UNIWERSYTET LSKI WYDZIA TECHNIKI INSTYTUT INFORMATYKI ZAKAD KOMPUTEROWYCH SYSTEMW STEROWANIA ELEKTRONIKA ANALOGOWA Konspekt wykadu dla studentw kierunkw Wychowanie Techniczne Informatyka Prof. dr hab. in. Zygmunt Wrbel Sosnowiec 1999r. 4 SPIS TRECI INSTYTUT INFORMATYKI.........................................................................................................................3 KONSPEKT WYKADU DLA STUDENTW KIERUNKW.....................................................................................3 WYCHOWANIE TECHNICZNE...........................................................................................................................3 INFORMATYKA................................................................................................................................................3 ROZDZIA I. ELEKTRONICZNE ELEMENTY BIERNE........................................................................8 1.1. REZYSTORY.........................................................................................................................................8 1.2. KONDENSATORY..............................................................................................................................10 1.2.1. KONDENSATORY STAE........................................................................................................12 1.2.2. KONDENSATORY ZMIENNE..................................................................................................13 ROZDZIA II. MATERIAY PPRZEWODNIKOWE........................................................................15 2.1. MODEL PASMOWY...........................................................................................................................15 2.2. PPRZEWODNIK SAMOISTNY.....................................................................................................16 2.3. PPRZEWODNIK TYPU N I TYPU P..............................................................................................18 ROZDZIA III. PPRZEWODNIKOWE ELEMENTY BIERNE........................................................21 3.1. TERMISTOR........................................................................................................................................21 3.2. WARYSTORY.....................................................................................................................................22 ROZDZIA IV. ZCZE P-N ......................................................................................................................24 4.1. WARSTWA ZAPOROWA W ZCZU P-N. MODEL PASMOWY ZCZA.................................24 4.2. POLARYZACJA ZCZA P-N W KIERUNKU PRZEWODZENIA. ................................................26 4.3. POLARYZACJA ZCZA P-N W KIERUNKU ZAPOROWYM. .....................................................28 4.4. ZJAWISKO TUNELOWE....................................................................................................................30 ROZDZIA V. DIODY PPRZEWODNIKOWE....................................................................................32 5.1. DIODY PROSTOWNICZE..................................................................................................................34 5.2. DIODY STABILIZACYJNE (STABILITRONY) DIODY ZENERA..............................................36 5.3. DIODY POJEMNOCIOWE...............................................................................................................37 5.4. DIODY PRZECZAJCE ................................................................................................................39 5.5. DIODA TUNELOWA..........................................................................................................................40 ROZDZIA VI.TRANZYSTORY BIPOLARNE ........................................................................................42 6.1. PODZIA TRANZYSTORW BIPOLARNYCH. .............................................................................43 6.2. ZASADA DZIAANIA TRANZYSTORA. ........................................................................................43 6.3. UKADY PRACY TRANZYSTORA. ................................................................................................46 6.4. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA .................................................................47 6.4.1. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORAPRACUJCEGO W UKADZIE OB......................................................................................................................................48 6.4.2. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA PRACUJCEGO W UKADZIE OE. ...........................................................................................................................................................49 6.5. STAN PRACY I PARAMETRY TRANZYSTORA. ...........................................................................50 6.6. SCHEMATY ZASTPCZE TRANZYSTORA ...................................................................................52 ROZDZIA VII. TRANZYSTORY POLOWE JFET..............................................................................54 7.1. TRANZYSTORY POLOWE ZCZOWE JFET. ...........................................................................55 7.2. ZASADA DZIAANIA TRANZYSTORA POLOWEGO JFET.........................................................55 7.3. PARAMETRY I CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORA POLOWEGO JEFT. ............................56 7.4 SCHEMAT ZASTPCZY TRANZYSTORA ZCZOWEGO. .........................................................58 7.5. TRANZYSTORY Z IZOLOWAN BRAMK MOSFET..................................................................60 57.5.1. ZASADA DZIAANIA TRANZYSTORA MIS (MOS). .......................................................... 60 7.6.CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORW MOSFET...................................................................... 62 ROZDZIA VIII. ELEKTRONICZNE ELEMENTY PRZECZAJCE............................................ 64 8.1. TRANZYSTOR JEDNOZCZOWY................................................................................................ 64 8.2. DYNISTOR.......................................................................................................................................... 67 8.3. DIAK.................................................................................................................................................... 68 8.4. TYRYSTOR......................................................................................................................................... 69 8.5. TRIAK.................................................................................................................................................. 70 ROZDZIA IX. ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE........................................................................ 72 9.1. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA........................................................................................ 72 9.1.1. WACIWOCI OPTYCZNE I ELEKTRYCZNE DIODY LED......................................... 75 9.2. FOTOREZYSTOR............................................................................................................................... 77 9.3. FOTODIODA....................................................................................................................................... 79 9.4. FOTOTRANZYSTOR......................................................................................................................... 81 9.5. FOTOTYRYSTOR............................................................................................................................... 84 9.6. TRANSOPTORY................................................................................................................................. 85 ROZDZIA X. WZMACNIACZE................................................................................................................ 89 10.1. PODSTAWOWE UKADY WZMACNIAJCE............................................................................. 91 10.2. UKAD O WSPLNYM EMITERZE WE....................................................................................... 92 10.3. UKAD O WSPLNYM KOLEKTORZE WC................................................................................ 95 10.4. UKAD O WSPLNEJ BAZIE WB ................................................................................................. 96 10.5. SPRZENIE ZWROTNE WE WZMACNIACZACH.................................................................... 97 10.6. WZMACNIACZE OPERACYJNE.................................................................................................. 100 10.7. WZMACNIACZ ODWRACAJCY............................................................................................... 103 10.8. WZMACNIACZ NIEODWRACAJCY ........................................................................................ 105 10.9. WTRNIK NAPICIOWY............................................................................................................. 106 10.10. WZMACNIACZ ODEJMUJCY.................................................................................................. 106 10.11. WZMACNIACZ SUMUJCY...................................................................................................... 108 10.12. WZMACNIACZ CAKUJCY INTEGRATOR....................................................................... 109 10.13. WZMACNIACZ RNICZKUJCY........................................................................................... 112 10.14. KONWERTER PRD NAPICIE ............................................................................................. 113 10.15. PRZESUWNIK FAZY................................................................................................................... 114 ROZDZIA XI. GENERATORY. .............................................................................................................. 116 11.1. GENERATORY NAPICIA SINUSOIDALNEGO........................................................................ 116 11.2. WZMACNIACZ JAKO GENERATOR. WARUNKI GENERACJI............................................... 117 11.3. PARAMETRY GENERATORW PRZEBIEGU SINUSOIDALNEGO....................................... 118 11.4. GENERATOR LC ZE SPRZENIEM ZWROTNYM.................................................................. 119 11.5. GENERATOR MEISSNERA.......................................................................................................... 119 11.6. GENERATOR Z MOSTKIEM WIENA.......................................................................................... 120 11.7. GENERATOR RC Z PRZESUWNIKIEM FAZY........................................................................... 123 ROZDZIA XII. MODULACJA I DEMODULACJA.............................................................................. 127 12.1. MODULACJA AMPLITUDY......................................................................................................... 128 12.1.1. MODULACJA STUPROCENTOWA I PRZEMODULOWANIE..................................... 130 12.2. MODULATORY AMPLITUDY..................................................................................................... 134 12.3. MODULACJA CZSTOTLIWOCI .............................................................................................. 135 12.4. MODULATORY CZSTOTLIWOCI (FM) ................................................................................. 139 12.5. DEMODULACJA............................................................................................................................ 140 ROZDZIA XIII. UKADY ZASILAJCE ............................................................................................. 143 13.1. PROSTOWNIKI............................................................................................................................... 144 13.2. PROSTOWNIK JEDNOPOWKOWY........................................................................................ 145 13.3. PROSTOWNIK DWUPOWKOWY........................................................................................... 146 13.4. DOBR DIOD PROSTOWNICZYCH STOSOWANYCH W PROSTOWNIKACH. ................... 148 13.5. PROSTOWNIK TYRYSTOROWY ................................................................................................ 150 13.6. STABILIZATORY........................................................................................................................... 150 613.7. STABILIZATOR Z DIOD ZENERA............................................................................................152 13.8. STABILIZATOR ZE SPRZENIEM ZWROTNYM....................................................................155 13.9. STABILIZATOR TRANZYSTOROWY.........................................................................................156 13.10. ZABEZPIECZENIA STABILIZATORW...................................................................................159 ROZDZIA XIV. PRZETWORNIKI ANALOGOWO-CYFROWE I CYFROWO- ANALOGOWE. 