ELEKTRONIKA
Podstaw Elektroniki
Charakterystyka diód i tranzystorów
pólprzewodnikowych
Wydzial Informatyki
Politechniki Szczecinskiej
Wiadomosci wstepne
Dioda jest to przyrzad elektroniczny z dwiema elektrodami majacy
niesymetryczna charakterystyke pradu plynacego na wyjsciu w funkcji napiecia
na wejsciu.
Dzieki takiej charakterystyce diody mozna je stosowac w wielu ukladach jako element,
który latwo przepuszcza prad w jednym kierunku i prawie nie przepuszcza go w kierunku
przeciwnym. Rozróznia sie diody pólprzewodnikowe pracujace na zasadzie wykorzystania
wlasciwosci zlacza p-n powstalego z polaczenia pólprzewodnika typu n i typu p.
1
Zlacza p-n
Zlacze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale pólprzewodnika wytworzone
zostana dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n.
Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n > niz w obszarze p, w
którym stanowia one nosniki mniejszosciowe. Podobnie w obszarze p
nast epuje wieksza koncentracja dziur. Wskutek róznicy koncentracji
ladunków nast epuje dyfuzja nosników wiekszosciowych.
W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej po stronie obszaru n zanikaja elektrony
swobodne, a pozostaja niezrównowazone elektrycznie dodatnie jony donorów, tworzac
dodatni ladunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje ujemny ladunek
przestrzenny po stronie obszaru p.
Na zlaczu powstaje pole elektryczne i bariera potencjalu. Pole elektryczne
przeciwdziala dyfuzji nosników wiekszosciowych, natomiast sprzyja
przeplywowi nosnik ów mniejszosciowych: elektronów swobodnych z obszaru p
do n i dziur z obszaru n do p. W warunkach równowagi dynamicznej zlacza
prady te wzajemnie sie kompensuja.
Gdy do zlacza p-n doprowadzone zostanie napiecie (dodatnie biegun p, a ujemny biegun n
to bariera potencjalu obniza sie o wartosc tego napiecia (polaryzacja w kierunku
przewodzenia  dobre przewodzenie pradu), oznacza mala rezystancje wewnetrzna.
W przypadku polaryzacji odwrotnej bariera potencjalu zwieksza sie o wartosc tego napiecia
na wejsciu (polaryzacja w kierunku zaporowym ), oznacza duza rezystancje wewnetrzna.
Prad wsteczny zalezy od temperatury zlacza, gdyz jego glówna skladowa jest prad
termiczny.
2
Diody prostownicze
Dioda prostownicza moze byc wytworzona w pytce monokrysztalu
l
germanu lub krzemu w technologii dyfuzyjnej. Na diodzie prostowniczej
(dioda krzemowa), w stanie przewodzenia wystepuje nieznaczny spadek
napiecia rzedu 1 V, a w stanie zaporowym przez diode przeplywa
nieznaczny prad wsteczny silnie zalezy od temperatury zlacza. Przy
przekroczeniu pewnej wartosci napiecia wstecznego Umax prad wsteczny
szybko wzrasta, co moze spowodowac uszkodzenie diody. Dopuszczalna
temperatura zlacza p-n diod germanowych jest rzedu 90oC, a zlacz
krzemowych okolo 150oC. Diody prostownicze duzej mocy s zwykle
a
zaopatrzone w radiatory, chlodzone wymuszonym obiegiem powietrza.
Diody Zenera
Specjalne diody krzemowe, w których wykorzystuje sie zakrzywienie
charakterystyki pradowo-napieciowej w obszarze przebicia (kierunek
zaporowe). Przyczyna gwaltownego wzrostu pradu w tej warstwie
wywolane jest na skutek jednego z dwóch zjawisk: jonizacje Zenera
(przebicia Zenera), oraz jonizacje lawinowa (powielanie lawinowe).
Jonizacja Zenera wystepuje jezeli natezenie pola elektrycznego w poblizu zlacza p-n jest
bardzo silne (5.107V/m - duze domieszkowanie). Jonizacja polega na przechodzeniu
elektronów z pasma walencyjnego p i przenoszeniu ich przez bariere do pasma
przewodnictwa n. Powstale pary nosników elektron-dziura zwiekszaja prad wsteczny.
Jonizacja lawinowa polega na tym, ze nosniki mniejszosciowe tworzace prad wsteczny,
przyspieszane przez pole elektryczne ulegaja zderzeniom. Jonizacja spowodowana jest
bombardowaniem atomów siatki krystalicznej przez rozpedzone elektrony powodujace
lawinowy proces tworzenia sie nowych nosnik ów (pary nosników wtórnych)
zwiekszajacych szybko prad wsteczny.
