Złącze półprzewodnikowe
Efekty przebicia
i
u
efekt Zenera dioda tunelowa
efekt lawinowy
(tunelowanie) (tunelowanie)
(lawina)
Stopień domieszkowania
Złącze półprzewodnikowe
-Esaki 1957
-ekstremalnie silne domieszkowanie
Dioda tunelowa
-szerokość złącza ~ 10nm
i
u
Kilka
setnych
wolta
i
u
Dioda tunelowa
i=0
dyfuzja
Maksimu
Pasmo
m
przewo-
Obszar p
dla prÄ…du
Obszar p
Obszar p
dnictwa
Tunelowanie
Tunelowanie w
Tunelowanie w
niemożliwe
obu kierunkach
jednym kierunku
przewodzenie -
ograniczenia -
brak
równanie diody
+
zakaz Pauliego
zakazu Pauliego
+
µ
_
_
Obszar n
Obszar n
Pasmo
Pasmo
Obszar n
Obszar n
walencyj-
walencyj-
ne
ne
u=0
U~0.05 V
U~0.5 V
`
Dioda tunelowa
i
u
Ujemna oporność
Ujemna oporność
Możliwość odtłumienia
dynamiczna:
dynamiczna:
układu
du
r =
L
di
r C
RL
Dioda tunelowa
Możliwość odtłumienia
Ujemna oporność
układu
dynamiczna:
L
L
r C
U(t) U(t)
C
RL
RL
U(t)
U(t)
t
t
Tranzystor bipolarny
Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów  transfer i  .
rezystor
Konstrukcja (1948): J. Bardeen W.H. Brattain.
Nobel 1956
Budowa (1949): W.B. Shockley
metoda ostrzowa (1948) konstrukcje współczesne
Tranzystor bipolarny
Budowa i zasada działania
ZÅ‚Ä…cze emiterowe:
ZÅ‚Ä…cze kolektorowe:
polaryzacja przewodznia
polaryzacja zaporowa
B
E
C
n
p n
baza
emiter
kolektor
Obszar
Obszar stosunkowo słabo domieszkowany,
stosunkowo silnie
rozmiar bazy jest niewielki (taki by
domieszkowany
występowały w nim gradienty koncentracji
wstrzykiwanych nośników!!!)
Uwaga:
1. Analogicznie konstruuje siÄ™ tranzystory p-n-p
2. sposób domieszkowania i rozmiary złącza wynikają z zasady działania
Tranzystor bipolarny
I
ZÅ‚Ä…cze emiterowe:
ZÅ‚Ä…cze kolektorowe:
polaryzacja przewodzenia
polaryzacja zaporowa
B
B
E
C
IE
IC
SÅ‚abe domieszkowanie bazy:
IB1
1. mała rekombinacja (mały IB1)
rekombinacja
IB2
2. mały prąd dyfuzji IB2
IB=IB1+IB2
IE
Silne domieszkowanie emitera:
IE duży w stosunku do IB2
Tranzystor bipolarny
I
ZÅ‚Ä…cze emiterowe:
ZÅ‚Ä…cze kolektorowe:
polaryzacja przewodzenia
polaryzacja zaporowa
B
B
E
C
IE
IC
PrÄ…d kolektora IC
IB1
rekombinacja
IB2
zależy silnie od
napięcia UBE
IB
IE=IB+IC
Zasada działania:

Potencjał baza emiter wyznacza wielkość prądu
dyfuzyjnego wstrzykiwania nośników z emitera
do bazy

Wstrzykniete do bazy nośniki dyfundują w
obszarze bazy do złącza kolektorowego, gdzie są
unoszone
Układ zachowuje się jak sterowane z
ródło pradu
Prąd sterowany jest napięciem baza-emiter
Tranzystor bipolarny
Zależność prądu kolektora IC od napięcia
pomiędzy bazą i emiterem UBE opisuje
równanie Ebersa-Molla:
