|
|
|
1. Úvod 2. Fyzikální základy 2.1 Základní vlastnosti polovodičů 2.2 Přechod PN 3. Součástky 3.1 Polovodičové diody 3.2 Tranzistory 3.2.1 Bipolární tranzistory 3.2.2 Unipolární tranzistory 3.3 Spínací polovidičové součástky 3.3.1 Dvoubázová dioda 3.3.2 Diak 3.3.3 Tyristory 3.3.4 Triak 3.4 Optoelektrické součástky 3.4.1 Fotorezistory 3.4.2 Fotodiody 3.4.3 Fototranzistory 3.4.4 Fototyristory 3.4.5 Elektroluminiscenční diody 3.4.6 Polovodičové lasery 3.4.7 Světlovody 3.4.8 Optrony 3.4.9 Zobrazovací jednotky 3.5 Polovodičové součástky bez PN přechodu 3.5.1 Varistory 3.5.2 Termorezistory 3.6 Integrované obvody 4. Elektronické obvody 4.1 Usměrňovače 4.1.1 Jednofázový jednocestný jednopulsní usměrňovač 4.1.2 Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač 4.2 Filtrace napětí 4.3 Zdvojovače a násobiče napětí 4.4. Základní zapojení tranzistorů 5. Seznam značení a zkratek 6. Literatura |
3.2 Tranzistory Podstata funkce tranzistoru (z anglických slov TRANSfer resISTOR) je naznačena už v jeho názvu - transformace odporu. Jeho objev v roce 1947 znamenal převrat v elektronice a všech oborech s ní souvisejících. Podle toho, které nosiče náboje se zúčastňují vedení proudu tranzistorem, rozlišujeme tranzistory : a) bipolární, jejichž podstatou činnosti je řízená injekce minoritních nosičů emitorem do oblasti báze a následná extrakce těchto nosičů kolektorem, přičemž vedení proudu se zúčastňují oba nosiče náboje - elektrony a díry b) unipolární, jejichž princip činnosti je založen na ovlivňování vodivého kanálu mezi emitorem a kolektorem příčným elektrickým polem (Field Effect Transistor - FET), přičemž vedení proudu v kanále je uskutečňováno prostřednictvím jednoho typu nosiče náboje (kanál N - elektrony, kanál P -díry). [1] Bipolární tranzistor je polovodičová součástka s dvěma přechody, ve které jsou tedy vytvořeny tři oblasti s různým typem vodivosti, přičemž můžeme rozlišit PNP nebo NPN tranzistory. Obr. 3.5. ukazuje strukturu bipolárního tranzistoru a pásmový model tranzistoru v termodynamické rovnováze. Levou část nazýváme emitorem. Prostřední (nejdůležitější) část tranzistoru je od emitoru oddělena tzv. emitorovým přechodem JE a nazýváme ji bází. Báze je od další vrstvy tzv. kolektoru oddělena kolektorovým přechodem JC.
Obr: 3.5. Bipolární tranzistor PNP: a) schematický náčrt b) pásmový model v termodynamické rovnováze
Podstatou činnosti bipolárního tranzistoru je řízená injekce minoritních nosičů emitorem do oblasti báze a následná extrakce těchto nosičů kolektorem, přičemž rekombinace minoritních nosičů v bázi musí být co nejmenší. Proto musí být hloubka báze (t.j. vzdálenost obou depletičních vrstev) mnohem menší, než difúzní délka minoritních nosičů. Důležitou podmínkou je i nutnost vytvoření silně nesymetrického emitorového přechodu. Pro dobré zesilovací účinky tranzistorů je nutné, aby plocha kolektorového přechodu byla větší než plocha emitorového přechodu. Bipolární tranzistor může pracovat ve čtyřech režimech, které jsou dány polaritou a velikostí napětí na přechodech bipolárního tranzistoru: 1) Oba přechody JE, JC jsou polarizovány v závěrném směru - nevodivý stav, závěrný režim 