No title

Jaroslav Doleèek

MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY

2. díl Polovodièové prvky a elektronky dioda • bipolární tranzistor • unipolární tranzistor • tyristor • triak • diak trioda • vícemøížkové elektronky • obrazovka Hallova sonda • magnetorezistor • magnetodioda • termistor • varistor

Praha 2005

Jaroslav Doleèek

Moderní uèebnice elektroniky 2. díl Lektor Ing. Jiøí Hozman Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Veškerá práva vyhrazena. © Ing. Jaroslav Doleèek, 2005 © Nakladatelství BEN – technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Jaroslav Doleèek, MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY BEN – technická literatura, Praha 2005

ISBN 80-7300-161-6

STRUÈNÝ OBSAH obsah 1. dílu – Základní pojmy, R, L, C 1

ZÁKLADNÍ ELEKTRICKÉ VELIÈINY A POJMY

2

IDEÁLNÍ ELEMENTÁRNÍ AKTIVNÍ A PASIVNÍ LINEÁRNÍ PRVKY

3

ODPOROVÉ OBVODY A VÝKONOVÉ PØIZPÙSOBENÍ

4

EKVIVALENCE PASIVNÍCH JEDNOBRANÙ

5

ANALÝZA LINEÁRNÍCH ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ

6

SLOŽENÉ JEDNOBRANY OBSAHUJÍCÍ IDEÁLNÍ OBVODOVÉ PRVKY

7

PØENOSOVÉ VLASTNOSTI DVOJBRANÙ

8

REÁLNÉ LINEÁRNÍ SOUÈÁSTKY ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ

9

PØÍLOHA MATICE A DETERMINANT

obsah 2. dílu – Polovodièe a elektronky 1

POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY S JEDNÍM PØECHODEM PN

2

TRANZISTORY A POLOVODIÈOVÉ VÝKONOVÉ A SPÍNACÍ PRVKY

3

ELEKTRONKY

4

POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY BEZ PØECHODU PN

obsah 3. dílu – Optoelektronika 1

O SVÌTLE

2

DIODY LED

3

LASEROVÉ DIODY

4

DETEKTORY SVÌTELNÉHO ZÁØENÍ

5

OPTOELEKTRONICKÉ VAZEBNÍ ÈLENY – OPTRONY

6

ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY – DISPLEJE

7

OBRAZOVÉ SENZORY

8

OPTICKÁ VLÁKNA

PODROBNÝ OBSAH O KNIZE .................................................................. 8 1

POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY S JEDNÍM PØECHODEM PN .................................... 9

1.1

Úvod .................................................................................................. 10

1.1.1 1.1.2

Základní vlastnosti polovodièového materiálu .............................................. 10 Vodivost polovodièù ...................................................................................... 11

1.2

Vlastní polovodièe (intrinsické) ..................................................... 11

1.3

Nevlastní polovodièe (extrinsické) ................................................ 13

1.3.1 1.3.2 1.3.3

Polovodièe typu N ......................................................................................... 13 Polovodièe typu P ......................................................................................... 14 Vliv teploty na vodivost polovodièe ............................................................... 15

1.4

PN pøechod ...................................................................................... 15

1.4.1 1.4.2 1.4.2.1 1.4.2.2

PN pøechod bez pøiloženého napìtí .............................................................. 15 PN pøechod s pøiloženým napìtím ................................................................ 16 Pøechod PN polarizovaný v závìrném smìru ............................................... 16 Pøechod PN polarizovaný v propustném smìru ............................................ 17

1.5

Polovodièová dioda ........................................................................ 18

1.5.1 1.5.1.1 1.5.2 1.5.3 1.5.3.1 1.5.3.2 1.5.3.3 1.5.4 1.5.4.1 1.5.4.2 1.5.5 1.5.5.1 1.5.5.2 1.5.5.3 1.5.6 1.5.6.1 1.5.6.2 1.5.6.3 1.5.6.4 1.5.6.5 1.5.6.6 1.5.6.7 1.5.6.8 1.5.6.9

