Złącze p-n – obszar półprzewodnika monokrystalicznego,
w obrębie którego następuje skokowa zmiana typu przewodnictwa,
np. z donorowego na akceptorowy.

Zjawiska zachodzące w tworzeniu zlacza pn

Swobodne nośniki przemieszczają się w wyniku dyfuzji. Część dziur z obszaru p znajdzie się w obszarze typu n, a część elektronów z obszaru n przemieści się do obszaru p.

Ubytek nośników prądu z jakiegoś obszaru materiału powoduje, że przestaje on być obojętny elektrycznie, ponieważ nie są wtedy skompensowane ładunki donorów lub akceptorów. Na granicy obszarów n i p powstaje dipolowa warstwa ładunku przestrzennego zwana warstwą zubożoną lub warstwą zaporową. Siły elektrostatyczne wytwarzane przez ładunki jonów utrudniają dalszy ruch dyfuzyjny nośników większościowych, natomiast na nośniki mniejszościowe powstałe pole elektryczne działa przyśpieszająco. Przez złącze płyną przeciwnie skierowane prądy dyfuzji i prądy unoszenia dziur i elektronów

Polaryzacja w kierunku zaporowym zlacza pn

♦elektrony z obszaru n są przyciągane przez biegun dodatni źródła zewnętrznego;

♦dziury z obszaru p są przyciągane przez biegun ujemny źródła zewnętrznego;

♦warstwa zaporowa rozszerza się,
co powoduje wzrost rezystancji wewnętrznej złącza.

♦bariera potencjałów rośnie o wartość napięcia zewnętrznego;

♦polaryzacja zaporowa sprzyja przepływowi bardzo niewielkiego prądu unoszenia, związanego z nośnikami mniejszościowymi, który nasyca się przy wzroście napięcia zewnętrznego.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia zlacza pn

♦elektrony z obszaru n są odpychane przez biegun ujemny źródła zewnętrznego w kierunku warstwy zaporowej;

♦dziury z obszaru p są odpychane przez biegun dodatni źródła zewnętrznego
w kierunku warstwy zaporowej;

♦warstwa zaporowa zwęża się.

♦bariera potencjałów maleje o wartość napięcia zewnętrznego

♦polaryzacja przewodzenia sprzyja przepływowi coraz większego prądu dyfuzji, związanego z nośnikami większościowymi, który bardzo szybko narasta przy wzroście napięcia zewnętrznego

Przebicie złącza p-n

zjawisko gwałtownego wzrostu prądu przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym napięciem większym niż pewna charakterystyczna dla danego złącza wartość, zwana napięciem przebicia.

Przebicie złącza p-n – rodzaje

♦Przebicie Zenera

♦Przebicie lawinowe

Zjawisko Zenera – występuje ono w złączach o wąskiej warstwie zaporowej lub silnie domieszkowanych. Istotą tego zjawiska jest przejście elektronu uwolnionego z wiązania kowalencyjnego z półprzewodnika typu P do typu N , nie mając energii większej od energii tej bariery. Takie przejście nazywamy tunelowym. W wyniku tego zjawiska gwałtownie zwiększa się prąd wsteczny złącza. Zjawisko Zenera występuje przy napięciach mniejszych niż 5V w złączach krzemowych.

Powielanie Lawinowe – Zjawisko to występuje w obszarze warstwy zaporowej. Polega ono na rozpędzeniu w silnym polu elektrycznym, nośnika swobodnego, który zderza się z innym elektronem w sieci krystalicznej i wybija go.

Zjawisko Powielania lawinowego występuje przy spolaryzowaniu napięciem większym niż 7V. Wartość tego napięcia zależy od stopnia domieszkowania: im większe domieszkowanie tym mniejsza wartość napięcia

Przebicie odwracalne i nieodwracalne

Zjawisko Zenera i Powielanie Lawinowe w swej istocie nie niszczą trwale złącza, ale długotrwały przepływ prądu o dużej wartości prowadzi do wydzielenia się dużej ilości ciepła, które powoduje trwałe uszkodzenie łącza.