2) Oba přechody JE, JC jsou v propustném směru - nasycený (saturační) režim - součástkou teče velký proud, jehož hodnota je konstantní a je daná velikostí napětí napájecího zdroje a odporu v kolektorovém obvodu 3) Emitorový přechod JE je polarizován v propustném směru, kolektorový přechod JC je polarizován závěrně - aktivní režim - nejčastější stav, ve kterém se tranzistor využívá, proudem báze můžeme řídit velikost proudu v kolektorovém i emitorovém obvodu (obr. 3.6.) 4) Emitorový přechod JE je polarizován závěrně, kolektorový přechod JC je polarizován v propustném směru - inverzní režim - vede po překročení mezních údajů emitorového přechodu v závěrném směru ke zničení součástky
Obr: 3.6. Bipolární tranzistor PNP s připojenými vnějšími napětími: a) obvodové zapojení b) pásmový model
Schopnost tranzistor zesilovat výkon je nazvána tzv. tranzistorovým jevem, který je základní vlastností tranzistoru. Emitorem injektované minoritní nosiče procházejí bází v důsledku difúze, částečně v ní rekombinují, přičemž větší část se dostává do oblasti kolektorového přechodu, který způsobuje extrakci těchto minoritních nosičů. Proudy tekoucí oběma přechody jsou přibližně stejné, avšak odpor emitorového přechodu je mnohem menší (propustný směr) než odpor kolektorového přechodu (závěrný směr). Poměr napětí na vstupu a na výstupu tranzistoru je značný, z čehož pak vyplývá napětové a výkonové zesílení tranzistoru. [1]
Základní zapojení bipolárních tranzistorů Při popisu vlastností bipolárního tranzistoru se nejčastěji využívá obecné teorie dvojbranů (čtyřpólů). Podle toho, která elektroda tranzistoru je společná pro vstupní i výstupní svorky aktivního dvojbranu, rozlišujeme tři základní zapojení tranzistoru : a) zapojeni se společnou bází (SB) Společnou svorkou pro vstupní a výstupní svorky dvojbranu je zde báze, přičemž orientace napětí a proudů odpovídá spotřebičové orientaci elektrických veličin dvojbranu (obr. 3.7.).
a) b) Obr: 3.7. Zapojení tranzistoru se společnou bází: a) PNP tranzistor b) NPN tranzistor
b) zapojení se společným emitorem (SE) Společnou svorkou pro vstupní a výstupní svorky dvojbranu je zde emitor.
a) b) Obr: 3.8. Zapojení tranzistoru se společným emitorem: a) PNP tranzistor b) NPN tranzistor
c) zapojení se společným kolektorem (SC) Společnou svorkou pro vstupní a výstupní svorky dvojbranu je zde kolektor.
a) b) Obr: 3.9. Zapojení tranzistoru se společným kolektorem: a) PNP tranzistor b) NPN tranzistor
Tab: 3.1. Charakteristické údaje základních zapojení bipolárního tranzistoru
Z uvedených údajů vyplývá, že tranzistor v zapojeni. SB, SC se bude nejčastěji používat jako měnič impedance. Výhodné vlastnosti zapojení tranzistoru se společným emitorem SE bude využíváno zejména v zesilovačích. [1] Stejnosměrné charakteristiky bipolárního tranzistoru Pro odvození stejnosměrných (statických) charakteristik bipolárního tranzistoru použijeme Ebers-Mollův model ideálního tranzistoru (obr. 3.10.)
a) b) Obr: 3.10. Ebers-Mollův model: a) ideálního b) reálného tranzistoru
Proudy tekoucí diodami jsou popsány vztahy:
Obr: 3.11. Charakteristiky bipolárního tranzistoru v zapojení se společným emitorem.
V prvním kvadrantu sítě charakteristik jsou zakresleny tzv. výstupní charakteristiky naprázdno. S růstem bázového proudu roste i velikost výstupního kolektorového proudu. Strmost tzv. proudové převodní charakteristiky nakrátko ve druhém kvadrantu udává proudový zesilovací činitel β . Ve třetím kvadrantu je znázorněna tzv. vstupní charakteristika nakrátko. Závislost vstupní charakteristiky na napětí UCE je zanedbatelná, proto se často vstupní charakteristika udává pro jedinou hodnotu UCE. Grafická závislost vstupního napětí na výstupním je znázorněna ve čtvrtém kvadrantu formou tzv. zpětné napěťové převodní charakteristiky naprázdno pro různé hodnoty bázového proudu. Vlastnosti tranzistoru v daném zapojení jsou určeny polohou tzv. pracovního bodu. [1]
Charakteristické parametry bipolárního tranzistoru Vlastnosti obecného dvojbranu (čtyřpólu) lze popsat dvojicí tzv. charakteristických rovnic, které vyjadřují vzájemné vztahy mezi vstupními a výstupními obvodovými veličinami dvojbranu. Pro popis bipolarního tranzistoru v obvodech nf napětí a proudu se nejčastěji používají hybridní charakteristické rovnice, resp. admitační charakteristické rovnice pro některé vf aplikace. Obecně lze hybridní charakteristické rovnice vyjádřit :
resp. admitační charakteristické rovnice:
Obr: 3.12. Obecné náhradní lineární schéma tranzistoru: a) s hybridními čtyřpólovými parametry b) s admitačními čtyřpólovými parametry
Pro vzájemný přepočet hybridních a admitačních parametrů můžeme použít následujících vztahů :
 [1]
Kromě charakteristických údajů jako např. doporučený pracovní bod, hodnoty h-parametrů, y-parametrů, mezní kmitočty aj. je nutné znát pro návrh obvodů s tranzistory i parametry určující dovolenou pracovní oblast. tranzistoru. Po jejich překročení může dojít k nezvratným změnám parametrů a zničeni tranzistoru. K. těmto parametrům patří zejména : a) maximální kolektorová ztráta PCmax, která je určena maximální teplotou přechodu a souvisí prostřednictvím tepelného odporu mezi přechodem a okolím s ochlazovacími podmínkami při činnosti tranzistoru. Ztrátový výkon tranzistoru lze vyjádřit vztahem :
c) maximální proud báze IBmax, který je opět určen konstrukcí tranzistoru d) mezní napětí emitor-báze UEB0 je mezní napětí závěrně polarizovaného emitorového přechodu e) mezní napětí kolektor-báze UCB0 je mezní napětí závěrně polarizovaného kolektorového přechodu, který je nejvyšší z přípustných napětí mezi elektrodami tranzistoru f) mezní napětí kolektor-emitor UCE0, je napětí mezi kolektorem a emitorem při rozpojeném bázovém obvodu. Při překročení mezního napěti mezi kolektorem a emitorem může vzniknout tzv. první průraz (lavinový ), který je způsoben lavinovou generací v depletiční vrstvě kolektorového přechodu. Je-li proud omezen zatěžovacím odporem dostatečné velikosti je tento průraz nedestruktivní. V důsledku nerovnoměrného rozdělení proudu, který prochází kolektorovým přechodem, dochází vlivem tzv. pinch-in-effektu k lokálnímu poklesu odporu depletiční vrstvy, přičemž může vzniknout lokální přehřátí a posléze roztavení uvažovaného místa přechodu (tzv. druhý průraz, který omezuje pracovní oblast zejména výkonových tranzistorů). Maximální napětí mezi kolektorem a emitorem závisí na vlastnostech vstupního bázového obvodu, a je určeno velikostí vnějšího odporu RBE mezi bází a emitorem a velikostí závěrného napětí na emitorovém přechodu (UCEX). Vzájemnou polohu jednotlivých mezních napětí UCE0, UCER, UCEX, UCB0 ukazuje obr. 3.13.
Obr: 3.13. Výstupní charakteristiky tranzistoru v zapojení SE při mezních hodnotách napětí mezi kolektorem a emitorem [1]
Pracuje-li bipolární tranzistor v normálním aktivním režimu je emitorový přechod polarizován v propustném směru. Z toho vyplývá malý vstupní odpor této polovodičové součástky. Na rozdíl od tranzistoru je v případě vakuové elektronky řízen pracovní proud napětím mezi mřížkou a katodou a vzhledem k tomu, že tyto dvě elektrody nejsou galvanicky spojeny, představuje řídici obvod elektronky velký vstupní odpor a tedy vyžaduje minimální výkon zdroje signálu, což je v mnoha aplikacích zejména, máli zdroj signálu velkou vnitřní impedanci, užitečná vlastnost. Proto byla snaha sestrojit polovodičový prvek, který by měl podobné vlastnosti jako elektronka a přitom si zachoval ostatní výhodné vlastnosti polovodičových prvků. Tímto prvkem se stal tranzistor řízený elektrickým polem, které je vytvořeno napětím mezi řídicí elektrodou a emltorem tranzistoru.Podle provedení se unipolární tranzistory dělí na dvě hlavní skupiny : 1) tranzistory s izolovaným hradlem, u kterých je řídicí elektroda oddělena vrstvou dielektrika (MISFET, FET nebo IG FET) 2) tranzistory s hradlem odděleným potenciální barierou tvořenou a) PN přechodem, který je pólován v závěrném směru (PNFET nebo JFET) b) Schottkyho přechodem, který je pólován v závěrném směru (MESFET)Další členěni unipolárních tranzistorů ukazuje obr. 3.14.
Obr: 3.14. Rozdělení unipolárních tranzistorů [1]
Unipolární tranzistory s izolovaným hradlem Nejrozšířenějším představitelem této skupiny unipoláriiích tranzistoru je tranzistor se strukturou MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor FET), jehož strukturu ukazuje obr. 3.15.
Obr: 3.15. Sturktura bipolárního tranzistoru MOSFET
V polovodičové destičce (substrátu) s vodivostí typu P jsou vytvořeny dvě oblasti s vyšší koncentrací příměsí N+, nazývající se emitor (S) a kolektor (D). Řídicí elektroda (G) je od substrátu oddělena tenkou vrstvou kysličníku křemičitého SiO2. V důsledku existence povrchových stavů na rozhraní izolant — polovodič vzniká v izolační vrstvě povrchový náboj, který přitahuje minoritní nosiče substrátu k rozhraní izolant — polovodič, vzniká vodivý kanál (v uvedeném případě typu N), který spojuje obě oblasti N+. Vodivý kanál mozi oběma oblastmi N+ existuje tedy i při nulovém napětí mezi řídicí elektrodou a emitorem. V případě, že povrchový náboj na rozhraní izolant -polovodič způsobuje odpuzování minoritních nosičů, k vytvoření kanálu nedojde. Při kladném napětí na řídicí elektrodě vůči emitoru dochází k dalšímu přitahování minoritních nosičů k řídicí elektrodě, přičemž se zvyšuje vodivost kanálu. Při zvyšování napětí mezi emitorem a kolektorem UCE se zvětšuje také proud IC. Při určité hodnotě UCE = UCESAT dochází k zaškrcení kanálu u kolektoru, kolektorový proud se mění málo, i když se napětí zvyšuje. Při záporné polaritě napětí na řídicí elektrodě dochází k vytvořeni záporně vázaného povrchového náboje na rozhraní SiO2-N-kanál, který odpuzuje elektrony z kanálu, jeho vodivost klesá a snižuje se i proud IC. Popsaný typ tranzistoru MOSFET se nazývá tranzistor s ochuzováním nebo v režimu ochuzení. Kromě tranzistorů MOSFET s vodivým kanálem existují i tranzistory s tzv. indukovaným kanálem, u kterých není souvislý vodivý kanál mezi kolektorem a emitorem při nulovém napětí řídicí elektrody. Tento kanál vzniká teprve působením napětí řídicí elektrody, která opět způsobuje přitahování minoritních nosičů z objemu základny a vytvoření vodivého kanálu, přičemž při napětí UCE ≠ 0 začíná protékat proud IC až od určité prahové hodnoty napětí UGE = UP. Při nadprahových hodnotách napětí hradla se tranzistory s indukovaným kanálem chovají stejně jako tranzistory s vodivým kanálem. Při nižších napětích než je prahové, je kanál nevodivý, neboť je přerušen oblastí s opačnou vodivostí. Tento tranzistor se nazývá tranzistor s obohacováním nebo v režimu obohacení. Z uvedeného vyplývá, že unipolární tranzistor s vodivým kanálem může pracovat v obou režimech. Izolační vrstva z SiO2, má sklon k hromadění kladných iont, a proto je technologicky snadnější vytvoření tranzistorů MOSFET s vodivým kanálem typu N a tranzistory MNOSFET s indukovaným kanálem typu P. Polarita napětí u MNOSFET s kanálem typu P je pak opačná proti typu N. Na obr.3.16. jsou zobrazeny výstupní a převodní charakteristiky unipolárnich tranzistorů MOSFET v zapojení SE:
Obr: 3.16. Výstupní převodní charakteristiky MOSFET v zapojení SE: a) s vodivým kanálem typu N b) s indukovaným kanálem typu P [1]
