g

ds

jest stosunkiem przyrostu prądu I

D

w pewnym

przedziale przyrostu napięcia U

DS

do tego przyrostu

napięcia (z wykresu można wywnioskować co i jak)-

U

p

= U

Gsoff

– napięcie odcięcia kanału

50. Opisz własności idealnej struktury MIS (MOS) – wytwarzanie stanu akumulacji,

zubożenia i inwersji w

półprzewodniku.
Metal – Izolator – Półprzewodnik. W każdym elemencie półprzewodnikowym i układzie scalonym. Najczęściej:
Al(Au) – SiO2 – Si. Gruby dielektryk (powyżej 0.1 m) – tylko izolacja. Cienki dielektryk (<0.1 m) –
oddziaływanie potencjału elektrody metalowej na stan półprzewodnika: tranzystory MOS, pamięci EPROM,
struktury CCD
- W metalu, izolatorze i półprzewodniku nie ma nie skompensowanych ładunków bez zewnętrznej polaryzacji.
- Izolator nie przewodzi prądu
- Praca wyjścia z metalu i z półprzewodnika są równe

51.a) Przedstaw klasyfikacje tranzystorów MIS i opisz zasadę ich działania. B)Wymień odmiany technologiczne
tranzystorów MIS.c) Wymień i opisz odmiany „ układowe” tranzystorów MIS.

a)Tranzystor z kanałem wzbogaconym, tj. normalnie wyłączony – przewodzi dopiero przy odpowiedniej
polaryzacji G (tylko kanał indukowany)
Tranzystor z kanałem zubożonym, tj. normalnie włączony – przewodzi już przy U

GS

=0 (kanał wbudowany lub

w pp „n” samoistnie powstający już przy UGS=0 dzięki dodatniemu efektywnemu ładunkowi stanów
powierzchniowych powodującemu inwersję).

b)Wymień odmiany technologiczne tranzystorów MIS

 z kanałem typu p (podłoże n)
 z kanałem typu n (podłoże p)
 z kanałem indukowanym I
 z kanałem wbudowanym W

(pI, pW, nI, nW)
Fizyczna różnica funkcjonowania tranz. I oraz W:
- w tranzystorach I kanał jest zawsze tuz przy powierzchni
- w tranzystorach W kanał odsuwa się od powierzchni

c)Wymień i opisz odmiany „układowe” tranzystorów MIS
A – tranzystor z kanałem wzbogaconym tj normalnie wyłączonym – przewodzi dopiero przy odpowiedniej
polaryzacji G (tylko kanał indukowany)
B – tranzystor z kanałem zubożonym tj. normalnie włączonym – przewodzi już przy U

GS

=0 (kanał wbudowany

lub pp „n” samoistnie powstający już przy U

GS

=0 dzięki dodatniemu efektywnemu ładunkowi stanów

powierzchniowych powodującemu inwersję)

52. Przedstaw budowę struktury i układ polaryzacji tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem
typu n.

Budowa- polaryzacja

Polaryzacja drenu i bramki jest zerowa (UDS=0 i UGS=0). W takim przypadku, struktura złożona z dwóch
obszarów półprzewodnika typu n+ (dren i źródło), rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże), tworzy
dwa złącza n+–p i p–n+ połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie. Obszar podłoża, typu p, jest wspólną
anodą dla złącz: S–podłoże i podłoże–D. Brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem.

53. Narysuj charakterystyki wyjściowe tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem typu n.

Kanał typu n wzbogacony

(normalnie wyłączony)
Charakterystyka wyjściowa

Id

– prąd drenu

Uds

– napięcie dren-źródło

Ugs

– napięcie bramka-źródło

Ut

– napięcie progowe

54. Narysuj charakterystyki przejściowe tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem typu n.

Kanał typu n wzbogacony
(normalnie wyłączony)
Charakterystyka przejściowa

Id

– prąd drenu

Ugs

– napięcie bramka-źródło

Ut

– napięcie progowe

55. Wymień podstawowe parametry opisujące cyfrowe układy scalone. Zdefiniuj pojęcie „czas propagacji”
bramki (rys).
PODSTAWOWE PARAMETRY UKŁADÓW CYFROWYCH
Zasadnicze parametry układów cyfrowych to:
• Czas propagacji, τp
• Moc strat, P
• Współczynnik dobroci, Q
• Marginesy szumowe, M
• Obciążalność, N
• Napięcie zasilania, UCC
• Zakresy napięć stanów logicznych 0 i 1