Zjawisko tunelowe: występuje w złączach bardzo silnie domieszkowanych, przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. W modelu pasmowym, dno pasma podstawowego półprzewodnika typu P jest powyżej wierzchołka pasma przewodnictwa półprzewodnika typu N. To umożliwia przejście tunelowe nośników z półprzewodnika P do N, a utrudnia przejście w przeciwną stronę nawet przy bardzo małym napięciu polaryzacji.

Diody klasyfikujemy ze względu na:

- materiał: krzemowe i germanowe,

- konstrukcję: ostrzowe i warstwowe, stopowe i dyfuzyjne, mesa, planarne i epiplanarne,

- zastosowanie: prostownicze, uniwersalne, impulsowe, Zenera (stabilizacyjne), pojemnościowe, tunelowe.

Diody prostownicze przeznaczone są do prostowania napięcia lub prądu przemiennego o małych częstotliwościach. Stosuje się je głownie w układach prostowniczych urządzeń zasilających. Ze względu na duże prądy przepływające zazwyczaj przez diodę prostowniczą, jej wykonanie charakteryzuje się dużą powierzchnią złącza.

Diody prostownicze mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia, co pozwala na uzyskanie dużych sprawności prostowania.

Podstawowe parametry diody prostowniczej:

- napięcie przewodzenia - U_F przy określonym prądzie przewodzenia,

- prąd wsteczny - I_R przy określonym napięciu w kierunku zaporowym,

- maksymalny prąd przewodzenia – I₀,

- szczytowe napięcie wsteczne - U_RWM - dopuszczalne napięcie wsteczne nie powodujące przebicia.

Prostowanie – przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy.

Dioda stabilizacyjna służy do stabilizowania napięcia, a także, jak każdy element o charakterystyce silnie nieliniowej, umożliwia ograniczanie wartości napięć. Diody tego typu pracują w układach elektronicznych włączonych w kierunku zaporowym. (wykorzystuje się zaporową część charakterystyki). W skutek przebicia Zenera następuje szybki wzrost prądu, przy prawie nie zmienionym napięciu.

Podstawowe parametry diody prostowniczej:

- napięcie stabilizacji - U_Z,

- prąd stabilizacji - I_Z,

- prąd wsteczny diody - I_R,

- maksymalna moc strat w złączu - P_TOT, P_{TOT =} I_ZMAX * U_Z

Rezystancja statyczna i dynamiczna - definicje

♦Rezystancja statyczna R – rezystancja, jaką wnosi dioda w obwód prąd stałego

♦Rezystancja dynamiczna r – rezystancja, jaką wnosi dioda w obwód prądu zmiennego, gdzie na tle składowej stałej występują niewielkie przyrosty składowej zmiennej.

Diody pojemnościowe 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.

Wyróżnia się dwa rodzaje diod pojemnościowych:

- Warikapy (zmienna pojemność) są używane głównie w układach automatycznego strojenia, jako elementy obwodów rezonansowych.

- Waraktory (zmienna reaktancja), są używane w technice wysokich częstotliwości (mega-, gigaherców): w mieszaczach, detektorach i in

 Podstawowe parametry diody pojemnościowej:

- prąd wsteczny - I_R, przy określonym napięciu zaporowym,

- pojemność złącza C_F , przy określonym napięciu wstecznym,

- maksymalna częstotliwość - f_C,

- maksymalne napięcie wsteczne - U_RWM

- maksymalny prąd przewodzenia - I₀,

- maksymalna moc - P_TOT,

Dioda Schottky’ego jest zbudowana przez połączenie obszaru półprzewodnika domieszkowanego (typu n) z metalem (złoto, srebro, platyna). Stąd nazwa złącze m-s. Operuje tylko na nośnikach większościowych, dzięki czemu charakteryzuje się bardzo małym czasem przełączania. Dzialanie:=Elektrony z obszaru n są wstrzykiwane do obszaru metalu, gdzie bardzo szybko tracą nadmiar energii. Ponieważ nie ma tu nośników mniejszościowych, odpowiedź na zmianę napięcia polaryzującego jest bardzo szybka.