3
Diody
luminescencyjne LED
Zjawisko elektroluminescencji polega na wytwarzaniu swiatla pod
wplywem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w
spolaryzowanym zlaczu p-n (wprowadzanie duzej liczby nosników
mniejszosciowych przez zlacze spolaryzowane w kierunku przewodzenia do
obszaru, w którym moga one latwo rekombinowac z nosnikami
wiekszosciowymi). Przechodzenie elektronów z wyzszego poziomu
energetycznego na nizszy powoduje wydzielanie energii w postaci swiatla.
W zaleznosci od materialu, z którego wykonano diode, otrzymuje sie diody swiecace
czerwono, zielono itp. kolory otrzymuje sie przez odpowiednie dozowanie domieszek
fosforu (przesuniecie czestotliwosc promieniowania do pasma widzialnego). Najczesciej
stosowane do produkcji diody LED jest np. arsenku galu GaAs, którego czestotliwosc
promieniowania lezy w pasmie podczerwieni.
Tyrystory
Diody sterowane o strukturze czterowarstwowej p-n-p-n z krzemu. Przy
otwartym lacznik W tyrystor nie przewodzi pradu, wywolanie krótki impuls pradu
w obwodzie bramki powoduje wprowadzenie tyrystor w stan przewodzenia (plynie prad
anodowy). Gdy do tyrystora jest doprowadzone napiecie polaryzujace (dodatnio anode
wzgledem katody), zewnetrzne zlacza z1 i z3 sa spolaryzowane w kierunku przewodzenia , a
zlacze srodkowe z2 jest spolaryzowane zaporowo. Przez zlacza z2 przeplywaja dwa
prady: prad kolektora tranzystora p-n-p oraz prad kolektora tranzystora n-p-n.
Przy ujemnej polaryzacji anody wzgledem katody tyrystor znajduje sie w stanie zaporowym
(analogiczne do charakterystyki diody krzemowej w obszarze napiec wstecznych). Przy
polaryzacji dodatniej tyrystor znajduje sie w stanie blokowania ( jezeli napiecie nie
przekracza wartosci napiecia przelaczania Up a mianowicie pradu bramki IB). Gdy napiecie
anodowe osiagnie Up tyrystor przechodzi w stan przewodzenia (napiecie spada do wartosci
1V a prad wzrasta do wartosci zaleznej od rezystancji obwodu zewnetrznego).
4
Prostownik niesterowane
jednopolówkowe
Prostownikiem jednopolówkowym jest prostownik, w którym po procesie
prostowania pozostaja tylko te czesci przebiegu, które sa jednego znaku, a
czesci przeciwnego znaku pozostaja wyeliminowane.
Dioda w zaleznosci od zalaczenia przewodzi prad tylko w jednym kierunku, gdzie tylko
napiecie dodatnie na jej anodzie jest wieksze niz potencjal katody. W pólokresie ujemnym
dioda nie przewodzi i cale napiecie doprowadzone do prostownika wyst epuje na diodzie
jako tzw. napiecie wsteczne prostown.
Prostowniik niesterowane
dwupolówkowe
Prostownikiem dwupolówkowym jest prostownik, w którym po procesie
prostowania pozostaja czesci przebiegu, które sa jednego znaku i dodaja sie do
nich po zmianie znaku czesci, które mialy znak przeciwny.
Dla ukladu sterowanego przez transformatora, na Gdy mamy prostownik w ukladzie
diodzie D1 wystepuje dodatnie napiecia, a na diodzie mostkowym (Graetza) to zgodnie z
D2 ujemne i odwrotnie. Wynika to z faktu, ze srodek rysunkiem przewodzi dioda D1, a nie
uzwojenia wtórnego transformatora jest uziemiony przewodzi dioda D2, w tym czasie w
dzieki czemu mamy sytuacje, w której dioda D1 drugiej galezi przewodzi dioda D3, a
przewodzi, a dioda D nie przewodzi i odwrotnie w D4 nie przewodzi i odwrotnieD2 i D4
2
zaleznosci od polówki napiecia. przewodzi, a D1 i D3 nie przewodzi.
5
Prostowniki niesterowane trójfazowe
jedno i dwupolówkowe
Prostowniki wielofazowych moga wystepowac jako jednopolówkowe lub
dwupolówkowe, stosowanie w nich diody (element sterowany) umozliwia zmiane
fazy napiecia wyprostowanego, a tym samym sterowanie wartoscia skuteczna pradu i
napiecia wyprostowanego.
