Elektronika I Dr. Istók Róbert
Történeti {ttekintés
Tekercs Kondenz{tor
1948 Bell Labs Elektroncső
Intel 4004
1971. nov. 15. Intel 4004 mikroprocesszor 2300 tranzisztor 10 µ𝑚 (mikron) technológia Jelenleg több mind 2500000000 tranzisztor 32nm (nanométer)
Félvezetők •
Félvezetőknek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek fajlagos ellenállása a vezetők és a szigetelők közé esik.
•
A félvezetők ellenállása a hőmérséklettel exponenciálisan csökken
Félvezetők fizikai alapjai •
A félvezetőknél a vegyértéksáv és a vezetési sáv közötti tiltott sáv mindössze pár elektronvolt (a germánium esetében 0,7 eV, a szilícium esetében 1,1 eV).
•
Így a vezetési sávban az elektronok, a vegyértéksávban pedig a lyukak keletkeznek. A töltéshordozók kialakulása révén az anyag vezeti az elektromos áramot.
Elemi, szil{rd oldatok, vegyület félvezetők
•
Elemi félvezető anyagok: germánium (GE); szilicíum (Si) szelén (Se)
•
Szilárd oldat típusú félvezetők: gallium-arzenid (GaAs); gallium-aluminiumarzenid (GaAlAs); indium-antimonid (InSb),
•
Vegyület félvezető: ólom-szulfid (PbS); titán-oxid (TiO2)
P,N félvezető •
A félvezető ellenállásának csökkentése érdekében a félvezetőt adalékolják. Az alkalmazott adalékatomnak eggyel több vagy kevesebb elektronja van, mint a félvezetőnek. Ha eggyel több, akkor negatív (N) típusú félvezetőről beszélünk (az adalék atomokat pedig donornak nevezik), ellenkező esetben pozitív (P) típusúról (az adalékatomokat pedig akceptoroknak nevezik).
P-N {tmenet •
a kétféle p és n típusú félvezetõ közti
határréteget nevezzük p-n átmenetnek
•
töltött zóna alakul ki a határréteg két oldalán, a p típusú rétegben a negatív ionok miatt negatív
töltés, az n típusú rétegben a pozitív donoratomok miatt pozitív töltés lesz jelen
•
A töltéshordozók hiánya miatt kiürített rétegnek
nevezzük a határréteget.
Félvezető dióda •
A dióda két kivezetéssel ellátott, egy p-n
átmenetet tartalmazó félvezető eszköz, amely egyenirányításra alkalmas.
Vezető-Lez{rt {llapot • • • •
A p rétegre pozitív, az n rétegre negatív feszültséget kapcsolva: Elektronok lépnek át a p típusú rétegbe Lyukak lépnek át az n típusú rétegbe. A dióda vezet, már kis nyitófeszültség hatására.
•
Si dióda nyitófeszültsége U0=0,6V
• •
A p rétegre negatív, az n rétegre pozitív feszültséget kapcsolva: A kissebségi töltéshordozók szállítják az
•
áramot A kissebségi töltéshordozók száma nagyon kicsi. A dióda lezárt állapotba kerül
.
Dióda karakterisztika •
Nyitóirányú karakterisztika
• • •
IS szaturációs áram (Si dióda 10pA) m 1÷2 tapasztalati érték 𝑈𝑇 termikus feszültség szobahőmérsékletnél 26mV
• • •
k=1,38*10-23J/K, Boltzman állandó T abszolút hőmérséklet (Kelvin fok) q=1,6*10-19 elemi töltés
• •
Záróirányú karakterisztika Alig változó záróirányú áramérték mellet követi a feszültség növekedést
Különböző típusú diód{k
Bipol{ris Tranzisztor • Felépítése Három, eltérően adalékolt tartományból áll.
NPN-tranzisztor két N-típusú tartomány között egy vékony P-típusú réteg van.
PNP-tranzisztor két P-típusú réteg közé kerül egy vékony N-típusú tartomány.
A két szélső réteget kollektornak (C), illetve emitternek (E) nevezik, a középső réteget bázisnak (B) hívják.