162 14.1. PRZETWORNIKI C/A......................................................................................................................162 14.2. PRZETWORNIKI A/C......................................................................................................................166 14.3. PODSTAWOWE CZONY PRZETWORNIKW.........................................................................167 BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................................................169 7 8Rozdzia I. ELEKTRONICZNE ELEMENTY BIERNE Elementybiernetokondensatory,rezystoryielementyindukcyjne. Elementy,ktrestegosamegorodzajumajwsplnwaciwo podstawowarnewaciwocidrugorzdne.Czegoprzykademmogby rezystory. S one wykonywane z rnych materiaw i w zwizku z tym maj inne zastosowania, nazwy oraz symbole graficzne. 1.1. REZYSTORY Rezystoryspeniajwielepodstawowychipomocniczychfunkcjiw ukadachelektronicznych.Poprzezrezystorydoprowadzasiodpowiednie prdyzasilajcedoelementwczynnych,rezystorypenirolelementw stabilizujcych punkty pracy tranzystorw, lamp elektronowych a take su do ksztatowania charakterystyki wzmacniaczy itp. Rezystory dzielimy w zalenoci od: cech funkcjonalnych na: -rezystory -potencjometry -warystory -magnetorezystory qaussotrony charakterystyki prdowo napiciowej na: -liniowe -nieliniowe stosowanego materiau oporowego na: -drutowe -niedrutowe Rezystoryliniowedzielimynastaeizmienne.Wrezystorach zmiennychmonazmieniawartocirezystancji(rezystorynastawnelub regulacyjne)lubstosunekpodziaurezystancji(potencjometry).Rezystor liniowywnormalnychwarunkachpracycharakteryzujesiproporcjonaln zalenoci napicia od prdu, tzn. jest spenione prawo Ohma (U = R*I przy czym R = const). Dlarezystorwnieliniowychwartorezystancjijestfunkcjprdu lub napicia.Rezystory drutowe s wykonywane z drutu stopowego nawinitego na ceramiczny waek lub rurk w postaci jednowarstwowego uzwojenia. Rezystoryniedrutoweswykonanezmateriaurezystywnegojako rezystory warstwowe lub objtociowe. 9Wrezystorachwarstwowychmateriarezystywnyjestumieszczony napodouwpostaciwarstwy.Rezystorytemogbywglowei metalizowane.Wzalenociodgrubociwarstwysrezystorycienkowarstwowe(>1m)i grubowarstwowe (< 1m). Wykonujesitakerezystoryobjtociowe,wktrychprdpynie caobjtocirezystora.Doichbudowystosujesiorganicznelub nieorganicznemateriayoporowe.Stosowanesgwniewsprzcie profesjonalnym, gdzie wytrzymuj due obcienia prdowe i mocy. Klasyfikacja rezystorw Rys. 1.1. Klasyfikacja rezystorw. Symbole rezystorw a)b) c) Rys. 1.2. Symbole rezystorw. a) stay, b) zmienny (potencjometry), c) nastawny. Rezystory LinioweNieliniowe StaeZmienne (potencjometry) NiedrutoweDrutowe Nieorganiczne Nieliniowe Warystory Fotorezystory Magneto -rezystory Termistory Liniowe Warstwowe Stae Objtociowe Organiczne Zmienne (potencjometry) 10Parametry rezystorw. Rezystancjaznamionowa,bdcawskanikiemwartoci rezystancji.Podawanaznajwikszymdopuszczalnymodchyleniem rezystancjirzeczywistejodrezystancjiznamionowej.Dopuszczalne odchyki s zawarte w przedziale 0,1 20 %. Mocznamionowa,ktrajestnajwikszdopuszczalnmoc moliwdowydzieleniawrezystorze.Moctajestzalenaod powierzchni rezystora, sposobu odprowadzenia ciepa, maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy i temperatury otoczenia. Napicieznamionowe,jestnajwikszymdopuszczalnym napiciem, ktre moe by przyoone do rezystora bez zmiany jego waciwoci,aszczeglniebezjegouszkodzenia.Wartoci znamionowenapidlawikszocirezystorwwynoszod kilkudziesiciu do kilkuset woltw. Rezystoryopisywaneswielomawspczynnikamicharakteryzujcymi zmian rezystancji w funkcji temperatury, wilgotnoci, napicia itp. 1.2. KONDENSATORY Kondensatorstanowiukaddwchlubwicejprzewodnikw (okadzin),odizolowanychwarstwdielektryka,gromadzcyenergipola elektrycznego. Kondensatory maj pojemno sta (nienastawne) bd zmienn (nastawne). Kondensatorymonapodzieliwzalenociodzastosowanego dielektryka oraz od ich przeznaczenia na: staonapiciowe (w obwodach napicia staego); zmienno napiciowe; impulsowe(wobwodachimpulsowychowikszychwartociach prdu adowania i rozadowania); biegunowezwanepolarnymi(pracujprzyjednymokrelonym kierunku doprowadzonego napicia staego); niebiegunowezwanebipolarnymi(wobwodachnapiciastaego, przy dowolnej jego biegunowoci); zmiennej pojemnoci (do przestrajania obwodw rezonansowych). Parametry kondensatorw. pojemnoznamionowa-CNwyraonawfaradach,okrela zdolnokondensatoradogromadzeniaadunkwelektrycznych, podawana na obudowie kondensatora; 11napicieznamionoweUN,jestnajwikszymnapiciem,ktre moebyprzyoonetrwaledokondensatora.Napicietojestna ogsumnapiciastaegoiwartociszczytowejnapicia zmiennego; tangensktastratnocitg,stosunekmocyczynnej wydzielajcejsiwkondensatorzeprzynapiciusinusoidalnie zmiennym o okrelonej czstotliwoci; prdupywowyIU,prdpyncyprzezkondensator,przy doprowadzonym staym napiciu; temperaturowywspczynnikpojemnociC,okrelawzgldn zmian pojemnoci, zalen od zmian temperatury. Podzia kondensatorw Rys. 1.3. Podzia kondensatorw. 12 Rys. 1.4. Przykady budowy kondensatorw: a) papierowego zwijanego, b) ceramicznego paskiego, c) ceramicznego rurkowego. 1.2.1. KONDENSATORY STAE Podstawoweparametryjakpojemnoznamionowainapicie znamionowezaleprzedwszystkimodrodzajuzastosowanegownich dielektryka. Ze wzgldu na t zaleno dzielimy kondensatory na: mikowe (symbol KM); ceramiczne (KCP, KFP, KCR, KFR); papierowe (KLMP, KSMP); ztworzywsztucznych(organicznesymbolKSF,MKSE,MKSF, MKSP); elektrolityczne (KEN, KEO, SM, E, T, UL, KERMS); powietrzne. Kondensatorymikowe.Uywasimoskwitu.Majmay temperaturowywspczynnikpojemnociimaytangensktastratnoci dielektrycznej. Kondensatoryceramiczne.Wykonywanezceramikialundowej, rutylowejorazsteatytowej.Majonemawartoktastratnociorazduy wspczynnikpojemnoci.Zaletjestduapojemnoznamionowaimae wymiary.Majniewielkiewartociindukcyjnociwasnej,wzwizkuztym mogbystosowanewobwodachwielkiejczstotliwociorazjako pojemnoci sprzgajce. 13Kondensatorypapierowe.Majmaewymiaryprzyduych wartociachpojemnociorazduywspczynnikstratnocidielektrycznej. Dielektrykiemjestbibuanasyconaolejemsyntetycznym,kondensatorowym lub parafinowym. Kondensatoryztworzywsztucznych.Dielektrykiemmoeby:folia polistyrenowa,poliestrowalubpolipropylenowa.Rozrniamykondensatory takie jak: a)Kondensatorypolistyrenowe:majmaywspczynnik temperaturowypojemnoci,maytangensktastratnocioraz stosowaneswukadachpracujcychwzakresiewielkich czstotliwoci. b)Kondensatorypoliestrowe:majduywspczynnikkta stratnocidielektrycznej,stosowanegwniewukadachnapicia staego lub zmiennego o maej czstotliwoci. c)Kondensatorypolipropylenowe:majzblionewaciwocido waciwocikondensatorwpoliestrowych,stosujesijew obwodach prdu zmiennego o czstotliwoci 50Hz. Kondensatory elektrolityczne.Ze wzgldu na uyty materia dzielimy na: aluminiowe; tantalowe; Ze wzgldu na zastosowanie ukadu dzielimy na: biegunowe; niebiegunowe. Sstosowanewukadachfiltracjinapiciazasilaniaijakokondensatory sprzgajcewukadachmaejczstotliwoci.Kondensatoryelektrolityczne maj due wartoci pojemnoci znamionowej. Wad natomiast jest duy prd upywowy,ktregowartoroniewrazzewzrostemtemperatury. Kondensatorytemajokrelonbiegunowo.Zmianabiegunw(elektrod) powoduje zniszczenie kondensatora. 1.2.2. KONDENSATORY ZMIENNE Kondensatoryozmiennejpojemnocitokondensatoryzdielektrykiem powietrznym(symbolAM,FM)lubkondensatoryceramicznedostrojcze zwane trymerami (TCP). 14Kondensatorpowietrznyzbudowanyjestzdwchzespow rwnolegych pytek (rotor i stator), ktre zmieniajc swe pooenie powoduj zmianwartocipojemnocikondensatora.Charakterzmianpojemnoci kondensatora zaley natomiast od pytek rotora i statora. Zewzgldunacharakterzmianwartocipojemnoci,wzalenociodkta obrotu rotora, rozrniamy kondensatory o: prostoliniowej zmianie pojemnoci; prostoliniowej zmianie dugoci fali; prostoliniowej zmianie czstotliwoci; logarytmicznej zmianie pojemnoci. Rys. 1.5. Charakterystyki kondensatorw zmiennych, a)o prostoliniowej zmianie pojemnoci; b)o prostoliniowej zmianie dugoci fali w obwodzie rezonansowym; c)o prostoliniowej zmianie czstotliwoci w obwodzie rezonansowym. Kondensatoryobrotowemajpojemnocimniejszeni500pFnatomiast kondensatorynastawne,zwanetrymerami,majpojemnocimniejszeni 100pF. C CC 000 15Rozdzia II. MATERIAY PPRZEWODNIKOWE Pprzewodnikitomateriaypowszechniestosowanedoprodukcji elementw i ukadw elektronicznych.Kadymateriamapewnwartorezystywnoci.Wzalenociodtej wartoci dzielimy je na metale i niemetale (dielektryk, pprzewodnik), rnice si waciwociami fizykochemicznymi.

Pprzewodniki obejmuj obszern grup materiaw, ktre ze wzgldu na przewodnictwo elektryczne zajmuj porednie miejsce pomidzy metalami aizolatorami.Pprzewodnikistanowioddzielnklassubstancji,gdyich przewodnictwomaszeregcharakterystycznychcech.Naleypodkreli odwrotnnidlametalizalenoprzewodnictwaelektrycznegood temperatury.Wdostatecznieniskichtemperaturachpprzewodnikstajesi izolatorem.Wszerokimzakresietemperaturprzewodnictwoprzewodnikw szybkoroniewrazzewzrostemtemperatur.Drugwancech pprzewodnikwjestzmianaprzewodnictwaelektrycznegowwyniku niewielkich zmianich skadu. 2.1. MODEL PASMOWY Teoriapasmowajesttoteoriakwantowaopisujcastany energetyczneelektronwwkrysztale.Wodrnieniuodatomw,wktrych dozwolonestanyenergetyczneelektronwstanowizbirpoziomw dyskretnych,dozwoloneelektronowestanyenergetycznewkrysztaachmaj charakter pasm o szerokoci kilku elektronowoltw.Elektronowolt (eV) jest to energia, jak uzyskuje elektron w wyniku zmiany swojego potencjau o 1 V. Rys. 2.1. Model energetyczny pasmowy pprzewodnika. Pasmo przewodnictwa Pasmo zabronione Pasmo podstawowe Wg X W 16Wtemperaturzezerabezwzgldnego(T = 0K)najmniejszenergimaj elektronywalencyjne.Pasmoodpowiadajcetemustanowienergetycznemu nosinazwpasmawalencyjnegolubpodstawowegoijestnajniej pooonympasmemenergetycznym(rys. 2.1).Powyejtegopasmaley pasmo przewodnictwa, w ktrym znajduj si swobodne elektrony wyrwane z sieci krystalicznej. Pomidzy tymi pasmami jest odstp, ktry nazwany jest pasmemzabronionymlubprzerwzabronionioznaczasiprzezWg. WartoWgokrelaminimalnwartoenergii,ktramusibydostarczona elektronom,abyzostayonewyrwanezwizaatomowychsieci krystalicznej. Szeroko t mierzy si w elektronowoltach (eV). 2.2. PPRZEWODNIK SAMOISTNY Pprzewodniksamoistnyjesttomonokrysztapprzewodnika pozbawionegodefektwsiecikrystalicznejidomieszek,czyliniezawieraj obcych atomw w sieci krystalicznej. Wpprzewodnikachjuwtemperaturze300K(anawetniszej) pewna cz elektronw przechodzi do pasma przewodnictwa, pozostawiajc miejscanieobsadzonewpamiepodstawowym.Miejscatemogby zajmowaneprzezelektronyusytuowanenaniszychpoziomachwtym pamie (po otrzymaniu z zewntrz odpowiedniej energii). Procespojawianiasielektronwwpamieprzewodnictwaiwolnych miejsc(dziur)wpamiepodstawowympodwpywemwzrostutemperatury nosi nazw generacji termicznej par dziur-elektron (rys. 2.2). Dziur nazywa si dodatni nonik adunku, bdcy brakiem elektronu. W pprzewodnikach o maych szerokociach pasma zabronionego generacja termicznapardziura-elektronjestuatwiona.Liczbnonikwwciaach staych wyraa si za pomoc gstoci lub koncentracji (liczba nonikw na jednostk objtoci. Liczba generowanych par, czyli ich koncentracja, jest tym wiksza, im jestwszepasmozabronionedanegopprzewodnikaorazimtemperatura monokrysztaujestwysza.Popewnymczasiepobudzonyelektronpowraca dostanupodstawowegozwyemitowaniemkwantupromieniowania.Taki proces nazywamy rekombinacj (rys. 2.2). redniczasjakiupywamidzyprocesemgeneracjiaprocesem rekombinacji nazywamy czasem ycia danego nonika (elektronu, dziury). 17 Rys. 2.2. Proces generacji i rekombinacji pary elektron dziura. WV wierzchoek pasma podstawowego, Wc dno pasma przewodnictwa, Wpr energia wyjcia elektronu z pprzewodnika. Wpprzewodnikusamoistnymmamydoczynieniazgeneracjpar elektron-dziura,wzwizkuzczymkoncentracjaelektronwidziurjesttaka sama i nosi nazw koncentracji samoistnej. Zaleno koncentracji samoistnej odtemperaturyprzedstawionajestnarysunku2.3.Natejcharakterystyce zaznaczono rwnie szeroko przerwy zabronionej danego pprzewodnika. Rys. 2.3. Zaleno koncentracji samoistnej pprzewodnika od temperatury. 1000/T 1000 C 600 C 400 C 300 C 200 C 100 C 50 C 25 C 0,5 3,51/K 1013 1017 1015 1019 1021 1023 1025 ni 1,512,52 RekombinacjaGeneracja Wpr Wc Wv X 0L W T >0 K Foton Foton 182.3. PPRZEWODNIK TYPU n I TYPU p (pprzewodniki niesamoistne) Pprzewodnikniesamoistnyjestwwczas,gdywsiecikrystalicznej monokrysztauzamiastatomwpierwiastkamateriaupprzewodnikowego znajduje si inny atom (np. w sieci krystalicznej krzemu znajduje si fosfor). Powstajewwczastzw.pprzewodnikdomieszkowany,ateninnyatom nazywamydomieszk.Rozrniamydwarodzajedomieszek:donorowi akceptorow. Jelinaskuteknieregularnocisiecikrystalicznejwpprzewodniku bdprzewaanonikitypudziurowego,topprzewodniktakinazywa bdziemy pprzewodnikiem typu p (niedomiarowy). A gdy bd przewaa nonikielektronowe,bdziemynazywajepprzewodnikamitypun (nadmiarowy). Pprzewodniktypunuzyskujesiprzezdodaniewprocesie wzrostukrysztaukrzemu domieszki pierwiastka piciowartociowego (np. antymon,fosfor).Niektreatomykrzemuzostanzastpionewsieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami (rys. 2.4). Rys. 2.4. Model sieci krystalicznej z domieszk atomw fosforu. Kady atom domieszki ma pi elektronw walencyjnych, z ktrych cztery s zwizanezssiednimiatomamikrzemu.Apityelektronjestwolnyimoe byatwooderwanyodatomudomieszkijonizujcdodatnio.Elektron wwczasprzechodzidopasmaprzewodnictwapprzewodnika.Atomy domieszkiwmodelupasmowympprzewodnikaznajdujsinatzw. Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 P +5 Elektron nadmiarowy 19poziomiedonorowym,ktrywystpujewpobliudna pasma przewodnictwa pprzewodnika (rys. 2.5).