Opóźnienie sygnału, zwane czasem propagacji, τp jest podstawowym
parametrem charakteryzującym daną rodzinę układów i wskazuje na
ograniczenie szybkości działania (częstotliwości pracy) układu. Typowe
wartości czasów propagacji są rzędu nanosekund (wolne układy: rząd
100 ns, szybkie: rząd k•0,1 ns)
Odstęp czasowy na zboczach sygnałów mierzy się dla określonej
wartości amplitudy napięcia
wejściowego (tzw. napięcia przełączania, UT) i wyznacza średnią
arytmetyczną
τp = (τp LH + τp HL)/2

56. Przedstaw tabelę stanów logicznych bramki NOR i NAND. Co to oznacza ,że bramka pracuje w „logice
dodatniej”?
Bramka NAND
Bramka realizuje funkcje logiczną: NAND, NIE I - negacja iloczynu
Bramka jest złożona z bramki NOT i AND. Zasada działania jest taka sama jak bramki AND z tą różnicą, że
sygnał wyjściowy jest jeszcze negowany.
Jest to połączenie bramki AND z inwerterem. Zero logiczne "0" na wyjściu jest ustawiane tylko wtedy gdy na
obu wejściach jest jedynka logiczna "1". W pozostałych przypadkach na wyjściu zawsze jest stan "1".
Tablica prawdy:

IN 1

IN 2

OUT

0
0
1
1

0
1
0
1

1
1
1
0

Bramka NOR
Bramka realizuje funkcje logiczną: NOR, NIE SUMA - negacja sumy
Bramka jest złożona z bramki NOT i OR. Zasada działania jest taka sama jak bramki OR z tą różnicą, że sygnał
wyjściowy jest jeszcze negowany.
Tablica prawdy:

IN 1

IN 2

OUT

0
0
1
1

0
1
0
1

1
0
0
0

57. Przedstaw budowę i zasadę działania inwertera CMOS.

Inwerter (przetwornica napięciowa, ich zadaniem jest redukcja prądu pobieranego z zasilacza) zbudowany jest z
dwóch tranzystorów MOSFET normalnie wyłączonych (E-MOSFET) o przeciwnych typach kanałów - typu
P(T2) i typu N(T1). Dreny i bramki tych tranzystorów są ze sobą połączone; źródła i podłoża są przyłączone do
linii zasilania. Gdy napięcie wejściowe jest równe napięciu zasilania UI = UCC, tranzystor T1 jest w stanie
przewodzenia, a tranzystor T2 nie przewodzi. Wówczas napięcie wyjściowe jest, praktycznie biorąc, równe 0
(typowe rezystancje tranzystorów przewodzącego i nieprzewodzącego wynoszą odpowiednio, 500 do 750 Ω,
czemu odpowiada stan logiczny „0”. Gdy napięcie wejściowe jest równe 0, tranzystor T1 jest w stanie
nieprzewodzenia a tranzystor T2 w stanie przewodzenia. Wówczas napięcie wyjściowe jest, praktycznie biorąc,
równe napięciu zasilania UCC. Odpowiada temu stan logiczny „1”.

58. Określ zasadę zasilania i podstawowe parametry statyczne i dynamiczne układów TTL,CMOS.

PODSTAWOWE PARAMETRY UKŁADÓW CYFROWYCH
Zasadnicze parametry układów cyfrowych to:
• Czas propagacji, τp
• Moc strat, P
• Współczynnik dobroci, Q
• Marginesy szumowe, M
• Obciążalność, N
• Napięcie zasilania, UCC
• Zakresy napięć stanów logicznych 0 i 1

Zwiększeniu wzmocnienia, a co za tym idzie czułości fototranzystora towarzyszy spadek szybkości i jego
działania w porównaniu z fotodiodami.

Układy TTL zasilane są napięciem 5V ± 5%

Układy CMOS ze względu na duże marginesy zakłóceń mogą być zasilane napięciem 3V-18V i znajdują
zastosowanie w warunkach dużych zakłóceń zewnętrznych

59. Określ podstawowe parametry statyczne i dynamiczne (napięcie zasilania, stany logiczne, charakterystyka
przejściowa, moc tracona, czasy propagacji) układów TTL i CMOS.


Napięcie zasilania zostało „określone” :] w zadaniu poprzednim czyli 15

Czas propagacji. Czas potrzebny na przeładowanie pojemności złączeniowych i dyfuzyjnych. Typowe
wartości czasów propagacji są rzędu nanosekund (wolne układy 100ns, szybkie układy k*0,1ns)

Moc strat. Całkowita moc strat składa się z mocy statycznej P

stat

czyli moc tracona w stanie ustalonym

1 i 0 oraz mocy dynamicznej P

dyn

która zależy od szybkości przełączani układów. Typowe wartości

mocy strat na jedna bramkę to od mikrowatów dla CMOS do miliwatów dla TTL

Marginesy zakłóceń. Różnice wartości napięć na wejściu i wyjściu dla jednakowego stanu 1 i 0..
Określają maksymalna amplitudę sygnału zakłócającego.

