Omówić budowę i właściwości półprzewodnika samoistnego i domieszkowanego.

Półprzewodnik to materiały powszechnie stosowane do produkcji elementów i układów elektronicznych

Półprzewodnik samoistny jest to monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawiera obcych atomów w sieci krystalicznej. W półprzewodnikach już w temp 300K a nawet niższej pewna część elektronów przechodzi z pasma przewodnictwa, pozostawiając miejsca nie obsadzone w paśmie podstawowym. Miejsca te mogą być zajmowane przez elektrony usytuowane na niższych poziomach w tym paśmie (po otrzymaniu z zewnątrz odpowiedniej energii). Proces pojawiania się elektronów w paśmie przewodnictwa i wolnych miejsc (dziur) w paśmie podstawowym pod wpływem wzrostu temperatury nosi nazwę generacji termicznej par

Dziurą nazywa się dodatni nośnik ładunku będący brakiem elektronu

Przewodnik 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 domieszkowy a ten inny atom nazywamy domieszką. Rozróżniamy dwa rodzaje domieszek donorową i akceptorową

Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu krzemu- domieszki pierwiastka pięciowartościowego (np. antymon, fosfor)

Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, galu)

Omówić własności diod: tunelowej, pojemnościowej, LED i fotodiody.

Diody tunelowe są stosowane między innymi w przełącznikach, we wzmacniaczach o małych szumach i w generatorach mikrofalowych, które wykorzystują ujemną rezystancję diody, a także w wielu układach impulsowych o dużej szybkości działania. Ujemna rezystancja występuje na pewnym odcinku charakterystyki pokazanej na rysunku 1.7. Odcinek charakterystyki I = f(U) w zakresie którego występuje rezystancja ujemna, określony jest przez współrzędne dwóch punktów: P = (I_p, U_p) - punkt szczytu, V = (I_V, U_V) - punkt doliny. Działanie diody tunelowej oparte jest na zjawisku tunelowym. Przy bardzo małych wartościach napięć w kierunku przewodzenia (ok. 50mV - ok. 350mV) prąd zaczyna szybciej rosnąć niż w zwykłej diodzie. Przy wzroście napięcia do punktu P (punktu szczytu), prąd zaczyna maleć aż osiągnie punkt V (punkt doliny). W tym zakresie dioda wykazuje rezystancje ujemną. Dalszy wzrost napięcia powoduje wzrost prądu. Charakterystyka diody tunelowej pokrywa się z charakterystyką diody zwykłej. W zależności z czego wykonana jest dioda, punkt szczytu i punkt doliny przesuwa się w prawo

Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością w funkcji przyłożonego napięcia. Stosowane w układach powielania częstotliwości, modulacji częstotliwości, we wzmacniaczach parametrycznych i w układach strojenia obwodów rezonansowych wysokiej częstotliwości za pomocą napięcia. Warikapy stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych. Waraktory natomiast stosuje się w układach parametrycznych, we wzmacniaczach lub powielaczach częstotliwości oraz układach mikrofalowych. Ze względu na małe wymiary, dużą wytrzymałość na udary i małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu przypadkach zastąpić kondensatory zmienne lub ceramiczne.

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa.

Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu.

Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia. Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny I₀ wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.

Diody elektroluminescencyjne zwane są także diodami świecącymi LED (z ang. Light Emiting Diode), emitują promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. Jest to dioda świecąca pod wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewnątrz. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Istnieją diody elektroluminescencyjne próżniowe, gazowane i półprzewodnikowe. Często stosowane są półprzewodnikowe, gdyż pracują przy niewielkich napięciach (ok. 2 V) z niewielkimi prądami (kilku do kilkunastu mA), co ułatwia ich współpracę w układach tranzystorowych. Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Zasada działania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku elektroluminescencji.

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.

Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego z wykorzystaniem diody Zenera przedstawiony jest na rys.1.2. Rezystor R1 ustala wartość prądu płynącego przez diodę i do obciążenia. Wartość tego rezystora musi być tak dobrana aby zapewnić właściwe warunki stabilizacji dla danego typu diody Zenera. Właściwy prąd można zawsze odczytać z danych katalogowych diody. Przedstawiony układ może służyć jako źródło napięcia odniesienia. Taki układ ma jednak kilka wad np. takich jak wpływ temperatury czy wpływ zmian prądu płynącego przez diodę na napięcie stabilizacji. Kilka układów przedstawiających lepsze rozwiązania przedstawiłem w dziale Ciekawe rozwiązania układowe.

rys.1.1 rys.1.2

Omówić zasadę działania tranzystora unipolarnego FET, rodzaje i charakterystyki.

Rodzaje: 1) złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor),

2) z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor), które dzielimy na:

- tranzystory MIS (Metal Insulator Semiconduktor, czyli metal izolator półprzewodnik) MISFET

- MOS (Metal Oxide Semicondauctor, czyli metal tlenek półprzewodnik), MOSFET, - tranzystory TFT (Thin Film Transistor, czyli tranzystor cienkowarstwowy).