Dioda elektroluminescencyjna (LED) emituje strumień fotonów
w wyniku zamiany energii elektrycznej
na energię świetlną: elektrony pobierają energię elektryczną ze źródła zasilającego diodę, a oddają energię prądu świetlnego wskutek procesu rekombinacji emituje promieniowanie widzialne lub podczerwone przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Działanie: Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia elektrony
z obszaru n przechodzą przez złącze i rekombinują z dziurami w obszarze p. W wyniku rekombinacji następuje emisja energii w postaci promieniowania podczerwonego lub światła widzialnego – elektroluminescencja.

Fotodioda- złącze p-n, w którym wykorzystuje się zjawisko generowania mniejszościowych nośników ładunku pod wpływem energii świetlnej pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym i oświetlona przez specjalne okienko w obudowie, wykonane w postaci soczewki kwarcowej.

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora.

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Poszczególne warstwy noszą nazwy:

♦emiter (oznaczony przez E) warstwa silnie domieszkowana;

♦baza (oznaczona przez B) warstwa cienka i słabo domieszkowana;

♦kolektor (oznaczony przez C).

W tranzystorze bipolarnym tworzą się dwa złącza p-n :

♦baza-emiter (nazywane krótko złączem emiterowym)

♦baza-kolektor (nazywane złączem kolektorowym).

Tranzystor bipolarny charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy bazą
i emiterem steruje większym prądem płynącym między kolektorem i emiterem.

Stany pracy

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

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

Zasada dzialania: 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. Stosunek ilości nośników (elektronów) przechodzących do kolektora, do ilości nośników (elektronów) wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądowego oznaczamy α. 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_CB0, gdy I_B = 0.

Zależnie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróżniamy trzy sposoby włączenia tranzystora do układu:

- układ ze wspólnym emiterem OE (WE);

- układ ze wspólną bazą OB (WB);

- układ za wspólnym kolektorem OC (WC).

Wybór układu pracy tranzystora jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.

Tranzystor pracujący w układzie OE charakteryzuje się:

- dużym wzmocnieniem prądowym (beta = IC / IB)

- dużym wzmocnieniem napięciowym;

- dużym wzmocnieniem mocy.

Tranzystor pracujący w układzie OB charakteryzuje się:

- małą rezystancją wejściową;

- bardzo dużą rezystancją wyjściową;

- wzmocnienie prądowe blisko jedności (alfa = I_C / I_B)

Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:

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

- wzmocnieniem napięciowym mniejsze od jedności;

- dużym wzmocnieniem prądowym (beta + 1 = I_E / I_B.>

Wyznaczanie parametrów h tranzystora bipolarnego

♦z ch-ki wejściowej: h11e

♦z ch-ki przejściowej prądowej:h21e

♦z ch-ki zwrotnej napięciowej:h12e

♦z ch-ki wyjściowej: h22e

Najważniejsze parametry tranzystorów bipolarnych

- wzmocnienie prądowe - w układzie OE przy określonym prądzie kolektora i napięciu kolektor-emiter;

- napięcie nasycenia - przy określonym prądzie bazy i kolektora;

- prąd zerowy - przy określonym napięciu kolektor-baza lub kolektor-emiter;

- częstotliwość graniczna;

- pojemność złącza kolektorowego;

- czas wyłączenia; - stała czasowa związana z rezystancją rozproszoną bazy;

- maksymalna moc wydzielana.

Charakterystyki dla WE:

Tranzystory polowe, zwane w skrócie FET (ang. Field Effect Transistor), mają kanał typu P lub kanał typu N, który może być wzbogacony lub zubożony. W tranzystorach z kanałem typu N nośnikami prądu są elektrony, a w tranzystorach z kanałem typu P nośnikami prądu są dziury. W tranzystorach polowych między elektrodami płynie prąd nośników jednego rodzaju, prąd nośników większościowych.