Unipolární tranzistory s hradlem odděleným potenciální barierou Princip činnosti této skupiny unipolárních tranzistorů bude objasněn na příkladu tranzistoru s hradlem odděleným závěrně polovaným PN přechodem. Strukturu unipolárního tranzistoru JFET ukazuje obr. 3.17. Do základny (substrátu) s vodivostí N s nízkou koncentrací příměsí je vytvořena oblast P+ s vyšší koncentrací příměsí. Závěrná (depletiční) vrstva vzniklého přechodu P+ N se pak převážně rozšiřuje do substrátu. Pod ní vzniká vodivý kanál, kterým procházejí majoritní nosiče substrátu. Přivedeme—li mezi řídicí a zdrojovou elektrodu záporné napětí, rozšíří se závěrná vrstva na úkor šířky kanálu, která se tím zmenší, čímž se změní jeho vodivost. Při dostatečně velkém záporném napětí se rozšíří závěrná vrstva tak, že úplně uzavře vodivý kanál. Narůstání závěrné vrstvy je však ovlivněno nejen napětím řídicí elektrody, ale také napětím mezi zdrojovou (emitorem) a sběrnou elektrodou (kolektorem). Přivedeme-li napětí UCE > 0, bude se podél kanálu měnit napětí na přechodu P+ N tak, že na konci kanálu bude závěrné napětí přechodu největší a zúžení kanálu bude maximální. Překročením napětí UCE = UCESAT dojde k uzavření kanálu, přičemž další zvyšování napěti nemá vliv na velikost proudu tekoucího kanálem. Hodnota saturačního prudu ICSAT, která se již prakticky nebude měnit je dána počtem majoritních nosičů, které svým pohybem překonají hranici kanálu N - závěrná oblast.
Obr: 3.17. Struktura tranzistoru JFET
Převodní a výstupní charakteristiky JPETu se kvalitativně neliší od charakteristik MOSFETu. Rozdíl mezi oběma je, že u MOSFETu bylo možné použít řídící napětí obou polarit, u JFETu to možné není, poněvadž lze použít jen takovou polaritu, která udržuje řídicí přechod PN polarizovaný v závěrném směru (obr. 3.18.).
Obr: 3.18. Výstupní a převodní charakteristiky JFET s vodivým kanálem N [1]
Charakteristické parametry a základní zapojení unipolárních tranzistorů Unipolární tranzistory se obvykle popisují admitančními parametry, které jsou vhodnější s ohledem na velké impedance unipolárních tranzistorů. Pro malé změny vstupních a výstupních veličin je možno napsat admitační rovnice pro zapojení SE :
kde jsou:
vstupní admitance nakrátko
převodní admitance nakrátko
zpětná admitance nakrátko
Obr: 3.19. Náhradní schéma FET
Vstupní impedance tranzistorů FET má odporovou a kapacitní složku. Vstupní kapacita bývá několik pF. Na nízkých kmitočtech je vstupní impedance určena odporem mezi hradlem a kanálem. Výstupní impedance má opět odporovou složku a kapacitní složku.Výstupní odpor řádově desítky kW, kapacita jednotky pF. Unipolární tranzistory při běžném užití nepracují při tak velkých proudech a napětích kolektoru, aby byly přetíženy tepelně. Hlavním parametrem, jehož překročení vede ke zničení tranzistoru, je napětí hradla proti kanálu, popř. substrátu. Více odolné jsou tranzistory JFET, kde hradlo s kanálem tvoří diodu, u tranzistorů MOSFET je nebezpečí průrazu izolační vrstvy mnohem větší. Proto výrobci dodávají tranzistory MOSFET se zkratovací spojkou, která se odstraní až po zapájení tranzistoru do obvodu, přičemž ochrana hradla se provádí např. pomocí antiparalelně řazených diod. Základní zapojení tranzistorů FET je obdobné jako u bipolárních a to : 1) se společným hradlem 2) se společným emitorem 3) se společným kolektorem Základní použití FET: zesilovače s velkým vstupním odporem, napěťově řízené odpory, spínače, časovačí obvody. [1]
|