Dla prostownika jednopolówkowego, prady w W przypadku prostownika dwu-
poszczególnych zaworach przewodza kolejno. polówkowy. Prady moga byc wyrazone
Prady moga byc wyrazone wzorem ogólnym: wzorem ogólnym:
U 2
m
U 2
m I = sin( t - k )
k
I = sin( t - k )
k
R 6
R 3
Prad w odbiorniku jest suma pradów skladowych Prad w odbiorniku i=i1+i2+...+i6.
i=i1+i2+i3. Komutacja pradu odbywa sie co 1/3 Komutacja pradu odbywa sie co 1/6
okresu. Wartosc srednia napiecia wyprostowanego : okresu. A napiecia srednie wynosi:
3 3
Usr = 3 " U , a Wsp.tetn tk = 0.187 Usr = 6 " U , a Wsp.tetn tk = 0.040
2 m 2 m
Prostowniki
sterowane
Uklady w których zastosowano w obwodzie tyrystor.
Przy braku impulsów sterujacych, tyrystor nie przewodzi pradu dla dodatnie i ujemnej pólfali
napiecia.Wyzwolenie tyrystora impulsem pradowym moze nast apic tylko w czasie dodatniej
pólfali napiecia a w chwili tyrystor jest zablokowany.
1
Srednia wartosc napiecia dla danego kata ą mozna obliczyc ze wzoru: U2sr = Um(1+ cos )
2
W ukladach trójfazowych, aby uzyskac ciaglosc przeplywu pradu obciazenia w szerokim
zakresie zmian kata ą, stosuje sie filtry indukcyjne o duzej indukcyjnosci. Prad obciazenia w
takich przypadkach jest zblizony do pradu stalego. Regulacja napiecia prostownika trójfazowego
odbywa sie w zakresie zmian kata ą=0 do ą=Ą/2.
6
TRANZYSTORY
Tranzystor jest to przyrzad z trzema elektrodami, majacy w
lasciwosci
wzmacniania sygnalu elektrycznego.
Tranzystory dzieli sie ze wzgledu na zasade pracy  na bipolarne i unipolarne oraz ze wzgledu na
technologie  na warstwowe i ostrzowe. Zaleta tranzystorów jest duza trwalosci i odpornosci na
wstrzasy mechaniczne wada zas j wieksza wrazliwosc na zmiany temperatury i mala
est
odpornosc na zwarcia i iskrzenia ukladów z tranzystorami.
Tranzystory
bipolarny
Nazwa bipolarny wynika z istnienia dwóch rodzajów nosników:
wiekszosciowych i mniejszosciowych. Emiter i kolektor w tranzystorach maja
ten sam typ przewodnictwa nie zalezne od polaczenia obszarów.
Pod wplywem pradu stalego, zlacze emiter-baza spolaryzowane jest w kierunku
przewodzenia (dziury emitera (obszar p) w wiekszosci wedruje przez baze do obszaru
kolektor). Pozostale zanikaja po drodze w bazie w skutek rekombinacji z nosnikami
wiekszosciowymi (elektronami) bazy. Prad kolektora tworza dziury przechodzace z emitera
(kilka mA, zalezy bezposrednio od napiecia UBE polaryzujacego (ok. 0,2 V) i malo zalezy
od napiecia polaryzujacego wstecznie zlacze kolektorowe (ok. 10V)).
Duzy prad kolektora zalezy od malego pradu bazy. Z tego faktu wynikaja wlasciwosci
wzmacniajace tranzystora.
7
Tranzystory unipolarne
Tranzystory z izolowana
elektroda sterujaca,
T ranzystory, w których bramka oddzielona jest od pólprzewodzacego podloza
izolacyjn a warstwa tlenkowa MOS.
Metalowa elektroda sterujaca G (bramka) wraz z podlozem p i rozdzielajaca warstwa
izolacyjn a SiO2 tworza rodzaj kondensatora. Jezeli na jego biegunowosc zostaje
doprowadzone napiecie sterujace, tak ze na elektrodzie G zgromadzi sie ladunek dodatni, to
w górnej warstwie podloza powstaje kanal umozliwiajacy przeplyw pradu elektronowego ze
zródla S do drenu D. Przy braku napiecia sterujacego tranzystor nie przewodzi prad.
Rezystancje wejsciowa tranzystora wynosi az do 1016&!.