Náhradní zapojení (model) diody .................................................................. 19 Kapacita a indukènost PN pøechodu diody ................................................... 20 Teplotní závislost PN pøechodu ..................................................................... 21 Prùrazy PN pøechodu .................................................................................... 22 Zenerùv prùraz .............................................................................................. 22 Lavinový prùraz ............................................................................................. 22 Tepelný prùraz .............................................................................................. 23 Typy diod ....................................................................................................... 23 Hrotové diody ................................................................................................ 24 Plošné diody ................................................................................................. 25 Parametry diod .............................................................................................. 27 Mezní parametry diody ................................................................................. 27 Provozní parametry diod ............................................................................... 28 Dynamické parametry diod ........................................................................... 28 Typy diod z hlediska funkce .......................................................................... 30 Diody pro všeobecné použití ......................................................................... 30 Usmìròovací diody ....................................................................................... 30 Vysokofrekvenèní (signálové) diody .............................................................. 33 Stabilizaèní a referenèní diody ...................................................................... 33 Transil a trisil ................................................................................................. 34 Kapacitní diody – varikapy a varistory .......................................................... 36 Tunelová dioda (Esakiho) ............................................................................. 39 PIN dioda ...................................................................................................... 39 Schottkyho dioda .......................................................................................... 40

4

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 2. DÍL

A

1.5.7 1.5.7.1 1.5.7.2 1.5.7.3 1.5.7.4

Pøíklady obvodù s diodami ............................................................................ 42 Jednocestný usmìròovaè ............................................................................. 42 Dvojcestný usmìròovaè – zapojení do hvìzdy ............................................. 43 Graetzovo zapojení dvojcestného usmìròovaèe .......................................... 45 Použití Zenerových diod ............................................................................... 46

2

TRANZISTORY A POLOVODIÈOVÉ VÝKONOVÉ A SPÍNACÍ PRVKY ................................................ 53

2.1

Tranzistory ....................................................................................... 54

2.2

Bipolární tranzistor ......................................................................... 54

2.2.1 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.2.4 2.2.2.5 2.2.2.4 2.2.2.5 2.2.2.6 2.2.2.7 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.4 2.2.4.1 2.2.4.2

Základní uspoøádání a princip èinnosti bipolárního tranzistoru ..................... 54 Hlavní vlastnosti NPN a PNP tranzistorù v aktivním režimu ......................... 58 Základní zapojení tranzistoru ........................................................................ 59 Proudové zesilovací èinitele a a b ................................................................. 59 Porovnání hlavních vlastností Si tranzistorù NPN a PNP ............................. 61 Statické charakteristiky a parametry bipolárních tranzistorù ......................... 61 Zatìžovací pøímka ........................................................................................ 63 Hlavní vlastnosti základních zapojení tranzistorù ......................................... 66 Ètyøpólové parametry tranzistoru pro malé signály ....................................... 67 Teplotní závislost parametrù bipolárních tranzistorù ..................................... 71 Dùležité mezní parametry bipolárních tranzistorù ......................................... 73 Principy využití bipolárních tranzistorù .......................................................... 74 Tranzistor pracuje v lineárním režimu ........................................................... 74 Tranzistor ve spínacím režimu v zapojení SE ............................................... 78 Darlingtonovo a Sziklaiovo zapojení ............................................................. 80 Darlingtonovo zapojení ................................................................................. 80 Sziklaiovo zapojení (komplementární Darlingtonovo zapojení) .................... 81

2.3

Unipolární tranzistory ..................................................................... 83

2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3 2.3.2.4 2.3.2.5 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2

Princip tranzistoru øízeného polem ............................................................... 83 Nìco z historie .............................................................................................. 83 Základní idea FET ......................................................................................... 84 Tranzistory øízené elektrickým polem typu JFET .......................................... 85 Úvod .............................................................................................................. 85 Princip èinnosti .............................................................................................. 86 Konstrukèní uspoøádání JFET ...................................................................... 90 Dùležité parametry tranzistorù JFET ............................................................ 90 Využití tranzistorù JFET ................................................................................ 91 Tranzistory s izolovaným hradlem (IGFET) ................................................... 93 Tranzistor MOSFET s indukovaným kanálem ............................................... 93 Tranzistor typu MOSFET s vodivým kanálem (se zabudovaným kanálem, s trvalým kanálem) ........................................... 96 Teplotní závislost tranzistorù MOSFET ......................................................... 99 Dùležité parametry tranzistorù MOSFET .................................................... 100 Mikrovlnné unipolární tranzistory ................................................................ 101 Tranzistor MESFET ..................................................................................... 101 Tranzistor HEMT ......................................................................................... 101 Zapojení s unipolárními tranzistory ............................................................. 103 Unipolární tranzistor jako spínací prvek ...................................................... 103