Működési tartom{nyok helyettesítő kapcsol{s tartom{ny
BE
BC
alkalmaz{s
Norm{l
NY
Z
Line{ris üzem
lez{rt
Z
Z
Kapcsoló üzem
nyitott
NY
NY
Kapcsoló üzem
Inverz aktív
Z
NY
ritk{n
Bipol{ris tranzisztor {ramai
•
B - egyenáramú áramerősítési tényező
Váltakozó áramú jelek esetén kis „i” betűt használunk. B helyet β-t használunk
Bipol{ris tranzisztor karakterisztik{i
Emitter földelve Bemenet a bázisra Kimenet a kollektorra
Négypólus H paraméterek
i1-et, vagy u2 null{v{ téve kifejezzük az adott H paramétert
Népólus H paraméteres helyettesítő képe
Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe
•
Hibrid vagy Giacolleto-modell
Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe
𝑟𝐵𝐵–bázis-hozzávezetési ellenállás 5-50Ω. Nagy frekvenciás áramkörökben zavaróminél kisebb
𝑟𝑒 – bázis emitter dióda dinamikus ellenállása 𝑈𝑇 – termikus feszültség
Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe
•
B, 𝛃 bázisáramra vonatkoztatott áramerősítési tényező
•
Kisfrekvenciás, kisteljesítménű (100mA) 50-500
•
Kisfrekvenci{s, nagyteljesítménű (több A) 20-50
•
Nagyfrekvenci{s (tranzit hat{rfrekvencia legal{bb 1GHz) 50-100
•
Szuper β tranzisztorok 1000-5000
Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe
•
µ - feszültség-visszahat{si tényező. 10−4
•
Kollektor-emitter feszültség v{ltoz{sa milyen mértékben hat vissza a b{zis-emitter
dióda feszültségére •
𝑔𝑚 meredekség. B{zis-emitter feszültség v{ltoz{sa milyen mértékben v{ltoztatja meg a kollektor{ramot. 10-500mS, munkaponti adatok függvénye
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Bipol{ris tranzisztor h paraméterei
Térvezérlésű tranzisztorok
•
Bemenő áramuk közel 0
•
Kis teljesítményigény
•
Kis helyigény
•
A többségi töltéshordozók árama határozza meg a működést→kisebb hőmérséklefüggés
•
Szimetrikus eszközök, a kapcsok felcserélhetőek – unipoláris tranzisztor
Z{róréteges j-FET (field effect transistor)
•
A source és drain elektródák közötti többségi töltéshordozó áramot a gate elektródára kapcsolt feszültséggel tudjuk változtatni azáltal, hogy változtatjuk a záróirányba előfeszített pn átmenet feszültséget→váltazik a kiürített réteg vastagsága→ az áramvezetésre alkalmas csatorna keresztmetszetje.
•
Legfontosabb paraméter 𝑉𝑝 elzáródási feszültség ( amikor akiürített réteg teljesen elzárja a csatornát)
J-FET Karakterisztik{k
Kiürítéses MOSFET •
n típusú sziliciumréteg erősen szennyezett
n csatorna vékony és gyengén szennyezet •
A gate-ra negatív feszültséget kapcsolunk, az elektromos tér, a n csatornából az elektronokat taszítja, kikinszeriti a csatarnaból.
•
Ha a negatív feszültség eléri a lezárófeszültséget a csatorna teljesen kiürül, lezáródik és rajta az áram nem folyikfeszültség
Kiürítéses MOS FET karakterisztik{i
Pozitív vezérlő feszültség esetén is működőképes marad a tranzisztor Pozitív feszültség növeli a töltés hordozók számát a csatornában
Növekményes MOS FET
•
Két erősen szennyezet n típusú üreg , n csatorna nincs
•
Gate-ra pozitív feszültséget kapcsolunk . Az erőtér taszítja a lyukakat és vonzza az elektronokat.
•
Kis pozitív gate feszültség először a p típusú szubsztrát gate alatti részéből távoznak a lyukak, és kiürített réteg alakul ki. Gatefeszültség növeléssel az elektromos tér source üregből elektronokat vonz és létrehozza a csatornát
Növekményes MOS FET karakterisztik{i
•
Uk küszöbfeszültség(2-4V) ahol a csatorna létrejön
A MOS-FET-ek előnyös tulajdonsága a JFET-hez képest, hogy míg utóbbi gate-jén folyik valamennyi záróáram, a MOS FET gate-je el van szigetelve, tehát az tökéletes szakadásként viselkedik
FET helyettesítő kép
• •
𝑔𝑚 meredekség, kisebb mint bipoláris tranzisztor esetén 𝑔𝐷𝑆 drain és source között fellépő vezetés
Munkapont be{llít{sa b{zisköri
feszültségosztóval
•
𝑅𝐸 stabilizálja a munkapontot a hőmérséklet ellenében
•
𝐶𝑒 váltokozó áramú szempontból rövidre zárja 𝑅𝐸
•
A feszültségosztó állandó 𝑈𝐵0 bázis-feszültséget szolgáltat, a bázisáram változásaitól függetlenül
Munkapont be{llít{sa b{zis{rammal
•
Hátrány, B egyenáramú áramerősítési tényező gyártási során nagyon nagy.
Térvezérlésű tranzisztorok munkapont be{llít{sa feszültségosztóval
Térvezérlésű tranzisztorok munkapont be{llít{sa source-ellen{ll{ssal
•
𝑅𝐺 max 1MΩ
•
A gate-ellenálláson nem folyik áram. 𝐼𝐺 =0. Feladata, hogy a gate potenciált 0V-on tartsa.
Irodalomjegyzék •
Borbély Gábor Dr.: Elektronika I. Győr : Széchenyi István Egyetem, 2006. 201 p.
[elektronikus jegyzet (pdf) •
U.tietze-Ch. Schenk: Analog és Digitális Áramkörök
•
Hainzmann- Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök. Tankönyvkiadó, Budapest, 1992
•
http://wiki.ham.hu/index.php/Kateg%C3%B3ria:F%C3%A9lvezet%C5%91k