eÅ"U
BE
IC=I0 exp -1
( )
( )
kT
Tranzystor bipolarny
Powyżej pewnego
Podstawowe charakterystyki:
napięcia UCE występuje
mała zmienność prądu
kolektora IC
C
IC
n
UE C
IB
p
B
n
UB E
IE
E
Tranzystor bipolarny
Punkt pracy układu:
IC
Zbiór stałych napięć
IC0
występujących w układzie i
stałych prądów w nim
płynących
UCE
UCE0
Dla dowolnego przebiegu S(t) przyjmujemy:
S(t) = S0 + s(t)
S(t)
s(t
S0
)
sygnał
Składowa stała
(prÄ…dowy lub
(prądu lub napięcia)
t
Napięciowy)
DUŻE LITERY
małe litery
Tranzystor bipolarny
C
IC
IC
Dla tranzystora punkt pracy
IC0
n
IB
stanowi zbiór:
p
UCE
B
UCE
n
{ UBE0 , UCE0 , IB0 , IC0 , IE0 }
UBE
UCE0
IE
E
Jeśli:
UCE(t)=UCE0+ uCE(t)
IC=IC(U ,UCE), UBE(t)=U + uBE(t),
BE BE0
" IC " IC
IC(t)=IC0+ Å"uBE(t)+ Å"uCE(t)
oraz uBE i uCE są małe to :
"U "UCE U =const
BE
UCE=const
BE
" IC "UCE
gm= , rC=
iC(t)=IC(t)-IC0 ,
PrzyjmujÄ…c:
"U " IC U =const
BE
BE
UCE=const
uCE(t)
mamy:
iC(t)=gmÅ"uBE(t)+
rC
Tranzystor bipolarny
uCE(t)
iC(t)=gmÅ"uBE(t)+
rC
" IC
"UCE
gm=
rC=
"U
" IC U =const
BE
BE
UCE=const
konduktancja wzajemna kolektorowa oporność
dynamiczna
Tranzystor bipolarny
uCE(t)
iC(t)=gmÅ"uBE(t)+
rC
Składowa prądu kolektora Składowa prądu kolektora
niezależna o napięcia na zależna bezpośrednio od
kolektorze UCE napięcia na kolektorze UCE
prÄ…d limitowany przez
dynamiczną oporność
sterowane z
ródło prądu
kolektora
(sterowane przez uBE(t))
Tranzystor bipolarny
Tranzystor jako hybryd Ą - model tranzystora dla małych sygnałów
y
ródło prądu
Pojemność istotna dla
wysokich częstości (w.cz.)
Cµ
iB(t)
rb
iC(t)
B
C
B
rĄ rC
uBE(t) uCE(t)
gmuBE(t)
E
Tranzystor bipolarny
Hydrodynamiczny model tranzystora
Pompa dyfuzyjna
 wsiÄ…kanie
(napięcie UBE)
IE
B
baza
IB
PD
E
dB
Emiter
UE
dB
IC
C
UB
kolektor
UC
UC
Tranzystor bipolarny
Symbole tranzystora bipolarnego
C C
C C
n
p
B B
B B
p
n
=
=
n
p
E E
E E
typ p - n - p
typ n - p - n
Tranzystor bipolarny
Stabilizowany zasilacz stałoprądowy
+
uC
u
u
stabilizator
- u1
p
2
-
+
Najprostszy
Potrzebujemy:
filtr
1. regulowanego elementu
Stabilizator
(TRANZYSTORA)
regulowanego poprzez sygnał
błędu:
R0
napięcie wyjściowe <=
napięcie wzorcowe
2. z
ródła napięcia wzorcowego
np. dioda Zenera
Element regulacyjny: TRANZYSTOR
Tranzystor bipolarny
Nasz pierwszy układ elektroniczny zbudowany z użyciem tranzystora
Stabilizowany zasilacz stałoprądowy
stabilizator
+
+
-
uBE
uC
up
u2
u1
R
uZ
-
-
+
Najprostszy filtr
Tranzystor bipolarny
Nasz pierwszy układ elektroniczny zbudowany z użyciem tranzystora
u
u1
uBE
u1
u2
R
uZ
u2
t
Napięcie błędu uZ  u2 = UBE steruje prądem tranzystora!
Napięcie u2 nie zależy od u1 oraz od prądu obciążenia
Tranzystor bipolarny
Do zapamiętania:
Dla prawidłowo spolaryzowanego tranzystora w układzie liniowym:
UBE ~ 0.7 V ( dla Si)
a napięcie UCE ~ kilka- kilkaset V (zależnie od typu)
Więcej informacji w internecie np.
l
http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/bipolarne.htm
Tranzystor unipolarny
Tranzystor unipolarny <= prÄ…d jest wynikiem
ruchu jednego typu nośników, to jest
nośników większościowych
Tranzystory umożliwiają sterowanie przepływem
stosunkowo dużego prądu, za pomocą pewnego
sygnału o stosunkowo małej mocy.
Główne zastosowania:
1. do wzmacniania małych sygnałów
2. do przetwarzania informacji w postaci cyfrowej.
Tranzystor unipolarny - JFET
Zasada działania, rozważamy układ: z
ródło (source), kanał z przegrodą (gate) i ujście (dren)
Widok z góry
D
G
S
ujście
z
ródło
Ruchoma
przegroda
(bramka)
Widok z boku
z
ródł
D
o
G
S
ZamykajÄ…c lub otwierajÄ…c bramkÄ™ sterujemy prÄ…dem
Tranzystor unipolarny - JFET
Budowa w oparciu o materiał półprzewodnikowy:
Tranzystor polowy złączowy JFET
Junction Field-Effect Transistor
Uproszczona budowa tranzystora z kanałem typu n oraz ilustracja zmiany
przekroju czynnego kanału
Tranzystor unipolarny - JFET
Oznaczenia i charakterystyki:
Symbol tranzystora z
kanałem typu n
Symbol tranzystora z
kanałem typu p
prÄ…d zwarcia
Charakterystyki:
takie jak dla typu n
lecz ze zmienionymi
zwrotami napięć i
UGS(OFF)= Up = UT (napięcie progowe)
kierunkami przepływu
Charakterystka wyjściowa
prądów
Charakterystka przejściowa tranzystora typu n
tranzystora typu n
prąd zależy od stopnia
otwarcia bramki
Tranzystor unipolarny - JFET
Charakterystyka wyjściowa:
Obszar
Obszar
sterowanego
sterowanego
opornia
z
ródła prądu
Tranzystor unipolarny - MOSFET
Tranzystor z izolowanÄ… bramkÄ…
Istnieją dwa główne rodzaje:
1. Tranzystor z kanałem normalnie załączonym
(przy sterowaniu zubażanym)
2. Tranzystor z kanałem normalnie wyłączonym
(przy sterowaniu wzbogacanym)
W tych tranzystorach pole zmienia typ półprzewodnika
Tranzystor unipolarny - MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor FET
Obszar w którym
istnieje lub wytworzy
się kanał
Tranzystor unipolarny - MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor FET
Tranzystor z kanałem normalnie załączonym (zubażanym
)
_
Zubażanie: n p
+
Obszar w którym
istnieje słabo
domieszkowany kanał
Działanie: pole elektryczne wypycha elektrony z kanału do z
ródła (i drenu)
powodując zubożenie kanału i spadek jego przewodnictwa, przy odpowiednio
dużym napięciu UGS=UT następuje zmiana typu przewodnika (inversja typu) co w
tym przypadku skutkuje 
likwidacj ą kana łu i zablokowaniem przepływu prądu
Tranzystor unipolarny - MOSFET
Tranzystor z kanałem normalnie wyłączonym
(wzbogacanym)
+
wzbogacanie p n
_
Obszar w którym przy
braku pola E kanał nie
istnieje (jest wyłączony)
Działanie: pole elektryczne wciąga elektrony ze z
ródła (i drenu) do
kanału powodując (inversja typu) powstanie i wzbogacanie kanału oraz
wzrost jego przewodnictwa
Tranzystor unipolarny
Field Effect Transist
Insulated Gate FET)
(Thin Film Transistor) wykonane z
półprzewodnika polikrystalicznego.