Obciążalność. Służy do określenia możliwości współpracy wielu układów w ramach tej samej grupy.
Jest miarą ilości wejść, które mogą być jednocześnie podłączone do jednego wyjścia analogowego.
Wartość ta wynosi od 10 do 40 dla ułądów TTL i CMOS.

Stany logiczne dla układów TTL
-stan niski

(0) – to napięcie 0,2 V (przedział 0V – 0,4 V)

-stan wysoki

(1) – to napięcie 3.5V (przedział 2,4V-5V)

Charakterystyka przejściowa bramki CMOS

Charakterystyka przejściowa bramki TTL została podana w zadaniu niżej

60. Przedstaw charakterystykę przejściową bramki TTL. Zaznacz na niej oczekiwane wartości napięć

.

Charakterystyka przejściowa bramki TTL
bez bocznikowania diodami Schottyky`ego Charakterystyka przejściowa bramki TTL
z bocznikowania diodami Schottyky`ego

Pobór prądu przez bramkę CMOS Pobór prądu przez bramkę TTL

61. Co to jest obciążalność bramki?

Obciążalność bramki określa ile wejść bramek tej samej rodziny można dołączyć do jednego wyjścia bez
zmniejszenia odporności na zakłucenia poniżej gwarantowanego poziomu. Wartość ta wynosi od 10-40W w
zależności od rodziny układów. Obciążalność równa 10 oznacza więc, że do wyjścia bramki można dołączyć 10
wejść. Jeżeli obciążalność jest niewystarczająca, zamiast bramki standardowej stosuje się bramkę mocy. W
układach TTL max obciążenia wynika z wydajności prądowej wyjściowej i wejściowej bramki. Natomiast w
układach CMOS, gdzie wejście ma charakterystyczną pojemność zwiększenia całkowitej pojemności
obciążającej wyjście spowoduje wzrost czasu propagacji układu.

62. Wymień podstawowe parametry rodziny układów TTL standard.

Moc strat na bramkę P=10mW
Czas propagacji τ=10ns
Współczynnik jakości(dobroci) Q=100pJ

Obciążalność N=10
Max częstotliwość pracy f=20MHz
Napięcie zasilania Ucc=5V ±0.25V
zakresy napięć stanów logicznych 0 i 1

63. Porównaj układy cyfrowe wytwarzane w technologii TTL i CMOS.

Zaletą układów CMOS to bardzo mała moc strat w stanie statycznym i przy małej częstotliwości oraz
możliwości pracy przy obniżonym napięciu zasilania co przyczynia się do zmniejszenia mocy strat przy wyższej
częstotliwości (moc strat zależy od Ucc

2

). Do grupy układów „pięciowoltowych” należą serie 4000B, HC, AHC

i AC. Seria 4000B charakteryzuje się szczególnie dużym zakresem zmienności napięcia zasilania i niewielką
szybkością działania. Układy tej serii nie są zgodne końcówkowo i oznaczeniowo z układami TTL. Pozostałe
serie charakteryzują dużą szybkość działania. Serie te mają też pełna zgodność końcówkową i funkcjonalną z
układem TTL. Układ charakteryzuje się dużą obciążalnością oraz dużym marginesem zakłóceń. Wadą jest
mniejsza gęstość upakowania oraz bardzo skomplikowana technologia w porównaniu z innymi układami
unipolarnymi. Bramki TTL- tranzystorowo- tranzystorowe, występuje tranzystor wieloemiterowy. Jeżeli
wszystkie wejścia są w stanie H, prąd płynie przez rezystancje i złącze baza kolektor tranzystora wejścia
spolaryzowany w kierunku przewodzenia do bazy tranzystora, powoduje jego przewodzenie. Jeżeli na jedno z
wejść doprowadzi się niskie napięcie, odpowiednie złącze baza- emiter zaczyna prowadzić i przejmuje prąd
bazy. Powoduje to zatkanie tranzystora i przejście wyjścia do stanu H.