Rys. 2.5. Model pasmowy pprzewodnika krzemowego z domieszkami donorowymi. Wtemperaturzepokojowejprawiewszystkieatomydomieszkowezostay zjonizowane.Oznaczato,enapoziomachdonorowychniemaju elektronw,gdywszystkieprzeszydopasmaprzewodnictwa.Liczba elektronwwpamieprzewodnictwajestznaczniewikszanidziurw pamiepodstawowym.Dlategotetepierwszenosznazwnonikw wikszociowych, a te drugie nonikw mniejszociowych. Pprzewodniktypupuzyskujesiprzezzastpienieniektrych atomwkrzemuatomamipierwiastkwtrjwartociowych(np.glinu,galu). Na rysunku 2.6 przedstawiono model sieci krystalicznej krzemu z domieszk atomw indu. Rys. 2.6. Model sieci krystalicznej krzemu z domieszk atomw indu. Pasmo podstawowe Poziom donorowy Pasmo przewodnictwa (nadmiar elektronw) Elektrony X W Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 Si +4 In +3 Dziura 20Atomtejdomieszkimatrzyelektronywalencyjne,zwizanezssiednimi atomami krzemu. Do wypenienia czwartego wizania ssiadujcego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej jednego elektronu i zostaje on uzupeniony przez pobranie elektronu z jednego z ssiednich wiza, w ktrym powstaje dziura. Atom pierwiastka trjwartociowego, zwanego akceptorem, po uzupenieniu elektronuwnieprawidowymwizaniu(naskutekniedostatkuadunkw dodatnich w jdrze) staje si jonem ujemnym, wywoujc lokaln polaryzacj krysztau.Elektrontenprzechodzizpasmapodstawowegopprzewodnikanapoziom akceptorowy,jonizujctymsamymujemnieatomdomieszki.Poziom akceptorowyznajdujesiwpobliuwierzchokapasmapodstawowego pprzewodnika (rys.2.7). Rys. 2.7. Model pasmowy pprzewodnika krzemowego z domieszkami akceptorowymi. Wtemperaturzepokojowejwszystkiepoziomyakceptoroweszapenione elektronami,ktreprzeszyzpasmapodstawowego.Naskutektegoliczba dziurwpamiepodstawowymjestwielokrotniewikszanielektronww pamieprzewodnictwa.Wpprzewodnikutypupdziurywpamie podstawowymsnonikamiwikszociowymi,aelektronywpamie przewodnictwa nonikami mniejszociowymi. W kadym pprzewodniku (niezalenie od koncentracji domieszek) w stanierwnowagitermicznejjestspenionywarunekneutralnoci,tzn.w kadym punkcie pprzewodnika wypadkowy adunek elektryczny jest rwny zeru.Wszelkiezaburzeniawarunkuneutralnocipowodujpowstaniepola elektrycznego, ktre przywraca stan rwnowagi elektrycznej. Ustaleniesikoncentracjinonikwnaodpowiednimpoziomiezachodziw wyniku rekombinacji, ktry rwnoway te generacj termiczn nonikw. Pasmo podstawowe (nadmiar dziur) Poziom akceptorowy Pasmo przewodnictwaDziury X W 21Rozdzia III. PPRZEWODNIKOWE ELEMENTY BIERNE 3.1. TERMISTOR Termistorjestelementempprzewodnikowym,ktregorezystancja zaley od temperatury. Zmianawartocirezystancjimoenastpinaskutekwzrostutemperatury otoczenia termistora lub (i) wydzielonego w nim ciepa. Termistorcharakteryzujesiduymwspczynnikiemtemperaturowym rezystancjiT.Wspczynniktenokrelawzgldnzmianrezystancji termistora przy zmianietemperatury o T, gdy T0 TRRTT=1 ; Zalenie od wartoci i znaku wspczynnika T dzieli si na trzy grupy: 1.NTC o ujemnym wspczynniku temperaturowym rezystancji; 2.PTC o dodatnim wspczynniku temperaturowym rezystancji; 3.CTR o skokowej zmianie rezystancji. Rys.3.1. Charakterystyka napiciowo prdowa termistora. 1 Termistor NTC, 2 Termistor PTC, 3 Termistor CTR. 2 1 3 V U 1 2 3 200406080mA I 22Parametry termistora: rezystancja nominalna; temperaturowy wspczynnik rezystancji: 22kTWgT = . Termistoryselementamiwykonywanymizespiekwsproszkowanych tlenkw metali. Stosuje si je: do pomiaru temperatury metod oporow; do pomiaru mocy w zakresie mikrofal; do pomiaru cinienia; do pomiaru gazu i poziomu cieczy; w ukadach sygnalizacji, regulacji i stabilizacji temperatury; do kompensacji temperaturowej ukadw elektronicznych.

3.2. WARYSTORY Warystorystorezystorywykonanezpprzewodnika,ktrych rezystancja zaley od napicia doprowadzonego do ich zaciskw. Warystorymajnieliniowcharakterystyknapiciowoprdow,ktr okrela wzr: DI U = , w ktrym: U napicie doprowadzone do warystora,I prd pyncy przez warystor,D rezystancja,ktrejwartojestrwnaspadkowinapiciana warystorze w wyniku przepywu prdu staego o wartoci 1A, wspczynnik nieliniowoci. Parametry charakteryzujce warystory: Wspczynniknieliniowoci,wyznaczonynapodstawiepomiaru spadkw napi (U1, U2) wywoanymi rnymi prdami (I1, I2), 2 12 12 12 1/ lg/ lglg lglg lgI IU UI IU U== ; 23jeli:1021=II,to UU1lg = ; warto zaley od materiau i technologii wykonania warystora; napiciecharakterystycznespadeknapicianawarystorze, okrelany dla staej wartoci prdu pyncego przez niego; moc znamionowa. Rys. 3.2. Charakterystyka napiciowo prdowa warystora. Warystorywykonujesizmasyzoonejzproszkuwglikakrzemu (karborundu) i ceramicznego spoiwa jako spiek. Produkuje si dwa podstawowe typy warystorw: walcowe (typu WN) o napiciu charakterystycznym 470 1300V, dyskowe (typu WD) o napiciu charakterystycznym 8 330V. Warystorystosujesidozabezpieczaniaobwodwelektrycznychprzed przepiciami,dostabilizacjinapicia,ochronystykw,wukadach przetwornikw czstotliwoci itp. - 20- 10 10 20 - 50 - 100 50 100 U V mAI 24Rozdzia IV. Zcze p-n Dziaaniewikszocielementwpprzewodnikowychopierasina wspdziaaniuzcza p-n i obszaru przelotowego (transportu), stanowicego naogobszarpprzewodnikajednegorodzaju.Zczaumoliwiaj wprowadzenie, odprowadzenie i sterowanie strumienia nonikw adunku. Zczamogbynastpujce:metal metal,pprzewodnik pprzewodnik,dielektryk dielektryk,metal pprzewodnikoraz dielektryk pprzewodnik.Najczciejwykorzystywaneszczametal pprzewodnik i pprzewodnik pprzewodnik. 4.1.WARSTWAZAPOROWAWZCZUp-n.MODELPASMOWY ZCZA. Poczeniedwchkrysztaw(monokrysztaw)ciaastaego (pprzewodnik, metal) w ten sposb, e tworz one cisy kontakt nazywamy zczem. Zczep-nstanowiwarstwprzejciowmidzyobszarem pprzewodnikatypupipprzewodnikatypun.Domieszkaakceptorowaw obszarzetypupsprawia,ekoncentracjadziurwtymobszarzejestwiksza nielektronwprzewodnictwodziurowe.Natomiastdomieszkadonorowa wobszarzetypunprowadzidoprzewagielektronwwtymobszarze przewodnictwoelektronowe.Dziurywobszarzepielektronywobszarzen stanowinonikiwikszociowe.Przedzetkniciemkadyzobszarwjest elektrycznieobojtny,poniewaadunekdziurielektronwzostaje skompensowanyadunkiemjonwdomieszkiumieszczonychwwzach siatki krystalicznej. Wmomenciezetkniciasipprzewodnikatypupitypun,nastpuje wzajemnyprzepywnonikw.Rnicakoncentracjinonikwadunku powodujeichprzemieszczanie dyfuzj.Elektronyzobszaru przyzczowegondyfundujdoobszarup;podobniepostpujdziuryz obszaruprzyzczowegopprzechodzdoobszarun.Wwynikuprocesu dyfuzjipynprdydyfuzyjne.Nonikiprzedostajcesidoprzeciwnych obszarwstajsinadmiarowyminonikamimniejszociowymiwtych obszarach.Nonikiterekombinujznonikamiwikszociowymi,ktrenie przeszynadrugstronzcza.Wwynikutegowobszarzenpowstaje nadmiaradunkujonwdodatnich,awobszarzepnadmiaradunkujonw ujemnych.Stoadunkijonwulokowanych(nieruchomych)wwzach siatkikrystalicznej.Wobszarachprzyzczowychpowstajewicpodwjna warstwanieskompensowanychadunkw.Nazywasionawarstw zaporow,obszaremadunkuprzestrzennegolubobszaremzuboonym, gdzie nie praktycznie nonikw wikszociowych. 25Poutworzeniutakiejwarstwyprzepywnonikwwikszociowychzostaje zahamowany,gdyadunekprzestrzennydodatnipostronienbdzie hamowadalszydopywnonikw(dziur)dodatnichzobszarupdonoraz adunekujemnypostroniepbdziehamowadalszydopywnonikw (elektronw)ujemnychzobszarundop.tworzysipoleelektryczne reprezentowaneprzezbarierpotencjau.Wysokobariery,awicrnica potencjaw, nazywana napiciem dyfuzyjnym. 2lnid aDnN NqkTU = ;(4.1) gdzie:q adunek elektronu; k- staa Boltzmanna; T- temperatura bezwzgldna;Na,Ndkoncentracjaakceptorwidonorw;nikoncentracjasamoistna pprzewodnika. Gstoadunkunieskompensowanegopoobustronachbarierypotencjau jestrwnaodpowiednimkoncentracjomdomieszekakceptorwidonorw (Na, Nd) w temperaturze pokojowej.Poleelektrycznewytworzoneprzezadunekprzestrzennysprzyja przepywowinonikwmniejszociowych.Nonikimniejszociowe (elektronywobszarzep,dziurywobszarzen)powstajwwynikugeneracji termicznej.Niektreznichdyfundujkukrawdziomwarstwyzaporoweji przechodznadrugstron.Oprczprdwdyfuzyjnychnonikw wikszociowychprzezzczepynprdyunoszeniaIpuiInunonikwmniejszociowych. Kierunki tych prdw s przeciwne do kierunkw prdw dyfuzyjnych. a) b) Rys. 4.1. Model pasmowy zcza. a) przed utworzeniem, b) po utworzeniu. n, p typ pprzewodnika, WV wierzchoek pasma podstawowego, WC dno pasma przewodnictwa, WF poziom Fermiego, Wi poziom samoistny, ld szeroko warstwy zaporowej, UD napicie dyfuzyjne. p p nn WW WC WC WC WF WF WF Wi Wi Wi WVWV WV UD ld 26Wmodelupasmowymzczapowstaniuadunkuprzestrzennego odpowiadaprzesunieciepooeniapasmenergetycznych(rys.4.1).Rnica poziomwjestproporcjonalnadonapiciadyfuzyjnego.Naleyzwrci uwag na wystpowanie pewnego jednakowego i wsplnego poziomu dla obu czcipprzewodnika.Jesttotzw.poziomFermiego.Dlapprzewodnika typunpoziomtenleywgrnejpoowiepasmazabronionego,dla pprzewodnikatypupwdolnejpoowiepasmazabronionego.Poziom Fermiegoprzesuwasiwkierunkupasmaprzewodnictwa(dlatypun)lub podstawowego (dla typu p) przy wzrocie koncentracji domieszek.Wpprzewodnikusamoistnympoziomtenumieszczanyjestwmodeluw pobliu rodka pasma zabronionego. Stanrwnowagizczawystpujegdyliczbaunoszonychnonikw mniejszociowychjestrwnaliczbiedyfundujcychnonikw wikszociowych. 0 = +pu pdI I i0 = +nu ndI I .(4.2) Szerokowarstwyzaporowejdzaleyodwartocinapicia dyfuzyjnegoikoncentracjidomieszekwobuobszarachpprzewodnika(Na, Nd), jak rwnie od tego, czy zcze jest liniowe, czy te skokowe. Dd ad aUN NN Nqd+= 2;(4.3) gdzie: = r 0 przenikalno elektryczna pprzewodnika.Najczciej szeroko warstwy zaporowej wynosi d = 0,1 0,5 m. Jeelikoncentracjadomieszekjednegozobszarwjestmniejszani drugiego,togbiejwobszartenwniknnonikiadunkuzobszaru drugiego i szeroko d2 > d1. 4.2. POLARYZACJA ZCZA p-n W KIERUNKU PRZEWODZENIA. Polaryzacja to stan, jaki wystpuje w zczu pod wpywem przyoenia z zewntrz rnych potencjaw do obydwu obszarw pprzewodnika. Jeelidopprzewodnikatypupprzyoymypotencjadodatni,ado pprzewodnikatypunpotencjaujemny(rys.4.2a),wwczasmwimy,e zcze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Zmniejsza si bariera potencjau (rys. 4.2b) do wartoci: U U UD F = ;(4.4) przy czym: U napicie zewntrzne, UD napicie dyfuzyjne. 27 Rys. 4.2. Zcze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. a) polaryzacja zcza, b) model pasmowy, c) gsto nonikw, d) prdy dyfuzyjne. Malejeszerokowarstwyzaporowej(wewzorze4.3naleyzamiastUD podstawiUD U),malejadunekinateniepolaelektrycznego. Zmniejszeniebarierypotencjaupowodujewzrostprdudyfuzyjnego,tj. wzrostliczbydziurprzechodzcychzobszarupdoobszarunielektronw przechodzcych z obszaru n do obszaru p. Te dodatkowe noniki s nazywane wstrzyknitymi nadmiarowymi nonikami mniejszociowymi p i n.Wchwiliwprowadzeniaprzycigajonenonikioprzeciwnymznaku wikszociowe w danym obszarze. Koncentracja nonikw nadmiarowych p inzmniejszasizatemwykadniczowmiaroddalaniasiodwarstwy zaporowej w wyniku rekombinacji z nonikami wikszociowymi (rys. 4.2c). Wskutekniejednakowejkoncentracji,wstrzyknitenonikimniejszociowe 28dyfundujdoobszarwomniejszejkoncentracji,awicwkierunku doprowadze.Jednoczenieodstronydoprowadzenapywajnowenoniki wikszociowe,wprowadzoneprzypolaryzacjizcza,zapewniajce neutralizacjadunkuwprowadzonegodoposzczeglnychobszarw.Prdy unoszeniaIpuiInu praktyczniezostajniezmienne.Wwynikuzwikszania skadowej dyfuzyjnej prdu, w obwodzie zewntrznym pynie prd (((

