FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK II. Elektrotechnika 5. előadás
A tranzisztor felfedezése A tranzisztor kifejlesztését a Lucent Technologies kutatóintézetében, a Bell Laboratóriumban végezték el. A laboratóriumban három kutató Walter Brattain, John Bardeen, William Shockley, 1934 óta kísérletezett különféle anyagokkal, amelyek kutatása során két olyan anyagot találtak, amelyek félvezető tulajdonságot mutattak. Ez a két anyag a germánium és a szilícium volt. Az első megépített tranzisztort germánium és aranylemez összepréseléséből hozta létre Walter Brattain 1947. december 16-án. Ezt kísérletképpen egy korabeli csöves erősítő egyik elektroncsövének helyébe építették be. Az új eszközt 1948. június 17-én szabadalmaztatták. A tranzisztor nevet a távközlési részleg vezetője, John Pierce adta az alkatrésznek. Walter Brattain és John Bardeen munkásságát később elismerték, és 1956ban Nobel-díjat kaptak a találmányukért.
A bipoláris tranzisztorok kivitele A bipoláris tranzisztorok félvezető alkatrészek, amelyek három különbözőképp szennyezett félvezető tartományból állnak.
ELMÉLETI KÉRDÉS 65 és 66
NPN tranzisztor
PNP tranzisztor
A tranzisztorokat n-p-n vagy p-n-p sorrendű tartományokkal készítik, így megkülönböztetünk npn, ill. pnp tranzisztorokat.
A tranzisztor áramai és feszültségei A tranzisztorokon három feszültség lép fel, és három áram adódik. Az áramok elnevezése IC kollektoráram, IB bázisáram, és IE emitteráram
IE=IC+IB UCE=UCB+UBE
Az UCE feszültséget kollektor – emitter feszültségnek -, az UBE feszültséget bázis – emitter feszültségnek -, az UCB feszültséget kollektor – bázis feszültségnek nevezzük.
A tranzisztor működése 1. • A tranzisztort az IB bázisáram ás az UBE bázis-emitter feszültség vezérli. • Ha az UBE feszültség 0,7 V fölé emelkedik (Si tranzisztornál), akkor megindul a IB bázisáram. A UBE feszültség és az IB bázisáram növekedésével a tranzisztor kivezérlődik, azaz csökken a kollektor-emitter szakasz ellenállása. • Az UBE és IB-hez tartozó áramkört bemeneti, vagy vezérlő áramkörnek nevezzük. • A kollektor-emitter szakaszt kimeneti, vagy terhelő áramkörnek nevezzük.
A tranzisztor működése 2. A kimeneti áramkörben a nagy ellenállás-változásnak megfelelően, nagy áramváltozások adódnak. Ha a kimeneti áramkörbe egy RC ellenállást kapcsolunk, akkor azon az áramváltozással arányos feszültség-változások adódnak.
A tranzisztor tehát alkalmas arra, hogy a bemeneti körben ható kis jelfeszültségeket és áramokat felerősítse. A felerősített áram és feszültségértékek a kimeneti áramkörről vehetők le.
Bemeneti jelleggörbe A IB bázisáramot és a UBE bázis-emitter feszültséget bemeneti mennyiségeknek nevezzük. A bemeneti jelleggörbe az UBE és az IB közötti összefüggést adja meg.
66. elméleti kérdés
Szilicium tranzisztor bemeneti jelleggörbéje
A bázis és az emitter között PN-átmenet van ezért hasonlít a dióda karakterisztikához
Kimeneti jelleggörbe A kimeneti mennyiségek az IC kollektoráram és az UCE kollektoremitter feszültség A kimeneti jelleggörbék az IC és az UCE kollektor-emitter feszültség közötti összefüggést adják meg különböző bázisáramoknál.
65. elméleti kérdés
Tranzisztor kimeneti jelleggörbéi
Földelt emitteres erősítő kapcsolás 1.
68. elméleti kérdés
RB, RC: munkapont-beállító ellenállások C1, C2: csatoló kondenzátorok
Földelt emitteres erősítő kapcsolás 2.
68. elméleti kérdés
Emitter-kapcsolású erősítőfokozat munkapont-stabilizációval
Földelt bázisú erősítő kapcsolás
69. elméleti kérdés
Bázis-kapcsolású erősítőfokozat
Földelt kollektoros erősítő kapcsolás
Kollektor-kapcsolású erősítőfokozat
Térvezérlésű tranzisztorok A térvezérlésű tranzisztorokat FET (Field Effect Tranzistor) n csatornás és p csatornás kivitelben készítik.
n csatornás rajzjel
p csatornás 70. elméleti kérdés
n csatornás kiürítéses (J)FET
•Az elektronok számára áramlási útként egyedül a csatorna áll rendelkezésre •Minél negatívabb az UGS feszültség, annál szélesebbek a zárórétegek, annál kisebb a csatorna keresztmetszet. •Az ID áramot az UGS feszültség kis teljesítménnyel vezérli
FET jelleggörbéi Az n csatornás JFET
ID – UDS jelleggörbéje 70. elméleti kérdés
ID – UGS jelleggörbéje
MOS tranzisztorok A térvezérlésű tranzisztorok e csoportjának elnevezése felépítésükkel függ össze: MOS fém-oxid-félvezető (Metal-Oxid-Semiconductor)
•A source-hoz és a szubsztráthoz képest pozitív gate-feszültség esetén a source és a drain között n vezető híd keletkezik. •A híd vezetőképessége az UGS feszültséggel szabályozható •A drain áram kis teljesítményfelvétellel vezérelhető.
71. elméleti kérdés
MOS tranzisztorok típusai
•Növekményes típusú (önzáró) MOSFET: 0V feszültség vagy nyitott gate esetén esetén a tranzisztor magától lezár. Híd csak akkor keletkezik, ha pozitív gate feszültséget kap. •Kiürítéses típusú (önvezető) MOSFET: A source és a drain között már akkor is vezetőképes, ha a gate-re nem kapcsolunk feszültséget. Az önvezető MOSFET mind negatív, mind pozitív gate-feszültséggel vezérelhető.
n csatornás növekményes
kiürítéses
p csatornás növekményes
kiürítéses
72. elméleti kérdés
TIRISZTOR
•A tirisztorok négy vagy több vezetési típusú rétegből álló félvezető alkatrészek •Két stabil üzemállapotuk van: egy kis és egy nagy ellenállású állapot. •A tirisztorok kapcsoló tulajdonságokkal rendelkező, vezérelhető alkatrészek.
p vezérelt (katódoldalról vezérelhető) tirisztor felépítése
n vezérelt (anódoldalról vezérelhető) tirisztor felépítése
Tirisztor jelleggörbéi Nullátmeneti billenőfeszültség az a feszültség, amikor a tirisztor kis ellenállású állapotba billen át.
72. elméleti kérdés
Alkalmazási példa
73. elméleti kérdés
Tirisztoros vezérelt egyenirányító
DIAK (Diode alternating current switch) Váltakozóáramú kapcsolódióda •A diak kifejezetten kapcsolási tulajdonságokkal rendelkező félvezető alkatrész. •Két négyrétegű dióda ellenparalel kapcsolásban. •Minkét irányban azonosan viselkedik. Előnyösen alkalmazható triak vezérlésére, mert mindkét irányban képes gyújtó impulzust szolgáltatni. 74. elméleti kérdés
TRIAK A triak úgy működik mint két antiparalel kapcsolt tirisztor, ezért a váltakozóáram mindkét félhullámát vezérli, a vezérlés egyetlen vezérlőelektródával megy végbe. 75. elméleti kérdés