Typy tranzystorów unipolarnych

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

- tranzystory ze złączem p-n (PNFET);

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

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

- MISFET wykonane z półprzewodnika monokrystalicznego ponieważ tutaj najczęściej rolę izolatora pełni tlenek krzemu SiO2 (ang. oxide), toteż tranzystory te częściej nazywa się MOSFET lub 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;

W tranzystorach polowych elektrody mają swoją nazwę i określony symbol:

- źródło (ang. Source), oznaczone literą S. Jest elektrodą z której wypływają nośniki ładunku do kanału. Prąd źródła oznacza się jako IS;

- dren (ang. Drain), oznaczone literą D. Jest elektrodą do której dochodzą nośniki ładunku. Prąd drenu – ID, napięcie dren-źródło –UDS.;

- bramka (ang. Gate), oznaczone literą G. Jest elektrodą sterującą przepływem ładunków. Prąd bramki –IG, napięcie bramka-źródło – UGS.

Tranzystor polowy złączowy(JFET) składa się zasadniczo z warstwy półprzewodnika typu n – w tranzystorach z kanałem typu N lub z półprzewodnika typu p – w tranzystorach z kanałem typu P. Warstwa ta tworzy kanał. Do obu końców kanału dołączone są elektrody. Tranzystor może być także wzbogacany lub zubożany.

Zasada działania tranzystora polowego JFET

Źródło i dren tranzystora polowego są spolaryzowane tak, aby umożliwić przepływ nośników większościowych przez kanał w kierunku od źródła do drenu. W tranzystorze z kanałem typu P od źródła do drenu przepływają dziury, a w tranzystorze z kanałem typu N od źródła do drenu przepływają elektrony. Złącze bramka-kanał w obu tranzystorach powinny być spolaryzowane w kierunku zaporowym.

Jeżeli napięcie UGS = 0 i UDS. ma małą wartość ,to prąd zmienia się liniowo w funkcji przykładnego napięcia – tranzystor zachowuje się jak rezystor. Podczas narastania napięcia UDS. złącze kanał-bramka (PN) jest coraz silniej polaryzowane zaporowo, przy czym polaryzacja ta jest silniejsza w pobliżu dren. Przy pewnej wartości napięcia UDS = UDssat = Up, następuje zamknięcie (odcięcie) kanału przy drenie.

Dalszy wzrost napięcia powoduje, że kanał jest zamykany coraz bliżej źródła. Przyrost napięcia rozkłada się na warstwie zaporowej, nie powodując dalszego wzrostu prądu. Rozszerza się warstwa zaporowa, czyli zwiększa głębokość jej wnikania w kanał. Tranzystor wchodzi w stan nasycenia, a prąd przez niego płynący jest prądem nasycenia.

Parametry i charakterystyki tranzystora polowego JFET

Tranzystory polowe charakteryzują się:

- parametrami statycznymi dla dużych wartości sygnałów,

- parametrami dynamicznymi dla małych wartości sygnałów.

Właściwości statyczne tranzystora polowego opisują rodziny charakterystyk przejściowych i wyjściowych.

Charakterystyka przejściowa – przedstawia zależność prądu drenu ID od napięcia bramka-źródło UGS, przy ustalonej wartości napięcia dren-źródło UDS. Charakterystyki przejściowe zależą od temperatury.

Napięcie odcięcia bramka-źródło UGS(off) - jest to napięcie, jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu.

Charakterystyka wyjściowa - przedstawia zależność prądu drenu ID od napięcia dren-źródło UDS, przy stałym napięciu bramka-źródło UGS.

Prąd nasycenia IDSS - jest to prąd płynący przy napięciu UGS = 0 i określonym napięciu UDS.