Tranzystory unipolarne
tranzystory zlaczowe
Tranzystory unipolarne stanowia grup e elementów sterowanych polem
elektrycznym. W zaleznosci od sposobu doprowadzenia sterujacego pola
elektrycznego rozróznia sie dwa rodzaje tranzystorów: tranzystory zlaczowe i
tranzystory z izolowana elektroda sterujaca.
Tranzystory zlaczowe: plytka krzemowa o przewodnictwie typu n z dwoma metalicznymi
elektrodami (S-zródlo i D-dren). Po obu stronach plytki wytworzone sa silnie
domieszkowane obszary typu p (doprowadzenie metaliczne stanowiace elektrode sterujaca
G (bramka)).
? Jezeli bramka jest odlaczona (UGS=0-napiecia sterujace), to kanal stanowi mala
rezystancje i w obwodzie wyjsciowym plynie duzy prad.
? Jezeli bramka jest wlaczona (UGS`"0-polaryzujacego zlacza p-n zaporowo),to kanal
stanowi duza rezystancje wejsciowa tranzystora 106  1011&! (zmniejsza sie czynnego
przekroju kanalu pradu wyjsciowego ISD.
8
Tranzystor jako
wzmacniacza
Tranzystor moze pracowac jako wzmacniacz w trzech podstawowych uk ladach:
Uklad ze wspólna baza WB, ze wspólnym emiterem WE, ze wspólnym kolektorem
WC. Kazdy z tych ukladów ma inna wlasciwoscia pod wzgledem wzmocnienia,
impedancji wejsciowej i wyjsciowej.
Uklady WB, WE i WC charakteryzuje sie: WB - mniejsza opornoscia wejsciowa i ogromna
opornoscia wyjsciowa (WC - odwrotnie) , WB - duzym wzmocnieniem napieciowym (kilka
razy), a wzmocnienie pradowe równe jest prawie jednosci (WC - odwrotnie). Uklady WB i WC
nieodwracaja fazy i charakteryzuja sie prawie najwiekszym pasmem przenoszenia. WE -
srednia opornoscia wejsciowa i duza opornoscia wyjsciowa, duzym wzmocnieniem
napieciowym (kilka razy) i pradowym kilka razy wiekszym, odwraca fazy o 180oi
charakteryzuje sie szerokim pasmem przenoszenie jako pasmo czestotliwosci pracy ukladu.
Wzmacniacze
operacyjne
Wzmacniacze pradu stalego ze sprz ezeniem zwrotnym
(oddzialywanie sygnalu wyjsciowego na obwód wejsciowy w celu
poprawienia ich wlasciwosci, utrzymania stalego wzmocnienia
niezaleznie od dzialania róznych czynników zaklócajacych).
Wzmacniacz
U2
Ku
U1
US
US Bu U2
Idealny wzmacniacz operacyjny powinien wykazac minimum: nieskonczenie
duze wzmocnienie przy otwartej petli sprzezenia zwrotnego, szerokie pasmo,
duza impedancje wejsciowa (miedzy wejsciami oraz miedzy masa a wejsciami)
i zerowa impedancje wyjsciowa oraz niezaleznosc jego parametrów od
temperatury.
9
Rodzaje wzmacniaczach
operacyjne
Wzmacniacz nieodwracajacy fazy - wzmocnienie ukladu wyraza sie wzorem:
U R + R
2 1 2
K = =
i zalezy tylko od wartosci rezystorów w ukladzie
U R
1 1
sprzezenia zwrotnego.
Wzmacniacz odwracajacy fazy - Wzmocnienie uk ladu wyraza sie wzorem:
U R
2 2
, gdzie R2=R1 uklad wykazuje wzmocnienie równe jednosci.
K = = -
U R1
1
Rodzaje wzmacniaczach
operacyjne
Wzmacniacz calkujacy - nazywamy takze filtrem dolnoprzepustowym RC
gdzie napiecie wyjsciowe jest proporcjonalne do calki napiecia wejsciowego.
Identyczne dzialanie uzyskuje sie poprzez zastosowanie kondensatora w
obwodzie sprzezenia zwrotnego.
Wzmacniacz rózniczkujacy - nazywamy filtrem górnoprzepustowym RC, napiecie
wyjsciowe jest proporcjonalne do pochodnej napiecia wejsciowego. W przeciwienstwie do
ukladu calkujacego w ukladzie rózniczkujacym zamiast kondensatora w galezi sprzezenia
zwrotnego znajduje sie rezystor.
10