Płytka półprzewodnika typu P (lub N) po dołączeniu źródła napięcia przewodzi prąd, a jej konduktancja jest tym większa, im więcej jest atomów domieszki. Jeżeli dołączymy do elektrody S, zwanej źródłem, dodatni biegun źródła napięcia U_DS, a do elektrody D, zwanej drenem, biegun ujemny, to dziury będą się przemieszczać w kierunku drenu. Warstwa półprzewodnika, w której odbywa się przepływ ładunków nazywa się kanałem. Gdyby płytka była wykonana z półprzewodnika typu N, to prąd byłby wywołany przepływem elektronów. Należałoby wówczas zamienić biegunowość źródła napięcia U_DS. Zgodnie z prawem Ohma, przy stałej wartości napięcia U_DS, prąd płynący przez płytkę można zmienić przez płytkę można zmieniać przez zmianę konduktancji kanału. Konduktancję tę zmienia się za pomocą pola elektrycznego. Na powierzchnię płytki nakłada się elektrodę sterującą G, zwaną bramką. Jeżeli do bramki G doprowadzimy napięcie dodatnie względem źródła S, to złącze PN, powstałe między bramką a kanałem, będzie odpychać dziury zdążające do drenu, gdyż jest ono polaryzowane zaporowo. Nastąpi zwężenie kanału, co utrudni przepływ dziur. Napięcie bramki U_GS zwęża więc kanał i zwiększa jego rezystancję.

Rys. 3.3 Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UDS dla różnych wartości napięcia UGS (charakterystyka wyjściowa).

Rys.3.4 Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UGS dla różnych wartości napięcia UDS (charakterystyka przejściowa).

Podać różnice pomiędzy tranzystorami bipolarnymi i unipolarnymi.

Omówić rodzaje polaryzacji tranzystora bipolarnego.

Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróżnić cztery stany pracy tranzystora.

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

    Najważniejszym z tych nich jest obszar pracy aktywnej, gdyż to właśnie w tym obszarze tranzystor wykazuje swoje właściwości wzmacniające, które są wykorzystywane praktycznie.

    Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, a w układach cyfrowych - w stanach zatkania lub nasycenia.

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

Tranzystor pracujący w układzie OE(układ ze wspólnym emiterem) , charakteryzuje się:

 -  dużym wzmocnieniem prądowym (
),

- dużym wzmocnieniem napięciowym,

-  dużym wzmocnieniem mocy.

 Napięcie wyjściowe w układzie OE jest odwrócone w fazie o 180 w stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset  a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k.

 

Tranzystor pracujący w układzie OB. (układ ze wspólną bazą) charakteryzuje się:

• małą rezystancją wejściową,

• bardzo dużą rezystancją wyjściową,

• wzmocnienie prądowe blisko jedności (
  ).

 Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych.

 Tranzystor pracujący w układzie OC (układ ze wspólnym kolektyorem) charakteryzuje się:

 dużą rezystancją wejściową - co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości,

- wzmocnieniem napięciowym równym jedności,

- dużym wzmocnieniem prądowym (
).

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

Omówić zasadę działania tranzystora unipolarnego MOSFET, rodzaje i charakterystyki.

Zasada działania Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby jeden rodzaj nośników (nie ma nośników większościowych i mniejszościowych - elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynęły od źródła do drenu.

Wyróżnia się dwa zakresy pracy:

1. zakres nienasycenia (liniowy, triodowy)

2. zakres nasycenia

Zakres pracy tranzystora determinuje napięcie dren-źródło (U_DS) - jeśli jest ono większe od napięcia nasycenia (U_DSsat), wówczas tranzystor znajduje się w zakresie nasycenia.

Ze względu na typ przewodnictwa kanału wyróżnia się tranzystory polowe z izolowaną bramką z kanałem typu n i p. Natomiast 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.

Przykładowa charakterystyka wyjściowa tranzystora MOSFET z kanałem typu n (normalnie wyłączony)

Charakterystyki przejściowe dla czterech rodzajów tranzystorów MOS:

Omówić zasadę działania tranzystora IGBT, jego charakterystyki i zastosowanie.

Zasadę działanie tranzystora IGBT najlepiej jest prześledzić, korzystając ze schematu zastępczego. 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). Sposób połączenia występujący na schemacie zastępczym przypomina tranzystor bipolarny Darlingtona. Tranzystor MOSFET steruje bazą tranzystora bipolarnego pnp zapewniając szybkie przechodzenie od stanu blokowania do przewodzenia i na odwrót. Jednakże w odróżnieniu od układu Darlingtona, w tranzystorze IGBT największa część prądu drenu płynie przez kanał tranzystora MOSFET.

Stan blokowania IGBT występuje gdy napięcie między bramką a źródłem jest niższe od wartości progowej U_GS(th), wielkości znanej z tranzystora MOSFET. Dołączone napięcie dren-źródło powoduje przepływ bardzo małego prądu upływu.

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

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.

Charakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora IGBT

Charakterystyki wyjściowe tranzystora IGBT z kanałem typu n pokazane zostały na rysunku poniżej. W kierunku przewodzenia zbliżone są one kształtem do charakterystyk tranzystora bipolarnego małej mocy, poza wielkością sterującą, którą w IGBT jest napięcie bramka-źródło U_GS (lub na innych oznaczeniach U_GE) a nie prąd bazy jak miało to miejsce dla tranzystora bipolarnego.

Charakterystyki tranzystora IGBT z kanałem typu p będą takie same co do kształtu. Wszystkie napięcia i prądy będą miały odwróconą polaryzację.

Charakterystyka przejściowa tranzystora IGBT (prąd drenu I_D w funkcji napięcia bramka-źródła U_GS) jest podobna do charakterystyki przejściowej MOSFET. Jest ona liniowa dla szerokiego zakresu wartości prądu drenu. Jedynie dla niskich wartości napięcia U_GS zbliżonych do wartości progowej U_GS(th) wykazuje ona nieliniowość. Kiedy napięcie dren-źródło (U_KE) spadnie poniżej wartości progowej to tranzystor IGBT zostaje wyłączony. Maksymalne napięcie bramka-źródło U_GS(max) jakie można stosować określone jest przede wszystkim przez maksymalny prąd drenu I_DM jaki może płynąć nie powodując uszkodzenia tranzystora.

---