Tranzystory z izolowaną bramką MOSFET

Tranzystor MOSFET to tranzystor polowy, w którym bramka jest oddzielona od kanału cienką warstwą izolacyjną, najczęściej utworzoną z dwutlenku SiO2. Dzięki odizolowaniu bramki, niezależnie od jej polaryzacji, teoretycznie nie płynie przez nie żaden prąd

Zasada działania tranzystora MOS omówie na przykładzie najczęściej spotykanej polaryzacji, tj. przy zwartym źródle i podłożu. Jeżeli do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie, to powstanie kanał wzbogacony, a jeśli ujemne, to powstanie kanał zubożony. W tranzystorze z kanałem wzbogaconym, wzrost napięcia UGS powyżej wartości napięcia progowego UT powoduje powstanie kanału. Napięcie progowe UT jest to napięcie, jakie należy przyłożyć do bramki, aby powstała warstwa inwersyjna. Każdy następny przyrost napięcia UGS powoduje przyrost ładunku wprowadzanego przez bramkę. W tranzystorze z kanałem zubożonym, wzrost napięcia UGS powoduje silniejsze zubożenie kanału, aż wreszcie przy pewnej jego wartości, równej tzw. napięciu odcięcia Ugsoft, kanał zanika.

Jeżeli napięcia UDS. i UGS będą porównywalne, to prąd drenu będzie zależny liniowo od napięcia UDS –. Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje, spadek napięcia na rezystancji kanału. W okolicy drenu następuje zmniejszanie inwersji, aż do całkowitego jej zaniku. Mówimy wtedy o odcięciu kanału. Wartość napięcia UDS, przy której następuje odcięcie kanału nazywamy napięciem nasycenia.

Dalszy wzrost napięcia UDS nie powoduje już wzrostu prądu drenu, ale wpływa na odcięcie kanału bliżej źródła. Mówimy wówczas, że tranzystor pracuje w stanie nasycenia .

Róznica pomiedzy MOS indukowanym a zubożanym

W tranzystorach z kanałem wbudowanym przy napięciu UGS = 0 płynie pewien prąd, który zmniejsza się przy zwiększaniu napięcia sterującego bramki. Takie tranzystory nazywa się tranzystorami normalnie złączonymi lub pracującym na zasadzie zubożania nośników w kanale (tranzystory z kanałem zubożanym).

W tranzystorach z kanałem indukowanym, gdy do bramki doprowadzi się napięcie ujemne w stosunku do podłoża, źródło zostaje oddzielone od drenu dwoma przeciwnie spolaryzowanymi złączami p-n. Prąd źródło-dren stanowi wtedy prąd wsteczny jednego ze złączy. Ma on znikomo małą wartość. Mały prąd płynie także przy UGS = 0. Dlatego też te tranzystory nazywane są tranzystorami normalnie wyłączonymi.

Parametry statyczne – to przede wszystkim parametry graniczne:

IDmax –dopuszczalny prąd drenu (od kilku do kilkudziesięciu mA)

UDSmax –dopuszczalne napięcie dren-źródło (od kilkunastu do kilkudziesięciu V)

Pmax –dopuszczalne straty mocy (od kilkudziesięciu do kilkuset mW)

Parametry dynamiczne – to parametry małosygnałowe

gm –kondunktancja wzajemna (transkonduktancja) w punkcie P(U_GS,I_D)

gd – kondunktancja drenu (kondunktancja wyjściowa) w punkcie P(U_DS,I_D)

rd – rezystancja drenu (rezystancja wyjściowa) (w zakresie liniowym – przyjmuje niewielkie wartości, w zakresie nasycenia – od kilkudziesięciu do kilkuset kΩ)

ku – współczynnik wzmocnienia napięciowego

Zalety tranzystorów polowych

- duża rezystancja wejściowa,

- małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i średnich częstotliwości),

- możliwość autokompensacji temperaturowej,

- odporność na promieniowanie,

- małe wymiary powodują, że są one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych.