Ad 1)

Równanie Schockley’a odnosi się do wartości prądu dyfuzyjnego płynącego przez złącze p-n diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Równanie to ma postać:

$$I = I_{\text{sat}}\left( e^{\frac{U}{U_{T}}} - 1 \right)$$

Gdzie:

• I_sat – wielkość prądu nasycenia, zależna od budowy diody, rodzaju półprzewodnika.

• U_T – potencjał termodynamiczny. Dany jest wzorem: $U_{T} = \frac{\text{kT}}{q}$ gdzie k – stała Boltzmana, T – temperatura złącza, q – ładunek elektronu.

Na podstawie tego równania możemy określić jaki prąd będzie płynął przez diodę podłączoną do danego napięcia.

Ad 2)

Dioda jest najprostszym elementem półprzewodnikowym. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika (lub warstwy metalu i półprzewodnika) i posiada jedno złącze p-n (lub złącze metal – półprzewodnik). Istotnym parametrem diody jest napięcie dyfuzyjne, które (w zależności od rodzaju materiału) wynosi od ok. 0,3 do 0,7 V. Jeżeli napięcie przyłożone do diody będzie mniejsze od tego napięcia (nazywanego też progowym) to dioda nie będzie przewodzić.

Podstawowe diody to:

• Dioda prostownicza – stosowana w prostych generatorach funkcyjnych, ogranicznikach napięć, układach prostowniczych;

• Dioda impulsowa – szybsza od prostowniczej – stosowana w szybkich ogranicznikach napięć, szybkich układach prostowniczych i układach przekształtnikowych.

• Dioda Schottky’ego – szybka dioda stosowana w szybkich ogranicznikach napięć, szybkich układach prostowniczych i szybkich układach przekształtnikowych. Cecha charakterystyczna – nie posiada złącza p-n lecz złącze metal – półprzewodnik = ma małą pojemność złączową.

• Dioda Zenera – stosowana w zabezpieczeniach nadnapięciowych, ogranicznikach napięć, generatorach napięć odniesienia. Włączamy ją do obwodu zawsze „odwrotnie” w stosunku do innych diod. Pracuje ona zawsze na zaporowej części charakterystyki statycznej wykorzystując specyficzny rodzaj przebicia (przebicie Zenera).

• Dioda elektroluminescencyjna (LED) – stosowana w optoelektronice, układach sprzęgaczy optycznych, w oświetleniu, w układach sygnalizacyjnych, w komunikacji (światłowody), …

Pozostałe rodzaje diod to diody: pojemnościowa (tzw. varicap) oraz fotodioda.

Ad 3)

Dioda prostownicza jest najprostszym elementem półprzewodnikowym. Symbol diody prostowniczej:

Charakterystyka statyczna diody:

W odróżnieniu od diody, tranzystor jest elementem trójelektrodowym (elektrody: baza, emiter, kolektor) i posiada 3 warstwy półprzewodnika oraz 2 złącza p-n.

Symbol tranzystora npn:

Charakterystyka statyczna tranzystora:

Ewentualnie można narysować charakterystykę tranzystora pracującego w układzie WE:

Ad 4)

Bramki logiczne służą do wykonywania podstawowych operacji logicznych w systemach cyfrowych. Bramki połączone w układy są zdolne do wykonywania nawet najbardziej złożonych operacji logicznych. Dąży się jednak do tego, żeby ilość bramek w układzie była jak najniższa.

Ogólnie najbardziej rozpowszechnionymi bramkami są brami NOR i NAND, ponieważ te dwie bramki potrafią razem wykonać każdą operację logiczną.

Podstawowymi typami bramek są:

• OR

• AND

• NOT

• NOR

• NAND

• XOR

• XNOR

Symbol bramki OR:

Bramka AND:

Bramka NOT:

Ad 5)

Wzmacniacz mocy jest układem, którego zadaniem jest dostarczenie maksymalnej mocy do obciążenia. Wzmacniacz nie powinien jednak wpływać na istotne parametry sygnału (np. częstotliwość).

Istotnym parametrem wzmacniacza jest jego sprawność energetyczna. Jest to stosunek mocy sygnału wyjściowego do mocy sygnału wejściowego.

Maksymalna graniczna sprawność wzmacniacza typu A wynosi 50%, typu B - ~78%.

Ad 6)

Wyróżniamy następujące rodzaje filtrów:

• Dolnoprzepustowy;

• Górnoprzepustowy;

• Pasmowo – przepustowy;

• Pasmowo – zaporowy.

Charakterystyki częstotliwościowe:

Ad 7)

Wzmacniacz operacyjny jest najczęściej stosowanym monolitycznym układem elektronicznym. Jego zadanie polega na wzmacnianiu różnicy napięć na wejściach wzmacniacza. Z tego powodu jego najistotniejszym parametrem jest wzmocnienie napięciowe k.

Symbol prostego wzmacniacza operacyjnego:

Ad 8)

Pamięć półprzewodnikowa służy do przechowywania informacji w postaci cyfrowej. Zbudowana jest z tzw. komórek pamięci. Jedna komórka pamięci potrafi zapamiętać jeden bit. Dane w pamięci organizowane są w N-bitowe słowa.

Rozróżniamy 2 rodzaje pamięci: ROM (Read Only Memory) i RAM (Random Access Memory).

Typy pamięci RAM:

• SRAM – jest to pamięć ulotna, statyczna – informacje są kasowane w momencie odłączenia zasilania lub gdy na bieżące dane zostaną nadpisane inne dane. Komórki pamięci zbudowane są z przerzutników bistabilnych. Maksymalna pojemność obecnie produkowanych pamięci SRAM = kilkadziesiąt megabitów.

• DRAM – pamięć dynamiczna – rolę przerzutników bistabilnych pełnią tutaj kondensatory. Z tego powodu pamięć DRAM musi być systematycznie odświeżana (kondensatory się rozładowują). W pamięci DRAM przechowywane są dane aktualnie wykonywanych przez urządzenie zadań. Pojemności produkowanych obecnie pamięci DRAM – do kilkudziesięciu gigabitów.

Typy pamięci ROM (pamięci nieulotnych, zawarte w nich informacje są niezbędne do poprawnego działania urządzenia):

• PROM – pamięć jednokrotnie programowalna, często jeszcze na terenie fabryki. W pierwszych tego typu konstrukcjach programowanie odbywało się przez przepalanie cienkich ścieżek miedzianych.

• EPROM – pamięć reprogramowalna, programowana elektrycznie. Może być skasowana poprzez naświetlenie pamięci promieniowaniem UV. Dlatego właśnie pamięci EPROM posiadają małe przeźroczyste okienko w obudowie.

• EEPROM – pamięć programowalna i kasowalna elektrycznie.

• FLASH

Ad 9)

Bloki funkcjonalne kombinacyjne:

• Układy liczące – sumatory, układy odejmujące, komparatory;

• Układy komutacyjne – multipleksery, demultipleksery.

Bloki funkcjonalne sekwencyjne:

• Rejestry

• Liczniki

Ad 10)

Liczniki są układami, których zadaniem jest zliczanie impulsów na ich wejściu i zapamiętują ilość tych impulsów. Posiadają zwykle wyjścia równoległe umożliwiające odczyt zliczonych impulsów. To, że licznik liczy np. modulo 5 impulsów to znaczy, że gdy ilość impulsów przekroczy 5 układ się przepełnia i zaczyna liczyć od początku. Przykładem licznika liczącego modulo 24 jest zegarek elektroniczny.

Licznik potrafi zliczyć modulo P impulsów, gdzie P=< 2^N, N = ilość przerzutników w liczniku.

Schemat licznika 3 bitowego (tzn. ma 3 przerzutniki):

Tablica licznika modulo 5 (licznik 3 bitowy modulo 2 trochę nie ma sensu):

Q0	Q1	Q2
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	0
0	0	1
RESET
0	0	0
1	0	0
itd

a) Podstawowe właściwości:

- wartość przewodności rośnie wraz z temperaturą,

- PP posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0-5eV,

- koncentracje nośników ładunków można zmieniać poprzez zmianę temp, natężenie padającego światła lub naprężenie mechatroniczne

Materiały półprzewodnikowe służące do wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych wytwarzane są najczęściej w postaci mono kryształu, polikryształu lub proszku.

Rodzaje PP:

- samoistne- posiadają niewiele elektronów swobodnych, co objawia się dużą rezystancją właściwą materiału PP,

- domieszkowe- polega na wprowadzeniu do struktury dodatkowych atomów pierwiastka który nie wchodzi w skład PP samoistnego.

- wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów , powoduje powstanie PP typu n(donorowa). Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu, mówi się wtedy o przewodnictwie elektronowym lub typu n

- Wprowadzenie do mieszki produkującej niedobór elektronów , powoduje powstanie przewodnika typu p(akceptorowa) . W takim przewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny, który wiąże elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym przez co powstają wolne miejsca(dziura elektronowa). Dziura zachowuje się jak wolna cząsteczka o ładunku dodatnim i jest zdolna do przewodzenia prądu. Mówi się wtedy o przewodnictwie dziurawym lub p. PP typu p mają większą rezystancję od typu n.

b) Złącze p-n

Złącze nie spolaryzowane: gdy nie przyłożono żadnego pola elektrycznego swobodne nośniki przemieszczają się pobliżu styków p-n . elektrony przepływają do typu p. Rekombinacja polega na połączeniu elektronu z dziurą, powodując unieruchomienie nośników.

Prąd dyfuzyjny to przepływ nośników większościowych P, przepływ nośników mniejszościowych N to prąd unoszenia, przeciwny zwrotem do dyfuzyjnych, ze względu na niską koncentracje nośników wartość prądu unoszenia jest niewielka.

Pole elektryczne ładunku przestrzennego reprezentuje bariera potencjału w złączu nie spolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głownie od koncentracji domieszek i temperatury.

Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym: Poziom energetyczny półprzewodnika typu p jest zwiększany przez zewnętrzny potencjał ujemny, natomiast typu n zmniejszany. Żadne części pasm walencyjnych i przewodnictwa nie mają jednakowych warności energii pasma nie zachodzą na siebie. Elektrony nie przemieszczają się ponieważ mają energię większą od poziomu energetycznego danego pasma w półprzewodniku. Szerokość obszaru zubożonego maleje.

Złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia: Poziom energetyczny półprzewodnika typu p jest zmniejszamy przez zewnętrzny potencjał dodatni natomiast poziom energetyczny pp typu n jest zwiększany przez zewnętrzny potencjał ujemny; szerokość obszaru zubożonego zmniejsza się. Jeżeli wewnątrz różnica potencjałów jest wyższa od napięcia dyfuzyjnego pasma walencyjne i przewodnictwa w obu pp mają podobne wartości energii pasma nachodzą na siebie; zarówno elektrony jak i dziury mogą się swobodnie przemieszczać, następuje przepływ prądu dyfuzyjnego.

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Tranzystor bipolarny

a) zasada działania I

- tranzystor bipolarny jest to przyrząd półprzewodnikowy zbudowany z trzech warstw półprzewodnikowych o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza p-n. Sposób polaryzacji poszczególnych złącz determinuje stan pracy tranzystora. Sterowany jest prądem, parametrem charakteryzującym tranzystor jest wzmocnienie prądowe.

- tranzystor posiada trzy końcówki (elektrody), z których każda dołączona jest do określonej warstwy półprzewodnika: emiter, baza, kolektor.

- ze względu na kolejność wartw wyróżnia się:

- npn- główny nośnik to elektrony

- pnp- główny nośnik to dziury

- przyrząd stosowany do wzmacniania przebiegów- w liniowych układach wzmacniających lub ich kształtowania- głównie w układach nieliniowych.

b) zasada działania II

- aplikacyjnie zasada działania tranzystora polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. Prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy a wspłóczynnik proporcjonalności nazywany jest wzmocnienie tranzystora.

- napięcie do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza prąd przez to złącze- nośniki większościowe przechodzą do obszaru bazy, a następnie bezpośrednio do kolektora (dzięki niewielkiej grubości bazy), nośniki wstrzyknięte do bazy dopływają do złączaa kolektor-baza, spolaryzowanego zaporowo i dalej na zasadzie przyciągania, do obszaru kolektora.

- prąd bazy: prąd rekombinacji (powstały z rekombinacji wstrzykniętych do bazy nośników mniejszościowych z nośnikami większościowymi w samej bazie) i wstrzykiwania (prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera)

- podstawowe znaczenie dla działania tego przyrządu mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze bazy, pomiędzy dwoma złączami półprzeodniokowymi. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera, który rozdziela się w obszarze bazy na mały, co do wartości, prąd bazy i duży prąd kolektora.

c) podstawowe właściowści

- stan pracy tranzystora bipolarnego

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

- stan nasycenia- złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia

- stan aktywny- złącza BE spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo.

- stan aktywny inwersyjny: BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia

- wykorzystanie tranzystora w układach elektronicznych

- stan aktywny- wykorzystywany we wzmacniaczach, duże wzmocnienie prądowe

- stan nasycenia i odcięcia- stosowane w technice impulsowej oraz w układach cyfrowych

- stan aktywny inwersyjny- jest rzadko stosowany, względy konstrukcyjnych, mniejsze wzmocnienie prądowe

d) parametry, charakterystyki statyczne I

- statyczny nieliniowy model Ebersa- Molla- uwzględnia zjawiska rekombinacji oraz prądy nasycenia, płynące przez złączona spolaryzowane zaporowo. Model ten moży być użyty do opisu charakterystyk statycznych tranzystora w każdym z czterech stanów

Specjalne układy:

-Układ Darlingtona: ukł. 2 połączonych tranzystorów odznaczający się dużą wartością wsp. Wzmocnienia prądowego

-Układ Kaskoda: układ 2 szeregowo połączonych tranzystorów łączy w sobie zaletą wysokiego wzmocnienia napięciowego ze znaczna redukcja wartości wejściowej pojemności pasożytniczej. Stosowany we wzmacniaczach wysokiej częstotliwości i szerokopasmowych.

Efekt Millera- pozorne powiększanie pojemności kolektor-baza powodujące w efekcie ograniczenie pasma przenoszenia wzmacniacza.