Cw.1 DIODY

1. Omówić budowę i właściwości półprzewodnika samoistnego i domieszkowanego.

PÓŁPRZEWODNIKI obejmują obszerną grupę materiałów, które ze względu na przewodnictwo elektryczne zajmują pośrednie miejsce pomiędzy metalami a izolatorami. Maja one odwrotną niż dla metali zależność przewodnictwa elektrycznego od temperatury. W niskich temperaturach półprzewodnik staje się izolatorem. W szerokim zakresie temperatur przewodnictwo przewodników szybko rośnie wraz ze wzrostem temperaturą. Drugą ważną cechą półprzewodników jest zmiana przewodnictwa elektrycznego w wyniku niewielkich zmian ich składu. Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu

Wyróżniamy trzy rozdaje półprzewodników: samoistne, typu n i typu p (półprzewodniki niesamoistne)

PÓŁPRZEWODNIK SAMOISTNY W półprzewodniku samoistnym mamy do czynienia z generacją par elektron-dziura, w związku z czym koncentracja elektronów i dziur jest taka sama i nosi nazwę koncentracji samoistnej.

PÓŁPRZEWODNIK NIESAMOISTNY jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryształu zamiast atomów pierwiastka materiału półprzewodnikowego znajduje się inny atom ( np. w sieci krystalicznej krzemu znajduje się fosfor). Powstaje wówczas tzw. półprzewodnik domieszkowany, a ten inny atom nazywamy domieszką. Rozróżniamy dwa rodzaje domieszek: donorową i akceptorową.

2. Omówić zasadę działania stabilizatora napięcia z zastosowaniem diody Zenera.

DIODY ZENERA to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napięcia. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Diody te stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięcia odniesienia itp.

PARAMETRY CHARAKTERYZUJĄCE DIODY STABILIZACYJNE:

-napięcie stabilizacji - U_Z,

-prąd stabilizacji - I_Z,

-napięcie przewodzenia - U_F, przy określonym prądzie przewodzenia,

-prąd wsteczny diody - I_R, przy określonym napięciu wstecznym,

-rezystancja dynamiczna - r_Z, której wartość zmienia się w zależności od napięcia stabilizacji:

Rezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji UZ = 6 ÷ 8 V.

- temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji - α_Uz,

;

Zależy od napięcia stabilizacji. Ma wartość ujemną dla diod z przebiciem Zenera (UZ<5 V), a dodatnią dla diod z przebiciem lawinowym (UZ>7 V).

3. Omówić zasadę działania tranzystora unipolarnego FET, rodzaje i charakterystyki.

TRANZYSTOR UNIPOLARNY, FET (ang. Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.

Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: ŹRÓDŁEM (symbol S od angielskiej nazwy source) i DRENEM (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. KANAŁ, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate).

DZIAŁANIE: Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło. Jeśli rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu megaomów) wówczas mówi się, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło praktycznie nie płynie. Natomiast jeśli rezystancja jest niewielka (kilkadziesiąt, kilkaset omów), mówi się, że kanał jest otwarty, prąd osiąga wówczas maksymalną wartość dla danego napięcia dren-źródło.

Ze względu na budowę i sposób działania tranzystorów polowych, prąd bramki praktycznie nie płynie (jest rzędu mikro-, nanoamperów), dzięki temu elementy te charakteryzują się bardzo dużą rezystancją wejściową oraz dużą transkonduktancją.

TYPY TRANZYSTORÓW POLOWYCH:

1. Złączowe (JFET, Junction FET), w których bramka jest połączona z obszarem kanału; ze względu na rodzaj złącza bramka-kanał rozróżnia się:

a) tranzystory ze złączem p-n (PNFET)

b) tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MEtal-Semiconductor FET, MESFET).

2. Z izolowaną bramką (IGFET, Insulated Gate FET) - bramka jest odizolowana od kanału; ze względu na technologię wykonania rozróżnia się tranzystory:

a) MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) wykonane z półprzewodnika monokrystalicznego; ponieważ tutaj najczęściej rolę izolatora pełni tlenek krzemu SiO2 (ang. oxide), toteż tranzystory te częściej nazywa się MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET) lub krócej MOS. Dodatkowo tranzystory MOS dzieli się na:

- tranzystory z kanałem zubożanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest otwarty;

- tranzystory z kanałem wzbogacanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest całkowicie zatkany.

b) TFT (Thin Film Transistor) wykonane z półprzewodnika polikrystalicznego. Ponieważ tranzystory tego typu są wytwarzane w taki sam sposób, jak układy scalone cienkowarstwowe, toteż nazywane są tranzystorami cienkowarstwowymi.

4.Podać różnice pomiędzy tranzystorami bipolarnymi i unipolarnymi

TRANZYSTOR BIPOLARNY posiada trzy wyprowadzenia - emiter (E), baza (B), kolektor (C), przepływający przez niego prąd reguluje się poprzez przyłożenie napięcia między bazą a emiterem. W tranzystorach PNP prąd płynie od emitera (o wyższym potencjale) do kolektora, w NPN na odwrót.

struktura i symbol tranzystora npn	struktura i symbol tranzystora pnp

TRANZYSTOR UNIPOLARNY (polowy) posiada trzy wyprowadzenia - dren (D), bramka (G), źródło (S), regulacja odbywa się poprzez regulację napięcia między źródłem a bramką. W technice MOSFET regulacja wygląda tak samo, możliwe jest też wytworzenie tranzystorów wstępnie otwartych, które możemy regulować zarówno dodatnim jak i ujemnym napięciem oraz tranzystorów wielo bramkowych oraz tranzystorów z izolowaną bramką.

Uproszczona budowa tranzystora z kanałem typu N
z kanałem typu N	z kanałem typu P

5.Omówić rodzaje polaryzacji tranzystora bipolarnego.

TRANZYSTOR składa się z dwóch złączy p-n, które mogą być spolaryzowane w kierunku przewodzenia jak i w kierunku zaporowym. W związku z tym wyróżniamy cztery stany pracy tranzystora 1.    Aktywny 2.    Nasycenia 3.    Zatkania 4.    Inwersyjny.

Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, natomiast w układach cyfrowych w stanie zatkania lub nasycenia.

STAN PRACY TRANZYSTORA I ODPOWIADAJĄCA IM POLARYZACJA ZŁĄCZA

 

Stan tranzystora	Kierunki polaryzacji złączy tranzystora
		złącze emiter - baza	złącze kolektor - baza
Zatkanie	zaporowy	zaporowy
Przewodzenie aktywne	przewodzenia	zaporowy
Nasycenie	przewodzenia	przewodzenia
Przewodzenie inwersyjne	zaporowy	przewodzenia

 

Polar. zaporowa	Polar. w kierunku przewodzenia
Uce - napięcie zasilania obwodu kolektora Ib - prąd bazy Ic - prąd kolektora Ub - napięcie zasilania złącza baza-emiter

6. Omówić parametry wzmacniacza pracującego w układzie OE, OB, OC

UKŁADY PRACY TRANZYSTORA:

wspólny emiter (OE)

wspólna baza (OB)

wspólny kolektor (OC)

Parametr	OC	OE	OB
Rezystancja wejściowa	duża	średnia	mała
Wzmocnienie napięciowe	mniejsze od jedności	duże	średnie
Wzmocnienie prądowe	duże	średnie	mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa	mała	duża	duża

7. Co to jest punkt pracy tranzystora i na czym polega jego stabilizacja

ROZRÓŻNIA SIĘ CZTERY STANY PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO:

- stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym

- stan nasycenia: złączą BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia

- stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo

- stan aktywny inwersyjny: BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym)

STAN AKTYWNY tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkuset).

STANY NASYCENIA I ZAPOROWY stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.

STAN AKTYWNY INWERSYJNY nie jest powszechnie stosowanych, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

8. Omówić zasadę działania tranzystora unipolarnego MOSFET, rodzaje i charakterystyki

TRANZYSTOR MOSFET Z KANAŁEM TYPU N.

Metalowa bramka połączona jest z izolacyjną warstwą tlenku, który z kolei sąsiaduje z materiałem podłoża.

Elektrody źródła S i drenu D doprowadzone są do obszarów typu n w głębi płytki. Żadna kombinacja napięć doprowadzonych do końcówek S i D nie powoduje przepływu prądu między elektrodami, gdyż co najmniej jedno złącze p-n (podłoże-źródło, podłoże-dren) będzie spolaryzowane zaporowo. Transmisja prądu zatem może się odbywać tylko przy udziale bramki G, która oddziałuje polem elektrycznym poprzez warstwę izolatora.

ZE WZGLĘDU NA TYP PRZEWODNICTWA KANAŁU WYRÓŻNIA SIĘ tranzystory polowe z izolowaną bramką z kanałem typu n i p.

ZE WZGLĘDU NA RÓŻNICE W SPOSOBIE UZYSKIWANIA WŁAŚCIWOŚCI STERUJĄCYCH KANAŁU WYRÓŻNIA SIĘ:

- tranzystory normalnie wyłączone (ang. normally off) inaczej z kanałem wzbogacanym,

- tranzystory normalnie włączone (ang. normally on) inaczej z kanałem zubożanym.