|||

\|=((

||

\|= 1 exp 1 expTsat satUUIkTqUI I ;(4.5) Isatprdnasyceniazcza,zaleyodstaychfizycznychmateriaowychoraz konstrukcyjnych zcza. Symbol UT oznacza potencja termodynamiczny qkTUT= ;(4.6) wynoszcy ok. 26 mV przy T = 300K. 4.3. POLARYZACJA ZCZA p-n W KIERUNKU ZAPOROWYM. Zczejestspolaryzowanewkierunkuzaporowymwtedy,gdydo pprzewodnikatypunprzyoymypotencjawyszy(plus),ado pprzewodnika typu p niszy (minus) (rys. 4.3a). NapiciezewntrznemakierunekzgodnyzkierunkiemnapiciaUD. Nastpujedalszyodpywswobodnychnonikwzobszaruotaczajcego warstwzaporow.Zwikszasiszerokoiwzrastabarierapotencjau(rys. 4.3b). U U UD R+ = ;(4.7) Zwikszeniebarierypotencjaupowodujezmniejszeniedyfuzjinonikw, czylizmniejszeniekoncentracjinonikwwprowadzanychnadrugstron zcza(rys.4.3c).Barierataniestanowiprzeszkodydlaprzepywuprdu unoszeniaprduwstecznego.Jestonjednakniewielki10 610 -12Ai bardzonieznaczniezaleyodwartociprzyoonegonapicia,zaley natomiastodtemperaturyzczaitechnologiijegowytwarzania.Zaleno prdu I od napicia zewntrznego U przy polaryzacji w kierunku zaporowym jestanalogicznazwzorem(4.5),ztymeprzypolaryzacjiwkierunku przewodzenianapicieUjestdodatnie,aprzypolaryzacjiwkierunku zaporowymjestujemne.Charakterystykaprdowonapiciowapokazana zostaa na rysunku 4.4. 29 Rys. 4.3. Zcze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym. a) polaryzacja zcza, b) model pasmowy, c) gsto nonikw. Rys. 4.4. Charakterystyka prdowo napiciowa zcza p-n 304.4. ZJAWISKO TUNELOWE. Zjawiskotunelowewystpujewzczachbardzosilnie domieszkowanych,przypolaryzacjizczawkierunkuprzewodzenia(rys. 4.5). Rys. 4.5. Zjawisko tunelowe. W modelu pasmowym, dno podstawowego pprzewodnika typu p jest powyej wierzchoka pasma przewodnictwa pprzewodnika typu n.Takieustawieniepozwalanaprzejcietunelowenonikwzjednego pprzewodnika(p)dodrugiego(n),natomiastutrudnionejestwprzeciwn stron, nawet przy bardzo maym napiciu polaryzacji.Na pocztku wzrost napicia polaryzujcego zcze w kierunku przewodzenia powodujewzrostprduwzczu(odc.2).Zwikszajcdalejnapicie przewodzenia,prdtunelowymalejedozera,poniewapodnosisipoziom Wc w pprzewodniku typu n maleje napicie na warstwie zaporowej. Podwpywemzjawiskatunelowegocorazmniejnonikwmoeprzepywa z obszaru p do n. W zwizku z czym powstaje na charakterystyce prdowo napiciowej odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej (rys. 4.6, odc.3). 31 Rys. 4.6. Charakterystyka prdowo napiciowa zcz p-n ze zjawiskiem tunelowym. 1 Charakterystyka prdowo napiciowa zcza p-n. 2 Prd tunelowy. 3 odcinek charakterystyki o ujemnej rezystancji. 32Rozdzia V. DIODY PPRZEWODNIKOWE Diodapprzewodnikowatoelementwykonanyzpprzewodnika, zawierajcegojednozczenajczciejp-nzdwiemakocwkami wyprowadze.Zczemnazywasiatomowocisystykdwchkrysztawciaa staego.Odlegomidzystykajcymisiobszaramijestporwnywalnaz odlegociami midzy atomami w krysztaach. Diody s stosowane w ukadach analogowych i cyfrowych. W ukadach analogowychwykorzystywanajestzalenorezystancjidynamicznejod napicialubprduwejciowego,lubtezmianypojemnociwfunkcji napicia. W ukadach cyfrowych istotne s waciwoci przeczajce diody. Diodypprzewodnikowestosujesiwukadachprostowaniaprdu zmiennego,wukadachmodulacjiidetekcji,przeczania,generacjii wzmacniania sygnaw elektrycznych. Diody klasyfikujemy ze wzgldu na: materia -krzemowe -germanowe konstrukcj -ostrzowe i warstwowe -stopowe i dyfuzyjne -mesa-planarne i epiplanarne struktur fizyczn zcza -p-n -MS -Heterozcza zastosowanie -prostownicze -uniwersalne -impulsowe -stabilitrony Zenera -pojemnociowe warikapy i waraktory -tunelowe -mikrofalowe: detekcyjne i mieszajce przebiegajce zjawiska -Zenera -Gunna -lawinowe -tunelowe 33 Rys. 5.1. Podzia diod ze wzgldu na zastosowanie. Rys. 5.2. Charakterystyki prdowo napiciowe diod. 1.Prostownicza (krzemowa). 2. Zenera (stabilitron). 3. Zwrotna (detekcyjna, mieszajca). 4. Tunelowa. Lini grub zaznaczono typowy obszar pracy kadej diody. KRZEMOWE GERMANOWE PROSTOWNICZE REDNIEJ I DUEJ MOCY PROSTOWNICZE REDNIEJ I DUEJ MOCY DETEKCYJNEFOTODIODYDUEJ CZSTOTLIWOCI LUMINENSCENCYJNEIMPULSOWEWARIKAPY I WARAKTORYZENERAFOTODIODY DIODY PPRZEWODNIKOWE MAEJ MOCY MAEJ MOCY MAEJ CZSTOTLIWOCI 345.1. DIODY PROSTOWNICZE Diodyprostowniczesprzeznaczonedoprostowanianapiciabd prdu przemiennego o maej czstotliwoci. Prostowanie jest to przetwarzanie prdu przemiennego na prd jednokierunkowy. Diodyzaczynajprzewodzidopieropoprzekroczeniupewnejwartoci napiciawkierunkuprzewodzenia.Dladiodkrzemowychwynosionaok. 0,7V,adlagermanowychok.0,3V.Diodyprostowniczesstosowanew ukadachprostowniczychurzdzezasilajcych,przeksztacajcychprd zmiennywjednokierunkowyprdpulsujcy.Wukadzieprostowniczym diodaspeniafunkcjzaworujednokierunkowego.Wykorzystujesitutaj waciwopolegajcanarnicyzdolnociprzewodzeniaprduwkierunku wstecznymiwkierunkuprzewodzenia.Przezdiodprostownicznaog pyndueprdywkierunkuprzewodzenia,dlategotestosujemydiod warstwow wykonan z krzemu. Diody prostownicze maj ma rezystancj w kierunku przewodzenia rzdu pojedynczych , co pozwala na uzyskanie duych sprawnoci prostowania. Mamy diody prostownicze takie jak: diody wysokiego napicia, diody typowe, diody mocy, diody szybkiej mocy, stos diodowy, Parametry charakteryzujce diody prostownicze napicieprzewodzeniaUF,przyokrelonymprdzie przewodzenia, prdwstecznyIR,przyokrelonymnapiciuwkierunku zaporowym, czas ustalania si prdu wstecznego t,pojemno C, przy okrelonym napiciu przewodzenia. Dopuszczalne (graniczne) parametry: maksymalny prd przewodzenia I0; szczytowe napicie wsteczne URWM; parametr przecieniowy I2t, podawany dla diod mocy. 35Diodyprostowniczewykonujesigwniezkrzemu.Wartoprdu pyncego przez diod spolaryzowan w kierunku przewodzenia jest 106 108 razy wiksza od wartoci prdu w kierunku zaporowym. Diody prostownicze ze wzgldu na wydzielan w nich moc dzielimy na: maej mocy (>1 W), redniej mocy (1 10W), duej mocy ( VB > VC dla tranzystora p-n-p. Narysunku6.2pokazanorozpywprdwispadkinapimidzy poszczeglnymi elektrodami. Rys. 6.2. Oznaczenie rozpywu prdu w tranzystorze i spadki napicia na nim. IB prd bazy, IC prd kolektora, IE prd emitera, UCE napicie kolektor-emiter, UBE napicie baza-emiter, UCB napicie kolektor-baza, VE potencja emitera, VB potencja emitera, VC potencja kolektora. n-p-n p-n-p 44Zasada dziaania tranzystora n-p-n. Rys. 6.3. Zasada dziaania tranzystora n-p-n. IB prd bazy, IC prd kolektora, ICBO zerowy prd kolektora, IE prd emitera, E emiter, B baza, C kolektor. W wyniku przyoenia napi do elektrod tranzystora, elektrony jako noniki wikszocioweprzechodzzemiteradobazy,gdziestajsinonikami mniejszociowymiiczznichrekombinujezdziuramiwprowadzanymi przezkontaktbazy.Elektronyprzechodzceprzezzczeemiter-bazamaj okreloneprdkociijeeliobszarbazyjestwski,toprawiewszystkie przejd do kolektora, gdzie stan si ponownie nonikami wikszociowymi i zostan usunite z obszaru kolektora do obwodu zewntrznego. Stosunekilocinonikw(elektronw)przechodzcychdokolektora,do ilocinonikw(elektronw)wstrzykiwanychzemiteradobazy,nazywamy wspczynnikiem wzmocnienia prdowego i oznaczamy .Jeelizczekolektor-bazajestspolaryzowanewkierunkuzaporowym,tzn. kolektormawyszypotencjanibaza,topoleelektrycznewystpujcew tymzczupowodujeunoszenienonikwzobszarubazydoobszaru kolektora.Wartoprdupyncegoprzezkolektormoebyregulowana przezzmianwysokocibarieryzczaemiterowego,czyliprzezzmian napicia polaryzujcego zcze emiter-baza. Przez zcze baza-kolektor pynie prdzwizanyzpolaryzacj,tzw.PrdzerowykolektoraICBO.Pynieon nawetwtedygdyzczebaza-emiterniejestspolaryzowane(IE=0).Przez tranzystor pynie rwnie prd zerowy ICBO, gdy IB = 0. 45( ) ; 1;;CEO E BCBO E CC B EI I II I II I I =+ =+ = (6.1) ( ) 1 + = ;lub = 1 ;(6.2) CEO B CI I I + = .(6.3) gdzie:-wspczynnikwzmocnieniaprdowego(0,9520,998),-wspczynnik wzmocnieniaprdowego,ktryjeststosunkiemilocinonikwwstrzykiwanychdo kolektora do iloci nonikw w bazie ( = 20 850). Tabela 6.1 Zwizki midzy prdami tranzystora

IB IC IE IB 11 + IC 1 1 1 + IE 1 1 + 1 + 1 1) B C EI I I + = ;2) B E CI I I = ;3) C E BI I I = ; ECII= ; BCII= ; 1.B C EI I I + = ; BCII= ; B CI I = ; B B EI I I + = ; ( ) 1 + = B EI I ; 462. B E CI I I = ; BCII= ; CBII = ; CE CII I = ; ( ) E CI I = +1 ; ( ) E CI I = +1 ; 1 +=E CI I ; 3. C E BI I I = ;B E BI I I = ;( )E BI I = + 1 ; +=1EBII ; 4. B C EI I I + = ; CC EII I + = ; ( ) 1 +=CEII . 6.3. UKADY PRACY TRANZYSTORA. Zalenie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnau rozrniamy trzy sposoby wczenia tranzystora do ukadu: ukad ze wsplnym emiterem OE (WE) , ukad ze wspln baz OB (WB), ukad za wsplnym kolektorem OC (WC). a) b)c) Rys. 6.4. Ukady pracy tranzystora. a)ze wsplnym emiterem (OE), b) ze wspln baz (OB.), c) ze wsplnym kolektorem (OC). BE E E C C B B C WE WBWC 47Wybrukadupracytranzystorajestzalenyodprzeznaczeniairodzaju zastosowanego tranzystora. Tranzystor pracujcy w ukadzie OE charakteryzuje si: duym wzmocnieniem prdowym ( B CI I = ), duym wzmocnieniem napiciowym, duym wzmocnieniem mocy. NapiciewyjciowewukadzieOEjestodwrconewfazieo180w stosunku do napicia wejciowego. Rezystancja wejciowa jest rzdu kilkuset a wyjciowa wynosi kilkadziesit k. Tranzystor pracujcy w ukadzie OB charakteryzuje si: ma rezystancj wejciow, bardzo du rezystancj wyjciow, wzmocnienie prdowe blisko jednoci ( E CI I = ). Tranzystor w tym ukadzie pracuje przy bardzo duych czstotliwociach granicznych. Tranzystor pracujcy w ukadzie OC charakteryzuje si: durezystancjwejciowcomaistotneznaczeniewe wzmacniaczach maej czstotliwoci, wzmocnieniem napiciowym rwnym jednoci, duym wzmocnieniem prdowym (B EI I = +1 ). 6.4. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA Waciwoci tranzystora opisuj rodziny charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne. Charakterystyki statyczne przedstawiaj zalenoci midzy prdami: emiter, kolektora, bazy i napiciami: baza-emiter, kolektor-emiter, kolektor-baza. Rozrniamy cztery rodziny charakterystyk statycznych: -wejciowa (U1 = f (I1), przy U2 = const), -przejciowa (I2 = f (I1), przy U2 = const), -wyjciowa (I2 = f (U2), przy I1 = const), -zwrotna (U1 = f (U2),przy I1 = const). 48Znajcdwiecharakterystyki(wejciowiwyjciow)moemywyznaczy dwiepozostae.Postacharakterystykiwejciowejiwyjciowejjesttaka sama,jakcharakterystykizczapprzewodnikowegospolaryzowanegow kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym. 6.4.1. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORAPRACUJCEGO W UKADZIE OB. Narysunku6.5przedstawionorodzincharakterystykstatycznych tranzystora w ukadzie OB, w ktrym I1 = IE, U1 = UEB, I2 = IC, U2 = UCB.Charakterystykiwejciowewrzeczywistocinieprzecinajsiwjednym punkcie, spowodowane jest to spadkiem napicia jakie istnieje na rezystancji rozproszonejbazyrbb.Wystpujceprzesuniciecharakterystykwzgldem siebiejestzwizanezezjawiskiemEarlyegomodulacjaszerokocibazy. Jest to tzw. oddziaywanie wsteczne w tranzystorze, ktre silniej wystpuje w tranzystorachzjednorodnbaz.Natomiastprzesuniciecharakterystyk wyjciowych jest zwizane ze sterowaniem prdu kolektora przez prdemitera. Rys. 6.5. Charakterystyki statyczne tranzystora p-n-p w ukadzie OB. Charakterystyka wyjciowa osiga nasycenie, nie jest paska lecz nieznacznie wzrasta, co jest spowodowane modulacj efektywnej szerokoci bazy. 49Charakterystyki przejciowe, to linie nachylone pod ktem - wspczynnik wzmocnieniaprdowego.Charakterystykizwrotnepowinnybyliniami prostymi,rwnolegymidoosinapiciaUCB,jednaktakniejestwwyniku oddziaywania wstecznego w tranzystorze. Wpyw modulacji szerokoci bazy jest tym silniejszy, im wikszy jest prd emitera. 6.4.2. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA PRACUJCEGO W UKADZIE OE. Narysunku6.6przedstawionorodzincharakterystykstatycznych tranzystora w ukadzie OE, w ktrym I1 = IB, U1 = UBE, I2 = IC,, U2 = UCE.Przesuniciecharakterystykwejciowychwzgldemsiebiejestzwizanez modulacjszerokocibazy,natomiastprzesuniciecharakterystyk wyjciowychjestspowodowaneoddziaywaniemprdubazynaprd kolektora. Podobnie jak w ukadzie OB. Charakterystyki osigaj nasycenie, a ich nachylenie nie jest stae, ale ronie. Jest wiksze ni w ukadzie OB, gdy cz napicia UCE polaryzuje zcze emiter-baza. Rys. 6.6. Charakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w ukadzie OE. Charakterystykaprzejciowajestliniprostonachyleniu-wspczynnik wzmocnieniaprdowego.Charakterystykizwrotnespodobnedo charakterystyk zwrotnych w ukadzie OB. 506.5. STAN PRACY I PARAMETRY TRANZYSTORA. Tranzystorskadasizdwchzczyp-n,ktremogby spolaryzowanewkierunkuprzewodzeniajakiwkierunkuzaporowym.W zwizku z tym wyrniamy cztery stany pracy tranzystora (tab.6.2). 1.Aktywny. 2.Nasycenia. 3.Zatkania. 4.Inwersyjny. Tabela 6.2 Stan pracy tranzystora i odpowiadajca im polaryzacja zcza Kierunki polaryzacji zczy tranzystora Stantranzystora zcze emiter bazazczekolektor baza Zatkaniezaporowyzaporowy Przewodzenie aktywne przewodzeniazaporowy Nasycenieprzewodzeniaprzewodzenia Przewodzenie inwersyjne zaporowyprzewodzenia Tranzystor pracujcy w ukadach analogowych musi by w stanie aktywnym, natomiast w ukadach cyfrowych w stanie zatkania lub nasycenia. Parametry tranzystorw. -Parametrystatyczne.Parametryokrelajcezalenocimidzy prdamiinapiciamistaymidoprowadzanymidotranzystora rezystancjarozproszeniabazy,wspczynnikwzmocnienia prdowego,prdyzerowe.Umoliwiajokreleniepunktupracy tranzystora.-Parametrygraniczne.Okrelajdopuszczalnewartoci:napi, prdw, temperatury i mocy, ktre mog wystpi w tranzystorze, a 51ichprzekroczeniespowodujeuszkodzenielubzniszczenie tranzystora. -Parametrycharakterystyczne.Totypowewartociokrelajce tranzystorprdy,napicia.Wspczynnikwzmocnienia prdowego,rezystancjabazy,pojemnocizczowe,pulsacja graniczna. -Parametrymaksymalne.Najwikszewartociprdwlubnapi. Wprzypadkuprzekroczeniaokrelonejwartocigwatownie pogarszajsipozostaeparametrytranzystora,alenienastpuje jego uszkodzenie. -Parametrydynamiczne.Okrelajwaciwocitranzystoraw wybranympunkciepracy,gdyzostanieonwysterowany przemiennym napiciem lub prdem czasy wczenia i wyczenia tranzystora. Najwaniejsze parametry tranzystorw bipolarnych: -Wzmocnienieprdowe.WukadzieOEprzyokrelonymprdzie kolektora i napiciu kolektor-emiter; -Napicie nasycenia. Przy okrelonym prdzie bazy i kolektora; -Prd zerowy. Przy okrelonym napiciu kolektor-baza lubkolektor-emiter; -Czstotliwo graniczna; -Pojemno zcza kolektorowego; -Czas wyczenia; -Staa czasowa zwizana z rezystancj rozproszon bazy; -Maksymalna moc wydzielana. Zastosowanie tranzystorw. Przyprodukcjitranzystorwdysidoosigniciajaknajwikszej wartociiloczynuwydzielanejmocyimaksymalnejczstotliwocigeneracji. Duwartowydzielanejmocymajtranzystory,ktrychpowierzchnia zczabaza-kolektorjestdua.Natomiastduwartociczstotliwoci generacjiodznaczajsitranzystoryobardzomaejrezystancjirozproszonej bazyipojemnocizczakolektorowegoorazobardzoduejczstotliwoci granicznej. Ukadyelektroniczneztranzystoramigermanowymimogbyzasilaneze rdeoniszymnapiciuokoo1,5V,natomiastztranzystorami krzemowymi mog by zasilane ze rde o napiciu okoo 6 V. Tranzystory germanowemogpracowawukadach,gdziepracujprzywikszych czstotliwociachnitranzystorykrzemowe.Tranzystorygermanowe 52charakteryzuj si mniejszymi napiciami na zczach w stanie przewodzenia i wikszymi prdami zerowymi ni tranzystory krzemowe 6.6. SCHEMATY ZASTPCZE TRANZYSTORA Schematyzastpczetranzystorastosujemy,wtedygdychcemy przeprowadzi analiz pracy danego ukadu elektronicznego. Rozrniamy trzy podstawowe schematy zastpcze tranzystora: -Typu . -Hybrydowy. -Ebersa Molla. Schematzastpczytypu tranzystorajeststosowanyprzyokrelaniu punktu pracy i parametrw roboczych ukadw elektronicznych rezystancja wejciowa i wyjciowa, wzmocnienie. Schemathybrydowysuyrwniedookrelaniaparametrwukadw elektronicznych.Wartociparametrwhokrelasikorzystajcz charakterystyk statycznych tranzystora. ModelEbersa Mollajestwykorzystywanydoanalizypracyukadw impulsowych i cyfrowych. Schemat zastpczy hybrydowy. Tranzystortraktujemyjakoczwrnikinapicienawejciuiprd wyjciowy tranzystora pracujcego w ukadzie OE jest opisany nastpujco: CE B BEU h I h U12 11+ = , CE B CU h I h I22 21+ = , przy czym: BBEIUh =11- impedancja wejciowa przy zwartym wyjciu, 0 =CEU CEBEUUh =12- wspczynnik przenoszenia wstecznego przy rozwartym wejciu, 0 =BI 53BCIIh =21- wspczynnik przenoszenia prdowego przy zwartym wyjciu, 0 =CEU CECUIh =22- admitancja wyjciowa przy rozwartym wejciu. 0 =BI Rys.6.7. Schemat zastpczy hybrydowy tranzystora. Rys. 6.8. Sposb wyznaczania parametrw h tranzystora h11 = tg11, h12 = tg12, h21 = tg21, h22 = tg22, Q punkt pracy. E BC h22 h11 h12UCEUCE UBE IBIC h21IB 54Rozdzia VII. TRANZYSTORY POLOWE JFET Tranzystor polowe, nazywane rwnie tranzystorami unipolarnymi, stanowigrupkilkurodzajwelementw,ktrychwsplncechjest porednieoddziaywaniepolaelektrycznegonarezystancjpprzewodnika lub na rezystancj cienkiej warstwy nieprzewodzcej. Do tej grupy zaliczamy tranzystory,ktrychprdwyjciowyjestfunkcjpolaelektrycznego istniejcegopodwpywemnapiciasterujcegowejciowego.Teoretycznie sterowaniepractranzystorapolowegomoeodbywasibezpoborumocy. W dziaaniu elementu udzia bierze tylko jeden rodzaj nonikw adunku, std nazwa polowy (unipolarny).Tranzystorypolowe,zwanewskrcieFET(ang.FieldEffect Transistor), maj kana typu P lub kana typu N, ktry moe by wzbogacony lubzuboony.WtranzystorachzkanaemtypuNnonikamiprdus elektrony, a w tranzystorach z kanaem typu P nonikami prdu s dziury. Wtranzystorachpolowychmidzyelektrodamipynieprdnonikw jednegorodzaju,prdnonikwwikszociowych.Wartoprdu przepywajcegoprzeztranzystorpolowyjestzalenaodwartocinapicia przyoonegomidzyrdemadrenemorazodwartocirezystancjikanau, ktra wyraona jest wzorem: hwlN qR1= ; gdzie: , N ruchliwo i koncentracja nonikw w kanale, l, h, w wymiary kanau. Tranzystorw polowe dzielimy na: Tranzystory polowe zczowe JFET (ang. Junction FET), TranzystorypolowezizolowanbramkIGFETlubMOSFET (ang. Insulated Gate FET lub Metal Oxide Semiconductor FET). TranzystorypolowecienkowarstwoweTFT(ang.ThinFilm Transistor). W tranzystorach polowych elektrody maj swoj nazw i okrelony symbol: rdo(ang.Source),oznaczoneliterS.Jestelektrodzktrej wypywaj noniki adunku do kanau. Prd rda oznacza si jako Is. Dren(ang.Drain),oznaczoneliterD.Jestelektroddoktrej dochodznonikiadunku.PrddrenuID,napiciedren-rdo UDS. 55Bramka(ang.Gate),oznaczoneliterG.Jestelektrodsterujc przepywem adunkw. Prd bramki IG, napicie bramka-rdo UGS. 7.1. TRANZYSTORY POLOWE ZCZOWE JFET. Tranzystorpolowyzczowyskadasizasadniczozwarstwy pprzewodnikatypunwtranzystorachzkanaemtypuNlubz pprzewodnikatypupwtranzystorachzkanaemtypuP.Warstwata tworzykana.Doobukocwkanaudoczoneselektrody.Symbole graficzneprzedstawiononarysunku7.1.Tranzystormoebytake wzbogacany lub zuboany. Tranzystory te naley polaryzowa tak, aby: noniki poruszay si od rda do drenu, zcze bramka-kana byo polaryzowane zaporowo. a)b) Rys. 7.1. Symbole graficzne tranzystora polowego zczowego JFET. a) z kanaem typu N, b) z kanaem typu P. 7.2. ZASADA DZIAANIA TRANZYSTORA POLOWEGO JFET rdoidrentranzystorapolowegosspolaryzowanetak,aby umoliwiprzepywnonikwwikszociowychprzezkanawkierunkuod rdadodrenu.WtranzystorzezkanaemtypuPodrdadodrenu przepywajdziury,awtranzystorzezkanaemtypuNodrdadodrenu przepywajelektrony.Zczebramka-kanawobutranzystorachpowinny by spolaryzowane w kierunku zaporowym. Zasada dziaania tranzystora polowego JEFT pokazana jest na rysunku 7.2. Jeeli napicie UGS = 0 i UDS ma ma warto (rys.7.2a), to prd zmienia siliniowowfunkcjiprzykadnegonapiciatranzystorzachowujesijak rezystor. Podczas narastania napicia UDS zcze kana-bramka (PN) jest coraz silniejpolaryzowanezaporowo,przyczympolaryzacjatajestsilniejszaw pobliudrenu(rys.7.2b).PrzypewnejwartocinapiciaUDS.=UDssat=Up, nastpuje zamknicie (odcicie) kanau (rys.7.2c) przy drenie.D SG D SG 56Dalszy wzrost napicia powoduje, e kana jest zamykany coraz bliej rda (punktYY).Przyrostnapiciarozkadasinawarstwiezaporowej,nie powodujcdalszegowzrostuprdu.Rozszerzasiwarstwazaporowa,czyli zwikszagbokojejwnikaniawkana.Tranzystorwchodziwstan nasycenia, a prd przez niego pyncy jest prdem nasycenia. Ze wzrostem napicia UGS: maleje warto pyncego przez tranzystor prdu; przymniejszychwartociachnapiciaUDSnastpujezamknicie kanau,czemuodpowiadamniejszawartoprdunasycenia (rys.7.2b). Rys. 7.2. Zasada dziaania tranzystora polowego JFET. a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie si warstwy zaporowej w wyniku przyoonego napicia UDS., c) odcicie kanau (Y), d) nasycenie tranzystora. Up = UGsoff napicie odcicia kanau. 7.3.PARAMETRYICHARAKTERYSTYKITRANZYSTORA POLOWEGO JEFT. Tranzystorypolowe charakteryzuj si: parametrami statycznymi dla duych wartoci sygnaw, parametrami dynamicznymi dla maych wartoci sygnaw. Waciwocistatycznetranzystorapolowegoopisujrodzinycharakterystyk przejciowych i wyjciowych. Charakterystyki tranzystora zczowego: 57-charakterystyka przejciowa przedstawia zaleno prdu drenu IDodnapiciabramka-rdoUGS,przyustalonejwartocinapicia dren-rdoUDS(rys.7.3).Charakterystykiprzejciowezaleod temperatury. Wielkociami charakterystycznymi krzywych s: 1.Napicieodciciabramka-rdoUGS(off).Jesttonapiciejakie naleydoprowadzidobramki,abyprzyustalonymnapiciuUDS nie pyn prd drenu. 2.PrdnasyceniaIDSS.JesttoprdpyncyprzynapiciuUGS = 0i okrelonym napiciu UDS. Rys. 7.3. Charakterystyka przejciowa tranzystora zczowego. -Charakterystykawyjciowa.PrzedstawiazalenoprdudrenuIDodnapiciadren-rdoUDS,przystaymnapiciubramka-rdoUGS (rys.7.4). 58 Rys.7.4. Charakterystyka wyjciowa tranzystora zczowego. a odpowiada stanowi z rys.7.2a, b odpowiada stanowi z rys.7.2b, c odpowiada stanowi z rys.7.2c, d odpowiada stanowi z rys.7.2d. Parametry statyczne: prd wyczenia ID(off), rezystancja statyczna wczenia RDS.(on), rezystancja wyczenia RDS.(off), prdy upywu. Parametry graniczne: dopuszczalnyprddrenuIDmax(odkilkudokilkudziesiciu miliamperw), dopuszczalny prd bramki IGmax, dopuszczalnenapiciedren-rdoUDsmax(odkilkudo kilkudziesiciu woltw) lub bramka-rdo UGsmax, dopuszczalnestratymocyPtotmaxPDmax(odkilkudziesiciudo kilkuset miliwoltw). 7.4 SCHEMAT ZASTPCZY TRANZYSTORA ZCZOWEGO. Dla tranzystora zczowego moemy utworzy schemat zastpczy (rys. 7.5). 59 Rys. 7.5. Schemat zastpczy tranzystora zczowego. Na rysunku tym: Cgs, Cgd pojemnoci warstwy zaporowej, ggs, ggd konduktancje bramka-rdo i bramka-dren, gm transkonduktancja, gds konduktancja wyjciowa. S one okrelone nastpujcymi zalenociami: DS mU g = - transkonduktancja dla zakresu nienasycenia, ( )p GS mU U g = - transkonduktancja dla zakresu nasycenia, ( )DS p GS dsU U U g = - konduktancja wyjciowa dla zakresu nienasycenia, 0 =dsg - konduktancja dla zakresu nasycenia. Czstotliwo maksymalna w tranzystorze zaley od czasu przelotu nonikw przez kana i od staej czasowej adowania pojemnoci kana-bramka Cg, i jest rwna czstotliwoci granicznej g dTC rf 21= . Maksymalna czstotliwo generacji m d Tg r f f =max, przy czym rd oznacza rezystancj kanau. Cgs Cgd Cds ggs ggd gdsgmUgsUgs Uds G D SS Ig Id 607.5. TRANZYSTORY Z IZOLOWAN BRAMK MOSFET. Tranzystor z izolowan bramk (rys. 7.6) jest to najczciej tranzystor o konstrukcji MIS (MOS) z kanaem typu N lub typu P, izolowanym od bramki warstw dielektryka. Rys. 7.6. Zasada dziaania tranzystora z izolowan bramk. a) zakres liniowy, b)odcicie kanau, c) nasycenie tranzystora. B podoe. 7.5.1. ZASADA DZIAANIA TRANZYSTORA MIS (MOS). ZasaddziaaniatranzystoraMIS(MOS)omwimynaprzykadzie najczciejspotykanejpolaryzacji,tj.przyzwartymrdleipodou.Jeeli dobramkizostanieprzyoonenapiciedodatnie,topowstaniekana wzbogacony,ajeliujemne,topowstaniekanazuboony.Wtranzystorzez kanaemwzbogaconym,wzrostnapiciaUGSpowyejwartocinapicia progowego UT powoduje powstanie kanau. NapicieprogoweUTjesttonapicie,jakienaleyprzyoydo bramki, aby powstaa warstwa inwersyjna. KadynastpnyprzyrostnapiciaUGSpowodujeprzyrostadunku wprowadzanegoprzezbramk,ktryjestkompensowanyadunkiem nonikwpowstajcegokanau.Wtranzystorzezkanaemzuboonym, wzrostnapiciaUGSpowodujesilniejszezuboeniekanau,awreszcieprzy pewnej jego wartoci, rwnej tzw. napiciu odcicia UGsoff, kana zanika. JeelinapiciaUDSiUGSbdporwnywalne,toprddrenubdziezaleny liniowoodnapiciaUDSkanapeniwwczasfunkcjrezystoraliniowego (rys.7.6a).DalszywzrostnapiciaUDSpowoduje,takjakwtranzystorze zczowym, spadek napicia na rezystancji kanau. W okolicy drenu nastpuje zmniejszanieinwersji,adocakowitegojejzaniku.Mwimywtedyo odciciu kanau. Warto napicia UDS, przy ktrej nastpuje odcicie kanau nazywamy napiciem nasycenia (rys. 7.6b). T GS DSU U Usat = ; 61DalszywzrostnapiciaUDSniepowodujejuwzrostuprdudrenu,ale wpywanaodciciekanaubliejrda.Mwimywwczas,etranzystor pracuje w stanie nasycenia (rys. 7.6c). TranzystorMOSFETtotranzystorpolowy,wktrymbramkajest oddzielonaodkanaucienkwarstwizolacyjn,najczciejutworzonz dwutlenkuSiO2.Dzikiodizolowaniubramki,niezalenieodjejpolaryzacji, teoretycznieniepynieprzeznieadenprd.Praktyczniewtranzystorach JEFTprdybramkisrzdu1pA10nA,awtranzystorachMOSFETok. 103razymniejsze.DlategotewtranzystorachJEFTmoemyuzyska rezystancjwejciowukadurwn1091012 ,awprzypadku tranzystorw MOSFET rezystancja wejciowa jest rwna 1012 1016 . Wzalenociodzjawiskfizycznychiodpolaryzacjibramki,w tranzystorze tym moe powstawa: -Kanaindukowany.Kanawpostaciwarstwyinwersyjnej,np. kana typu N ma bardzo duo elektronw, a mao dziur. -Kanawbudowany.Kanawpostaciwarstwyakumulacyjnej wzbogacanej,np.kanatypuNmaduodziuribardzoduo elektronw,lubzuboonej,np.kanatypuNmamaoelektronwi maodziur.Soneinaczejokrelanejakowarstwydomieszkowane o przeciwnym typie przewodnictwa w stosunku do podoa. W tranzystorach z kanaem wbudowanym przy napiciu UGS = 0 pynie pewienprd,ktryzmniejszasiprzyzwikszaniunapiciasterujcego bramki. Takie tranzystory nazywa si tranzystorami normalnie zczonymi lubpracujcymnazasadziezuboanianonikwwkanale(tranzystoryz kanaem zuboanym). Wtranzystorachzkanaemindukowanym,gdydobramkidoprowadzi sinapicieujemnewstosunkudopodoa,wwczasrdozostaje oddzieloneoddrenudwomaprzeciwniespolaryzowanymizczamip-n.Jest totzw.stanakumulacji.Prdrdo-drenstanowiwtedyprdwsteczny jednego ze zczy. Ma on znikomo ma warto. May prd pynie take przy UGS=0.Dlategotetetranzystorynazywanestranzystoraminormalnie wyczonymi. Gdydobramkidoprowadzisinapiciedodatniewstosunkudo podoa,wwczaspoprzekroczeniupewnejwartoci,tzw.napicia progowegoUT,przypowierzchnipprzewodnikapowstajewarstwa przeciwnegotypunipprzewodnikstanowicypodoe.Jesttowarstwa inwersyjna.Warstwatastanowizaindukowanykana,ktrypo doprowadzeniunapiciapolaryzujcegordo-drenumoliwiaprzepyw prduodrdadodrenu.ZewzrostemnapiciaUGSprddrenuwzrasta. Tranzystory te nazywane s tranzystorami z kanaem wzbogaconym. 62Tranzystoryzkanaemzuboanymitranzystoryzkanaemwzbogacanym mogmiekanaytypuNlubtypuP.Istniejczterypodstawowerodzaje tranzystorw z izolowan bramk (tab.7.1). Tabela 7.1 Rodzaje tranzystorw z izolowan bramk. 7.6.CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORW MOSFET. Podstawowymi charakterystykami tranzystora MOSFET s: -Charakterystykaprzejciowa.Zalenoprdudrenuodnapicia bramka-rdo, przy staym napiciu rdo-dren. -Charakterystykawyjciowa.Zalenoprdudrenuodnapicia rdo-dren, przy staym napiciu bramka-rdo. Mona je wyrazi nastpujcymi zalenociami: -w zakresie liniowym prd drenu ma posta: ( )((

=22DSDS T GS DUU U U I ; -w zakresie nasycenia prdu drenu ma posta: 63

( )22T GS DU U I =; przyczym:-wspczynniktranskonduktancji(parametrzalenyodwaciwoci tranzystora), UT napicie progowe. TranzystoryMOSFETcharakteryzujsitymisamymiparametramico tranzystory JEFT. TranzystoryMOSFETmajczwartelektrodpodoe,oznaczone symbolemB.Speniaonapodobnrolsterujcjakbramka.Jestona oddzielonaodkanautylkozczemp-n.Gdyniekorzystasizfunkcji podoa, wwczas czy si je ze rdem. Poczenie to moe by wykonane wewntrz obudowy i wtedy nie ma wyprowadzenia na zewntrz. Zalety tranzystorw polowych: dua rezystancja wejciowa, mae szumy w porwnaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie maych i rednich czstotliwoci), moliwo autokompensacji temperaturowej, odporno na promieniowanie, maewymiarypowoduj,esonecorazpowszechniejstosowane w ukadach analogowych i cyfrowych. Tranzystory mog pracowa w trzech podstawowych konfiguracjach: 1.Ukad o wsplnym rdle OS. 2.Ukad o wsplnej bramce OG. 3.Ukad o wsplnym drenie OD. 64Rozdzia VIII. ELEKTRONICZNE ELEMENTY PRZECZAJCE Elementyprzeczajceto:tranzystorjednozczowy,tyrystor, dynistor, diak, triak. Elementy przeczajce maj charakterystyk prdowo napiciow typu S i pracuj w dwch stanach: 1.Blokowaniazwanyrwniestanemwyczenia,ktry charakteryzuje si bardzo du rezystancj elementu. 2.Przewodzeniazwanyrwniestanemwczenia,ktry charakteryzuje si bardzo ma rezystancj elementu. Rys. 8.1 Charakterystyka elementu przeczajcego. 8.1. TRANZYSTOR JEDNOZCZOWY Tranzystor polaryzuje si w nastpujcy sposb: 1)Dobazydrugiejdoprowadzasiwyszypotencjanidobazy pierwszej. 2)Zczeemiter-bazapierwszapolaryzujesiwkierunku przewodzenia. 65 a)b) c) Rys. 8.2. Tranzystor jednozczowy. a) budowa, b) symbol graficzny, c) oznaczenia napicia i prdw. Tranzystor jednozczowy zwany rwnie jest diod o dwch bazach (rys. 8.2) zawiera zcze p-n, utworzone przez umieszczenie maego prcika z materiautypupwewntrzbrykizmateriautypun.Wjednymzrodzajw konstrukcji,dobrykimateriaundopasowanesdwametalowe doprowadzenia,zwanebazami.Wmiejscachdoprowadzenianiewystpuj zcza p-n. Elektroda B1 jest punktem odniesienia dla caego ukadu. Midzy elektrodami B1iB2wystpujerezystancjamidzybazowa,ktrejwartowwarunkach rozwarcia obwodu emitera jest rzdu kilku tysicy omw. Po doprowadzeniu doB2napiciadodatniego,wobszarzemateriaunpomidzyB2iB1 wytwarza si rwnomiernie rozoony spadek napicia.WmiejscuumieszczeniaemiteraEnapiciewzgldemelektrodyB1jest okrelon czci napicia midzybazowego i wynosi UBB. Wspczynnik nazywasiwspczynnikiempodziaunapicia.Jegowartowynosi zazwyczaj od 0,5 do 0,8. GdynapicieemiteraUEjestmniejszeni(UBB+UD),zczep-n midzy emiterem a bryk polaryzowane jest w kierunku zaporowym. UD oznacza potencja dyfuzyjny zcza. W przypadku zcza krzemowego jest onrzdu0,7V.Gdynapiciejestwikszeni(UBB+UD),zcze polaryzowanejestwkierunkuprzewodzenia.Gdyzczejestspolaryzowane E BBUBB lub UB1B2 IB2 IE UBBn p 66zaporowo,prdemiteraIEjestpomijalniemay.Natomiastgdyzcze zostaniespolaryzowanewkierunkuprzewodzenia,prdemiteraosigadue wartoci. Prd emitera powoduje wprowadzenie do obszaru n bazy nonikw dziurowych.Dziurytezmniejszajrezystancjmateriautypun,co umoliwiaprzepywduegoprduwobwodziemidzybazowym. Jednoczesnewystpowaniedziurielektronwwobszarzebazymidzy emiteremabazB1 gwatowniezmniejszaspadeknapicianatejczci obszarubazy.Wzwizkuztym,prdemiteragwatownieronie,a charakterystykaUE (IE)wykazujezakresopornociujemnej.Przebieg charakterystykiUE (IE)dlaprzypadkuidealnegoprzedstawiononarysunku 8.3a.Punkt,wktrymdiodawczasilubzapala,jestnazywanypunktem szczytowymiokrelonyprzezwartociIPorazUP.Przywikszych wartociachprduemitera,spadeknapiciamidzyemiteremabazB1, pocztkoworoniezewzrostemIE,anastpnieustalasiosigajcwarto nasycenia,oznaczonsymbolemUESlubUEB1S.Najniszypunkt charakterystyki, o wsprzdnych IV i UV, nazywamy punktem doliny. Rys. 8.3. Charakterystyka tranzystora dla przebiegu idealnego. Parametry tranzystora jednozczowego: wewntrzny wspczynnik blokowania; rezystancja midzybazowa (rB1 + rB2); napicienasycenia(napicieemiter-bazapierwsza,przy maksymalnym prdzie emitera); prd doliny; prd szczytu. Tranzystory jednozczowe uywa si do budowy przerzutnikw astabilnych, bistabilnych i monostabilnych. UUUV UES IVIPIE 0 67 8.2. DYNISTOR Dynistorjesttoelementpprzewodnikowyostrukturze czterowarstwowej typu n-p-n-p. Warstwy te s rnej szerokoci i maj rne wielkoci koncentracji nonikw.Obszarp1nazywamyanod,obszarn2katod.Takstrukturmona traktowajakopoczeniedwchtranzystorw:typup-n-pin-p-n.Warstwy p1in2bdziemynazywaemiterem,awarstwyn1ip2bazami,zcze rodkowe nazywa bdziemy kolektorem. Przyczenie dynistora odbywa si przez zmian polaryzacji napicia anoda katoda i zmniejszenie prdu anodowego poniej prdu podtrzymania. W pracy dynistora wyrnia si trzy stany: 1)Zaporowy; 2)Blokowania; 3)Przewodzenia; a) b)

Rys. 8.4. Dynistor. a) struktura, b) charakterystyka. Dynistorjestwstaniezatkaniajeelianodajestpolaryzowanaujemnie wzgldemkatody.Zczan1p1in2p2spolaryzowanezaporowo,azczen1p2wkierunkuprzewodzenia.Napiciepolaryzacjiodkadasinazczu n1p1,aprdpyncyprzezdynistorjestmayirwnysumieprdw wstecznychzczyn1p1in2p2.Stanblokowaniaiprzewodzeniauzyskujesi przy polaryzacji anody napiciem dodatnim wzgldem katody. Przeczenie dynistora moe nastpi w wyniku: powielanialawinowegononikwwkolektorze,przyduym napiciu polaryzujcym dynistor, 68wzrostu prdu generacyjnego pod wpywem temperatury, gwatownego wzrostu napicia miedzy anod i katod. Natomiast wyczenie dynistora nastpuje przy znacznym obnieniu napiciapomidzy anod i katod. Dynistory stosuje si jako elementy sterujce; ich napicia przyczenia wynosz do 40 V a szczytowe prdy przewodzenia 10A. 8.3. DIAK Diakjesttodynistorsymetryczny.Zachowujesitakjakdioda przeczajca,rnisitylkotym,enapiciepozaczeniuzmniejszasio stosunkowo ma warto, nie zbliajc si do zera. a)b) c) Rys.8.5. Diak. a) struktura, b) charakterystyka prdowo napiciowa. c) symbol graficzny diody DIAC Zasaddziaaniadiakawyjaniasinapodstawiedwchstruktur czterowarstwowych (p2n2p1n1 i p1n2p2n1). Diakiwykorzystujesidowytwarzaniaimpulswzaczajcych tyrystory,awukadachsterujcychspeniajonefunkcjeszybkich przecznikw, reagujcych na warto chwilow napicia. Kn1 p1 n2 p2 n3 A 698.4. TYRYSTOR Tyrystorjesttoelementpprzewodnikowyostrukturze czterowarstwowejtypun-p-n-p.Trzywyprowadzonenazewntrzkocwki s doczone do trzech warstw pprzewodnika: anoda A do skrajnej warstwy p1,katodaKdoskrajnejwarstwyn2oraztrzeciakocwkazwanabramk G,dowewntrznejwarstwyp2.Takastrukturamoebyuwaanaza poczenie dwch tranzystorw n-p-n i p-n-p. a)b)c) d)e)

Rys. 8.6. Tyrystor. a)symbol graficzny, b), c)podstawowa struktura, d) polaryzacja, e) charakterystyka prdowo napiciowa. A anoda, K katoda, G bramka, 1,2,3 prd bramki. Przeczenie tyrystora moe nastpi w wyniku przepywu prdu przez bramk. Im mniejsze jest napicie midzy anod a katod, tym wikszy musi byprdbramki,abynastpioprzeczenietyrystora.Monagowczy dopierowwczas,gdyprzezbramkniebdziepynprdigdy zmniejszymy napicie midzy anod a katod.K A G A G p1 p2 n2 n1 K p1 AK n2 p2 n1 IA IG G + + zcze 1 zcze 3 zcze 2 p1 n1 p2 n1 p2 n2 A G K 70rdazasilajcestakdobrane,abypolaryzowazczen2p2dwarazy silniej,wwynikuczegozczetowstrzykujewicejnonikw,powodujc dodatnie sprzenie zwrotne midzy zczem n1p1 i n2p2. Parametry tyrystorw: napicie przeczenia, przy zerowym prdzie bramki; prdtrzymanianajmniejszawartoprdupyncegoprzez tyrystor, przy ktrej nie nastpuje jego wyczenie; prdprzeczajcybramkiwartoprdupowodujcego przeczenietyrystora,przyokrelonymnapiciumidzyanoda katod; czas wczenia; czas wyczenia. Tyrystory stosuje si w: ukadach zasilania jako regulator mocy; automatyce jako styczniki; innychukadachelektrycznychjakoprzerywaczeprdustaego, sterowniki prdu przemiennego. 8.5. TRIAK Triaktotyrystorsymetrycznyostrukturzeicharakterystyce przedstawionej na rysunku poniej. a)b) n4 p3 n2 p1 n1 n3 AG K G GA1 A1 A2 A2 71c). Rys. 8.7. Triak. a) struktura, b) symbol graficzny, c) charakterystyka prdowo napiciowa. Przeczenie triaka nastpuje pod wpywem ujemnego prdu bramki. W triakach tyrystorach symetrycznych zostaa wyeliminowana podstawowa wadatyrystorw,jakjestmoliwoprzewodzeniaprdutylkowjednym kierunku.Triakimonazaczazarwnoprzydodatnimjakiujemnym napiciu anoda katoda. Najczciejwytwarzasitriaki,ktresprzeczonewstan przewodzenia w jednym kierunku prdem o polaryzacji dodatniej, a w drugim kierunku prdem o polaryzacji ujemnej. Triakizastpujtyrystory,coumoliwiaznaczneuproszczenieukadw sterujcych. 72Rozdzia IX. ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE 9.1. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA Diodyelektroluminescencyjnezwanestakediodamiwieccymi LED(zang.LightEmitingDiode),emitujpromieniowaniewzakresie widzialnymipodczerwonym.Promieniowaniejestwytwarzanewwyniku rekombinacji dziur i elektronw. Jest to dioda wiecca pod wpywem energii elektrycznejdoprowadzonejzzewntrz.Intensywnowieceniazaleyod wartocidoprowadzonegoprdu,przyczymzalenotajestliniowaw duymzakresiezmianprdu.Istniejdiodyelektroluminescencyjne prniowe,gazowaneipprzewodnikowe.Czstostosowanes pprzewodnikowe,gdypracujprzyniewielkichnapiciach(ok.2V)z niewielkimiprdami(kilkudokilkunastumA),couatwiaichwsppracw ukadach tranzystorowych. a)b) c) Rys.9.1. Dioda elektroluminescencyjna. a) sposb wczenia, b) zasada dziaania, c) obudowy. h +- RIF +- pn RNoniki nieruchome Dziury z obszaru p rekombinujcez elektronami h Dziury z obszaru n rekombinujcez dziurami IF 73Diodapracujeprawidowoprzypolaryzacjizczawkierunku przewodzenia. Zasada dziaania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku elektroluminescencji. Zjawiskoelektroluminescencjiwdiodachpprzewodnikowych poleganawytwarzaniuwiatapodwpywempolaelektrycznegowwyniku rekombinacjidziurielektronwwspolaryzowanymzczup-n. Przechodzenieelektronwzwyszegopoziomuenergetycznegonaniszy powoduje wydzielenie energii w postaci wiata (fotonu). Dugo fali generowanego (emitowanego) promieniowania: gWch= ;(9.1) przy czym: Wg=WcWv -szerokopasmazabronionegolubrnicaenergiipoziomw, midzy ktrymi zachodzi rekombinacja, c prdko wiata,h staa Plancka. Dugofaliemitowanegopromieniowaniazwikszasizewzrostem temperaturyzcza.Diodyemitujpromieniowaniewbardzowskim przedzialewidma:od490nmkolorniebieskido950nmbliska podczerwie. Rys.9.2. Charakterystyki widmowe diod elektroluminescencyjnych. Diodyelektroluminescencyjneswytwarzanezmateriaw pprzewodnikowych(pierwiastkizIIIiVgrupyukaduokresowegonp. GaAs, GaP, GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu), charakteryzujcych si dusprawnociemisjipromieniowania.Barwapromieniowania emitowanegoprzezdiodyLEDzaleyodmateriaupprzewodnikowego. Diodyemitujpromieniowanieobarwach:niebieskiej,tej,zielonej, 74pomaraczowej,czerwonej.Produkujesitakediodywieccernymi kolorami. Charakterystyki prdowo napiciowe diod LED maj przebieg podobny doinnychcharakterystykdiodpprzewodnikowych.Wikszenapicie przewodzeniaUF;wynoszoneok.1,6Vdladiodwieccychnaczerwonoi ok.2,6V dla diod wieccych na zielono. Rys.9.3. Charakterystyka prdowo napiciowa diody LED. redni prd przewodzenia IF nie powinien przekracza 20 100 mA, zalenie odtypudiody.Wtypowymukadziepracyprdprzewodzeniaograniczasi rezystorem. DiodyLEDsumieszczanewobudowach:metalowych,ztworzyw sztucznych,przezroczystych,matowych(pprzezroczystych),bezbarwnych lub na barwione na taki kolor jak wieci dioda.Obudowyszamknitesoczewkamiztworzywsztucznych,formujcymi wizkpromieniowania.Pozwalajoneuzyskaoptymalnyksztat charakterystykiktowejpromieniowania,obrazujcejprzestrzennyrozkad promieniowania wzgldem osi optycznej. 75 Rys. 9.4. Charakterystyka ktowa promieniowania diody LED. 9.1.1. WACIWOCI OPTYCZNE I ELEKTRYCZNE DIODY LED Parametry optyczne -strumieenergetycznySe(mocemitowanaprzezdiodIR), wyraamy w watach, lub strumie wietlny (moc emitowana przez diod wiecc), wyraamy w lumenach. Warto mocy emitowanej przezdiodroniezewzrostemprduprzewodzenia,amalejeze wzrostem temperatury zcza; -natenie promieniowania Je stosunek strumienia energetycznego do kta bryowego dla diod IR, ktrego jednostk jest wat na steradian; -wiato stosunek strumienia wietlnego do kta bryowego dla diodLED,wyraonawkandelach.Nateniepromieniowaniai wiato zwikszaj si ze wzrostem prdu przewodzenia; -powkowaszerokospektralnapromieniowania.Jestto szerokopasmapromieniowania,definiowanajakornica dugoci fal 1 2 , dla ktrych moc emitowana osiga poow swej wartoci maksymalnej. Parametry diody elektroluminescencyjnej okrela si take na podstawie: -Charakterystykiwidmowej.Jesttozalenomocyemitowanej strumieniaenergetycznegolubstrumieniawietlnegooddugoci fali emitowanego promieniowania (rys.7.2). 76-Charakterystykiktowejpromieniowaniadiodyzaleno mocyemitowanejodwartociktamierzonegoodosidiody (rys.7.3). Parametry elektryczne Parametryelektrycznediodyelektroluminescencyjnestakiesamejak innychdiodczyli:prdprzewodzenia,napicieprzewodzenia,napicie wsteczne oraz moc strat , ktra wynosi od kilkudziesiciu do kilkuset mW, a jej warto zaley od temperatury zcza. Bardzowanymparametremdiodyjestsprawnokwantowazewntrzna czylistosunekliczbyfotonwwyemitowanychprzezdioddoliczby nonikwprzepywajcychprzezzcze.Sprawnotamalejewrazze wzrostem temperatury zcza. Trwao diod wynosi okoo 105 godzin. Waciwocidynamicznediodokrelaprzebiegcharakterystyki czstotliwociowej, na ktrej jest zaznaczona czstotliwo graniczna. Jest to czstotliwo,przyktrejmocpromieniowaniamalejedopoowyswojej wartocimaksymalnejizaleyodmateriaupprzewodnikowego, domieszkowania (czasu ycia nonikw) oraz technologii wytworzenia. Zalety diod elektroluminescencyjnych may pobr prdu; maa warto napicia zasilajcego; dua sprawno; maa moc strat; mae rozmiary; dua trwao; dua warto luminacji; Diodyelektroluminescencyjnesnajbardziejrozpowszechnionymi elementami optoelektronicznymi. Stosuje si je jako: sygnalizatorywczenialubsygnalizatoryokrelonegostanupracy urzdzeelektrycznych,takichjaksprztradiowotelewizyjnyi aparatura pomiarowa,wskaniki w windach i telefonach, elementy podwietlajce przeczniki i skale, wskanikipoziomucieczy,np.paliwa,oleju,wodywsamochodzie itp.Stosujesiwkalkulatorach,zegarkach,przyrzdachpomiarowych,jako wskanikipoziomusygnau,dostrojeniaitp.wsprzciepowszechnego uytku. 77Diodyelektroluminescencyjne,ktreemitujpromieniowanie podczerwonewykorzystujesiwczachwiatowodowych,atakew urzdzeniachzdalnegosterowanianp.wurzdzeniachalarmowychiwtzw. pilotach do odbiornikw telewizyjnych. 9.2. FOTOREZYSTOR Fotorezystorjestelementemwiatoczuym.Jegorezystancjazmienia sipodwpywempadajcegopromieniowaniainiezaleyodkierunku przyoonego napicia, podobnie jak rezystancja zwykego rezystora. Owietleniefotorezystorapowodujezwikszenieprzepywajcegoprdu (zmniejszasijegorezystancja).Prdbdcyrniccakowitegoprdu pyncegoprzezfotorezystoriprduciemnego(prdpyncyprzez fotorezystorprzybrakuowietlenia)nazywamyprdemfotoelektrycznym. Jego warto zaley od natenia owietlenia i jest okrelona zalenoci: V pE G I = ;(9.3) wktrej:G,-wartocistaezaleneodmateriaupprzewodnikowegoirodzaju domieszek, EV natenie owietlenia. Parametry fotorezystora czuo widmowa zaleno rezystancji od natenia owietlenia. Nawartoczuociwpywarodzajmateriauisposbjego domieszkowaniadobieraniezewzgldunaprzeznaczenie fotorezystora.rezystancja fotorezystora: ldRE = ;(9.4) d odstp midzy elektrodami l szeroko elektrod -rezystywno pprzewodnika. wspczynniknokrelanyjakostosunekrezystancjiprzydanej wartoci natenia owietlenia 50RRnD= ;(9.5) gdzie: RD rezystancja ciemna R50 rezystancja przy nateniu owietleniu rwnym 50 lx. 78 Wartorezystancjiciemnejzaleyodstopniaczystocipprzewodnika. Rezystancjaciemnajestokootysicrazywikszanirezystancjaprzy owietleniu 50 lx i zawiera si w przedziale od 106 do 1012 . Napodstawiecharakterystykiprdowonapiciowejfotorezystora (rys.9.5)dobiera si waciwy obszar jego pracy. Charakterystyki te s liniowe w duym zakresie napi i prdw. Rys.9.5. Charakterystyka prdowo napiciowa fotorezystora. Fotorezystorywykonujesinajczciejwpostacicienkich pprzewodnikowychwarstwmonokrystalicznychlubpolikrystalicznych naniesionych izolacyjne np. szklane podoe (rys.9.6a). Materia wiatoczuy rozdzielajdwiemetaloweelektrodymajcewyprowadzenia.Elektrodyte czstomajksztatgrzebieniowy(rys.9.6b).Nadpowierzchniwiatoczu umieszczasiokienkoizamykawobudowie,chronicejprzed uszkodzeniami,aniekiedyumoliwiajcejpracwobnionejtemperaturze (tzw. naczynie Dewara). a)b) CdS PodoeElektroda Elektrodah 79 Rys. 9.6. Fotorezystor. a) budowa, b) grzebieniowy ksztat elektrod. Fotorezystorywykonujesizmateriawpprzewodnikowychtakich jak:CdS,CdSe,CdTe,PbS,PbSe,jakrwniezpprzewodnikw domieszkowanychnp.tellurkukadmudomieszkowanegortciCdHgTe.Od materiaupprzewodnikowegozaleyzakreswidmowyS1,S2 wykrywanego promieniowania, czyli zakres dugoci fal, dla ktrego czuo fotorezystora wynosi nie mniej ni 10% czuoci maksymalnej. Wad fotorezystora jest wraliwo temperaturowa. Zewzgldunaduczuoiprostyukadpomiarowy,fotorezystory wykorzystuje si do: pomiarutemperaturyiostrzeganiawsystemach przeciwpoarowych, wykrywania zanieczyszcze rzek i zbiornikw wodnych, detekcji strat ciepa przez izolacj termiczn budynkw, badania zasobw ziemi z samolotw i satelitw, celw wojskowych. 9.3. FOTODIODA Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwyka dioda krzemowa. Rnicajestwobudowie,gdyznajdujesitamsoczewkapaskalub wypuka,umoliwiajcaowietleniejednegozobszarwzcza.Fotodiody wykonuje si z krzemu lub arsenku galu. Fotodiodmonatraktowajakordoprduowydajnocizalenejod natenia owietlenia. Fotodiodpolaryzujesizaporowozewntrznymrdemnapicia. Podwpywemowietleniaprzezfotodiodpynieprdwsteczny,ktry zwiksza si ze wzrostem owietlenia. Przy braku owietlenia przez fotodiod pynieniewielkiciemnyprdwstecznyI0wywoanygeneracjtermiczn nonikw.Prdtennarastaliniowowrazzewzrostemwartocinapicia wstecznego. Zasada dziaania fotodiody. 80 Rys. 9.7. Zasada dziaania fotodiody. Przyowietleniufotodiodywpobliujejpowierzchnisgenerowanepary nonikwdziura-elektron.Obszaradunkuprzestrzennegoizwizanaznim barierapotencjauuniemoliwiajprzepywnonikwwikszociowych, natomiastnonikimniejszociowe(tj.dziurywobszarzenielektronyw obszarze p) dyfunduj do obszaru adunku przestrzennego, s przyspieszane i pokonujzcze(rys.9.7a).Przezzczepyniedodatkowyprd fotoelektrycznyIP.Prdtenjestproporcjonalnydomocypromieniowania padajcego na jej powierzchni, nie zaley od napicia wstecznej polaryzacji i wartoci obcienia. Rys. 9.8. Charakterystyki prdowo napiciowej fotodiody. Parametry fotodiody maksymalne napicie wsteczne URmax = 10 500V, maksymalny prd ciemny IR0max = 1 100nA, czuo na moc promieniowania Spe = 0,3 1A/W, czuo na natenie owietlenia SEV = 10 100nA/lx PN +++-+ R Jony nie -ruchome Obszar adunku przestrzennego Promieniowanie h Pary elektron - dziura 81 Istotn zalet fotodiody jest dua czstotliwo pracy. Mog one przetwarza sygnay wietlne o czstotliwoci do kilkudziesiciu MHz.Natomiast wad jest do silna zaleno prdu fotodiody od temperatury. Zastosowanie fotodiody: w urzdzeniach komutacji optycznej, w ukadach zdalnego sterowania, w szybkich przetwornikach analogowo cyfrowych, wukadachpomiarowychwielkocielektrycznychi nieelektrycznychnp.dopomiaruwymiarw,odlegoci,stei zanieczyszczeroztworw,czstotliwociiamplitudydrga, napre itp. 9.4. FOTOTRANZYSTOR Fototranzystoremnazywamyelementpprzewodnikowyzdwoma zczamip-n.Dziaataksamojaktranzystorztrnic,eprdkolektora niezaleyodprdubazy,leczodnateniapromieniowaniaowietlajcego obszarbazy.Owietleniewpywanarezystancjobszaruemiter-baza. Wykorzystujesituzjawiskofotoelektrycznewewntrzne,tj.zjawisko fotoprzewodnictwa. Fotoprzewodnictwopoleganazwikszaniuprzewodnictwa elektrycznegopodwpywemenergiipromienistejpowodujcejjonizacje atomwwdanymciele,wskutekczegozwikszasiliczbaswobodnych elektronw powstajcych w tym ciele Fototranzystorjestdetektoremoczuociwielokrotniewikszejni czuofotodiody,poniewaprdwytworzonypodwpywem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu. Fototranzystory wykonuje si najczciej z krzemu. 82Zasada dziaania fototranzystora Rys.9.9. Zasada dziaania fototranzystora. Owietleniefototranzystorapowodujewygenerowanieparelektron-dziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne noniki adunku przechodz doobszarukolektoradzikipolaryzacjizaporowejzczakolektorowego. Dziuryniemogprzejdoobwoduemiterowegozpowoduistniejcej barierypotencjaunazczubaza-emiter.Czznichjednakprzechodzido emitera,gdymajdostatecznieduenergikinetycznitamulegaj rekombinacji.Natomiastdziury,ktrenieprzeszypowikszaj nieskompensowanyadunekdodatni,obniajcbarierenergetycznzcza emiterowego.Wwynikuczegoelektronyzobszarunpokonujbarier zwikszajc strumie elektronw przechodzcych z emitera do bazy, a potem dokolektora.Elektronytezwikszajprdkolektorawznaczniewikszym stopniu, ni elektrony ktre powstay w wyniku generacji par elektron-dziura bezporedniowobszarzebazypodwpywemowietlenia.Wtensposb zachodziwewntrznewzmocnienieprdufotoelektrycznegoIP.Przez fototranzystornieowietlonypynieniewielkiprdciemnyICEO.Natomiast prdjasnykolektor-emiterfototranzystorawukadzieWEzrozwartbaz opisany jest zalenoci: ( ) p CE e CEI I I + =0;(9.6) Wfototranzystorachkocwkamoebywyprowadzonanazewntrz obudowy lub nie, dlatego te fototranzystor moe pracowa jako: fotoogniwo, wykorzystuje si tu zcze kolektor-baza (rys. 9.10a), fotodioda,wykorzystanejesttuzczekolektor-bazaprzy polaryzacji zaporowej (rys.9.10b), 83fototranzystor bez wyprowadzonej kocwki bazy w tym przypadku pracuje jako normalny fototranzystor (rys.9.10c), fototranzystorzwyprowadzonkocwkbazymonago niezalenie sterowa optycznie i elektrycznie (rys. 9.10d). a) b)c)d) (Baza)(Baza) (Kolektor)(Kolektor) (Kolektor)(Kolektor)(Emiter)(Emiter) FotoogniwoFotodiodaFototranzystorFototranzystor bez wyprowa -z wyprpwa - dzonej kocwkidzon baz

Rys. 9.10. Fototranzystor moe pracowa jako: a) fotoogniwo, b) fotodioda,c) fototranzystor bez wyprowadzonej kocwki bazy,d) fototranzystor z wyprowadzon kocwk bazy. Charakterystykaprdowonapiciowa.Jestonaidentycznazksztatem konwencjonalnego tranzystora. Ze wzrostem temperatury zcza zwiksza si prdciemnyiprdfotoelektryczny.Wartoprduciemnegozaleyod napicia UCE. Przypatrujc si charakterystyce czuoci widmowej (rys. 9.11a) zauwaamy, e jest bardzo zbliona do analogicznych charakterystyk fotodiod.Z charakterystyki odczytujemy, e czuo fototranzystora zwiksza si wraz zewzrostemnapiciapolaryzacji.Istotnywpywnaczuomakierunek padajcego promieniowania. Fototranzystory maj w porwnaniu z fotodiodami dwie zalety, a mianowicie: znaczniewikszczuodzikiwzmocnieniuwewntrznemupierwotnego prdufotoelektrycznegoorazmoliwojednoczesnegosterowaniaprdu kolektorazapomocsygnawelektrycznychiwietlnych.Wad fototranzystorw jest ich maa prdko dziaania. Czstotliwo graniczna fT jest rzdu kilkudziesiciu kilohercw. + - + -- + - + (Baza) 84 Rys. 9.11. Fototranzystor: a) charakterystyka prdowo napiciowa, b)charakterystyka czuoci widmowej. Fototranzystoryznalazyduezastosowanie.Gwnymiobszarami zastosowania s ukady automatyki i zdalnego sterowania, ukady pomiarowe wielkocielektrycznychinieelektrycznych,przetwornikianalogowo cyfrowe,ukadyczyoptoelektronicznych,czytnikitamikartkodowych itp. 9.5. FOTOTYRYSTOR Fototyrystoremnazywamytyrystorumieszczonywspecjalnej obudowie, umoliwiajcej oddziaywanie promieniowania wietlnego na jego przeczanie ze stanu blokowania do przewodzenia. a)b) Rys. 9.12. Symbole graficzne fototyrystora. Imwikszejestnapicieanodakatodafototyrystora,tymmoc promieniowaniapotrzebnadoprzeczeniajestmniejsza.Istotncech A G K K G A 85fototyrystora jest to, e po przeczeniu w stan przewodzenia, utrzymuje si w nim nawet po zaniku impulsu wietlnego. Wykonywanesgwniezkrzemuiwykorzystywanejakonp. fotoelektryczne przekaniki. 9.6. TRANSOPTORY Fotoodbiorniki moemy sprzga z diodami elektroluminescencyjnymi, wceluprzesaniasygnawnadrodzeoptycznej.Wtensposbuzyskujemy przekazywaniesygnawzjednegoukadudodrugiego,przygalwanicznym odseparowaniutychukadw.Takpowstayprzyrzdnazywamy transoptorem(diodaifotodetektorwrnychobudowach)lubczem optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie).Transoptorjestpprzewodnikowymelementemoptoelektronicznym, skadajcymsizconajmniejjednegofotoemiteraiconajmniejjednego fotodetektora, umieszczonych we wsplnej obudowie (rys.9.13). Rys. 9.13. Budowa transoptora 1 fotoemiter, 2 fotodetektor, 3 wiatowd, 4 obudowa. Transoptor moe by: zamknitytransmisjapromieniowaniamidzydiodi fotodetektorem nastpuje za pomoc wiatowodu,otwartytransmisjapromieniowaniamidzydiodi fotodetektorem nastpuje w powietrzu. Transoptorpozwalaprzesyasygnayelektrycznezwejcianawyjciebez pocze galwanicznych obwodw wejciowego i wyjciowego. Wtransoptorzerolfotoemiterawobwodziewejciowymspenia zwyklediodaelektroluminescencyjnazarsenkugaluGaAs.Nawyjciu transoptora moe znajdowa si fotodioda lub fototranzystor. 1324 86a)b) Rys. 9