Ponieważ tranzystory tego typu są
wytwarzane w taki sam sposób, jak
układy scalone cienkowarstwowe, toteż
nazywane sÄ… tranzystorami
cienkowarstwowymi
Czasem zwane :MISFET
(Metal-Insulator-
Semiconductor FET)
Tranzystor unipolarny - MOSFET
Symbole tranzystortów typu MOSFET
z kanałem wzbogacanym
z kanałem zubożanym
z kanałem typu p z kanałem typu n z kanałem typu p
z kanałem typu n
Tranzystor unipolarny
Klasyfikacja i charakterystyki tranzystorów polowych
z izolowanÄ… bramkÄ…
złączowe
z kanałem wzbogacanym
z kanałem zubożanym
kanał typu n kanał typu n kanał typu p
kanał typu p kanał typu p
kanał typu n
Tranzystor unipolarny
Zastosowania tranzystora jako sterowanego opornika jako sterowany
opornik:
1. Układuy liniowe: jako regulowna oporność =>
np. regulacja wzmocnienia
2. Układy nielinowe: głównie jako regulowany wyłącznik => r=0 lub r="
- układy bramkujące ( sygnał jes przepuszczany bądz blokowany)
- multipleksery
-demultipleksery
Tranzystor unipolarny  JFET - MOSFET
Tranzystor jako sterowany opornik:
Charakterystyki
I
dla opornika R
U
ID=k(UG S-UT)2
mały opór
duży opór
2
ID=2k[(UG S-UT)UD S  U /2 ]
D S
I U
1
D DS
= =2k U -U -
Dla nienasycenia:
GS T
( )
[ ]
RDS U 2
DS
Tranzystor unipolarny  JFET - MOSFET
Tranzystor jako sterowany opornik:
Zależność od UD S
świadczy o nieliniowości
D
I U
1
D DS
Realizacja:
= =2k U -U -
GS T
( )
[ ]
RDS U 2
DS
R
Zmodyfikujmy napięcie na bramce tak by:
UD S
R
UG S = Us + UD S/2
G
wówczas otrzymujemy:
UD S /2
UG S
Us
ID
1
S
= =2k U -UT
[ ]
s
Us << UD
RDS U
DS
Tranzystor unipolarny - JFET
Tranzystor jako sterowane z
ródło prądu Model:
G
CGS
iD D
uGS
rG rD
uDS
gmuGS
S
" ID
"U
DS
gm=
rD=
"UGS
" ID UGS=const
U =const
DS
uDS(t)
iD(t)=gmÅ"uGS(t)+
rD
Pytania do wykładu 6
1. Zasada działania diody diody tunelowej. Omów występujące mechanizmy
oraz podstawowe zastosowania.
2. Jak zbudowany jest tranzystor unipolarny i bipolarny.
3. Na czym polega sterowanie przepływem prądu w tranzystorze bipolarnym a
jak sterowany jest prÄ…d w tranzystorze unipolarnym.
4. Jak polaryzujemy tranzystor by w przybliżeniu mógł działać jako element
liniowy?
5. Kiedy i dlaczego tranzystor możemy uważać za sterowane z
ródło prądu?
6. Jaką postać ma równanie Ebersa-Mola?
7. Co to jest punkt pracy układu.
8. Co powoduje ruch nośników, w obszarze bazy, wstrzykniętych z emitera?
9. Dlaczego baza tranzystora bipolarnego powinna być cienka i słabo
domieszkowana?
10. Czym różni się tranzystor JFET od tranzystora MOSFET?
11. Jak sterujemy przepływem prądu w tranzystorze JFET a jak w tranzystorze
MOSFET (wyjaśnij znaczenie ich nazw: JFET, MOSFET) .
12.Na czym polega inwersja typu półprzewodnika w tranzystorach MOSFET.