CHARAKT. PRZEJŚCIOWE DLA CZTERECH RODZAJÓW TRANZYSTORÓW MOS:

W TRANZYSTORACH NORMALNIE WŁĄCZONYCH kanał już istnieje przy braku pola­ryzacji bramki (przy uG = 0) i może płynąć duży prąd drenu. Tranzystory te mają bowiem kanał specjalnie wbudowany lub trwale zaindukowany ładun­kiem powierzchniowym zgromadzonym w izolatorze przy granicy z podłożem. Działając napięciem bramki można zmniejszyć konduktancję kanału, tj. zubo­żyć go w sensie zmniejszania liczby nośników

PRZYKŁADOWA CHARAKTERYSTYKA WYJŚCIOWA TRANZYSTORA MOSFET Z KANAŁEM TYPU N (NORMALNIE WYŁĄCZONY)

W zakresie nienasycenia, gdy napię­cie drenu UDS jest małe w porów­naniu z napięciem bramki UGS, kanał spełnia funkcję liniowego rezystora łączącego źródło z dre­nem. W tym zakresie napięcia drenu zmiany prądu ID w funkcji napięcia UDS są w dużej części liniowe. W miarę wzrostu UDS zwiększa się wartość prądu ID i na rezystancji kanału odkłada się znaczny spadek napięcia.

9. Omówić zasadę działania tranzystora IGBT, jego charakterystyki i zastosowanie

TRANZYSTOR MOCY IGBT

Tranzystory IGBT mają moce sięgające kilkuset kilowatów. Częstotliwość łączeń dochodzi do 20 kHz, maksymalne wartości napięć blokowania wynoszą około 3 kV a prądy znamionowe osiągają tysiące amperów. Niezwykle ważną zaletą IGBT jest - przejęta od tranzystora MOSFET - łatwość sterowania poprzez zmianę potencjału izolowanej bramki. Niestety wadą tego tranzystora jest występujący dość duży spadek napięcia na przewodzącym złączu w stanie przewodzenia - około 2,5 V. Jednak dzięki pracy przy wysokiej częstotliwości straty mocy IGBT są mniejsze niż w klasycznym tranzystorze bipolarnym.

SYMBOLE STOSOWANE DO OZNACZANIA TRANZYSTORÓW IGBT.

CHARAKTERYSTYKI PRĄDOWO-NAPIĘCIOWE TRANZYSTORA IGBT

Charakterystyka wyjściowa	Chartka. przejściowa

ZASADA DZIAŁANIA TRANZYSTORA IGBT

Doprowadzenie źródła tranzystora MOSFET połączone z kolektorem tranzystora pnp nazywane jest źródłem. Emiter otrzymał zaś nazwę drenu. Najpopularniejszy sposób oznaczania IGBT korzysta z symbolu tranzystora bipolarnego npn, w którym emiter oznaczony jest jako kolektor, a połączenie kolektora i drenu nosi nazwę emitera (symbol środkowy z rysunku). Tranzystor MOSFET steruje bazą tranzystora bipolarnego pnp zapewniając szybkie przechodzenie od stanu blokowania do przewodzenia i na odwrót. Stan blokowania IGBT występuje gdy napięcie między bramką a źródłem jest niższe od wartości progowej UGS(th), wielkości znanej z tranzystora MOSFET. Dołączone napięcie dren-źródło powoduje przepływ bardzo małego prądu upływu.

Kiedy napięcie bramka-źródło przekroczy wartość progową (ang. treshold voltage) tranzystora MOSFET struktury IGBT to zaczyna on przewodzić - płynie prąd drenu określony napięciem kolektor-emiter oraz wartością napięcia sterującego UGE.

Niektóre egzemplarze IGBT charakteryzują się wysokimi wartościami prądu znamionowego - rzędu tysiąca amperów. Tranzystory IGBT łatwo łączy się równolegle, ze względu na dobrą kontrolę nad zmianami parametrów pomiędzy tymi elementami. Jest to skutkiem występowania niewielkich zmian napięcia na przewodzącym złączu w funkcji temperatury. Dostępne są zatem moduły zawierające do sześciu tranzystorów połączonych równolegle, mogące przewodzić prądy o wartościach do 1500 amperów.

Od lewej

- symbol diody stabilizacyjnej

- schemat zastępczy

- schemat stabilizatora z dioda stabilizacyjną

- charakterystyka prądowo napięciowa

Gdzie:

Uz-nap. stabilizacji

Uf-nap. Przewodzenia

Ir- prad wsteczny

Rz-rezystancja dynamiczna

(-)

(+)

U_wy

U_we

DZ

R

U_Z

r_Z

PO LEWEJ: Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UGS dla różnych wartości napięcia UDS. (charakterystyka przejściowa)

PO PRAWEJ: Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UDS dla różnych wartości napięcia UGS (charakterystyka wyjściowa GORA: tranzystor polowy złączowy

---