64. Wyjaśnij skróty i symbole: 74S..., 74L..., 74LS..., 74AS..., 74ALS....

Wersja podstawowa TTL

Wersja Schottky TTL

Rozszerzony Schottky TTL

Schottky TTL o niskim poborze prądu

Rozszerzony Scottky TTL o niskim poborze prądu

Szybki TTL

Szybki CMOS

Szybki CMOS na poziomie TTL

Rozszerzony szybki CMOS

Rozszerzony szybki CMOS na poziomie TTL

74

74S

74AS

74LS

74ALS

74F

74HC

74HCT

74AC

74ACT

Standard TTL Version
Schottky TTL
Advanced Schottky TTL
Low Power Schottky TTL
Advanced Low Power Schottky TTL
Fast TTL
High-Speed CMOS
High-Speed CMOS on TTL level
Advanced High-Speed CMOS
Advanced High-Speed CMOS on TTL level

Podstawowe informacje o układach TTL i CMOS z serii 74xxx

Układy logiczne bipolarne z rodziny TTL (Transistor-Transistor Logic)
Wersja podstawowa: Najwcześniej opracowana wersja układów z rodziny TTL. Obecnie już rzadko spotykana i prawie wcale
nieprodukowana. Wersja stosunkowo wolna (10ns na bramkę) i o sporym poborze mocy około 10mW na bramkę. Napięcie
zasilania +4,75V do +5,25V (jak dla wszystkich układów z rodziny TTL).
Wersja 74S: Szybkie układy pracujące na poziomie logicznym TTL (3ns) niestety bardzo prądożerne (20mW). Szybkie
działanie układów z tej serii uzyskano dzięki wbudowaniu w ich strukturę diod Schottky'ego.
Wersja 74AS: Rozbudowana wersja układów z serii 74S, jeszcze szybsza (1,5ns) i niestety zdecydowanie najbardziej
prądożerna (22mW) ze wszystkich układów pracujących na poziomie logicznym TTL.
Wersja 74LS: Następca standardowego układu TTL o zbliżonej prędkości (9ns), ale dzięki wbudowaniu w strukturę diod
Schottky'ego małej mocy pobierający tylko 2mW na bramkę.
Wersja 74ALS: Rozbudowana i udoskonalona wersja układu 74LS o prędkości zbliżonej do układów 74S (4ns) bardziej
jednak od nich oszczędna - tylko 1mW na bramkę.

65. Wymień cele i skutki scalanie układów elektronicznych.

Cele- zwiększenie liczby elementów na jednostce powierzchni
Skutki – zwiększenie wydzielanej mocu w układach scalonych

66. Omów ( narysuj) budowę tranzystora bipolarnego npn w krzemowym
układzie scalonym.













67. Dokonaj klasyfikacji pamięci półprzewodnikowych.

Pamięci półprzewodnikowe dzielą się na:
zapisywalne RAM , których zapisywanie jest podobnie łatwe jak odczytywanie stałe ROM , których
zapisywanie jest znacznie trudniejsze niż odczytywanie i które służą do przechowywania zapisanej wcześniej
informacji

Symbole pamięci a). RAM , b). ROM
Typy pamięci ze względu na technologię wykonania.
Pamięć RAM możemy podzielić na dwie podstawowe grupy:
· pamięci dynamiczne - DRAM,
· pamięci statyczne - SRAM.

68. Wymień parametry pamięci półprzewodnikowych.

Najważniejszymi parametrami specyfikowanymi dla pamięci są:
1) pojemność - Pojemność pamięci (wielkość) oznacza ilość informacji jaką można w niej przechowywać.
2) szybkość - Szybkość pracy pamięci jest parametrem wskazującym na to, jak często procesor lub inne
urządzenie może korzystać z niej.
3) koszt,
4) pobór mocy - Pobór mocy jest też ważnym parametrem, którego znaczenie uwypukla się przy budowaniu
pamięci operacyjnych o bardzo dużych pojemnościach, gdzie istnieje problem połączenia dużej liczby układów
scalonych i odprowadzenie wydzielanego ciepła. -

69. Omów budowę zasadę działania komórki pamięci D-RAM.

D-RAM pamięć dynamiczna z bezpośrednim dostępem do pamięci. Pamięć D-RAM gromadzi dane w postaci
stanów 0 i 1, nie w przerzutnikach bistabilnych lecz w pojemnościach występujących pomiędzy bramką a
źródłem tranzystorów FET z izolowaną bramką. Ładunek z tych pojemności stopniowo odpływa i pamięć ta, co
jakiś czas, musi być odświeżana poprzez ponowne wpisywanie danych.
Matryca przerzutników bistabilnych jest rozgniazdowana w taki sposób, że do każdego z nich jest możliwy
oddzielny dostęp, każde z nich może być w oddzielny sposób adresowana. Standardowy mały układ zawiera
1024 bity, rozgniazdowane w postaci matrycy 32x32.