2.3.3.3 2.3.3.4 2.3.4 2.3.4.1 2.3.4.2 2.3.5 2.3.5.1

A

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 2. DÍL

5

2.3.5.2 2.3.5.3 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.3.9 2.3.10

Pøíklady zapojení s tranzistory JFET .......................................................... 105 Pøíklady zapojení s tranzistory MOSFET .................................................... 107 Model tranzistorù øízených elektrickým polem pomocí ètyøpólových parametrù ............................................................................... 109 Tranzistory MOSFET s dvojitým hradlem (Dual Gate MOS FET) ............... 109 Komplementární MOS technologie (CMOS) ............................................... 110 Zásady pro manipulaci s tranzistory øízenými elektrickým polem ............... 111 Porovnání charakteristik tranzistorù øízených polem .................................. 112

2.4

Výkonové polovodièové souèástky ............................................ 114

2.4.1 2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.1.3 2.4.1.4 2.4.1.5 2.4.2 2.4.3 2.4.3.1

Výkonové unipolární tranzistory .................................................................. 114 Výkonové tranzistory JFET a SIT tranzistory .............................................. 114 Výkonové tranzistory MOSFET ................................................................... 115 Buzení výkonových spínacích tranzistorù ................................................... 119 Ztrátový výkon PDS výkonových tranzistorù ............................................... 121 Nìkteré aplikace výkonových tranzistorù MOSFET .................................... 121 Bipolární výkonové tranzistory .................................................................... 126 Tranzistory IGBT ......................................................................................... 127 Nìkteré dùležité parametry tranzistorù IGBT .............................................. 131

2.5

Porovnání vlastností bipolárních a unipolárních tranzistorù ... 134

2.5.1 2.5.1.1 2.5.1.2 2.5.2

Prùrazy tranzistorù ...................................................................................... 134 Prùrazy tranzistorù MOSFET ...................................................................... 134 Prùrazy bipolárních tranzistorù ................................................................... 135 Pøednosti a nedostatky unipolárních tranzistorù vùèi bipolárním ................ 136

2.6

Vícevrstvé spínací polovodièové souèástky .............................. 139

2.7

Tyristory .......................................................................................... 140

2.7.1 2.7.2 2.7.2.1 2.7.2.2 2.7.2.3 2.7.3 2.7.3.1 2.7.3.2 2.7.4

Dùležité parametry tyristoru ........................................................................ 141 Spínání tyristoru .......................................................................................... 144 Spínání tyristoru napìtím mezi anodou a katodou – spínacím napìtím U(B0) ............................................................................. 144 Spínání proudovým impulzem do øídicí elektrody ....................................... 144 Sepnutí kapacitním proudem ...................................................................... 145 Vypínání tyristoru ........................................................................................ 146 Vypínání tyristorù v obvodech støídavého proudu ....................................... 146 Vypínání v obvodech stejnosmìrného proudu ............................................ 147 Dvouhradlový tyristor .................................................................................. 148

2.8

Triak ................................................................................................ 149

2.9

Diak ................................................................................................. 152

2.10

Vypínací tyristory ........................................................................... 154

2.10.1 2.10.2 2.10.3 2.10.4

Vypínací tyristor GTO .................................................................................. 154 Vypínací tyristory IGCT ............................................................................... 154 MCT – Mos Controlled Thyristor ................................................................. 155 Tyristory SiC a GaN .................................................................................... 155

3

ELEKTRONKY ..................................................... 157

3.1

Princip elektronky ......................................................................... 158

3.1.1

Katoda ......................................................................................................... 158

6

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 2. DÍL

A

3.1.2

Anoda .......................................................................................................... 160

3.2

Dioda ............................................................................................... 160

3.3

Trioda .............................................................................................. 162

3.4

Vícemøížkové elektronky .............................................................. 166

3.4.1 3.4.2 3.4.3

Tetroda ........................................................................................................ 166 Pentoda ....................................................................................................... 167 Smìšovací elektronky hexoda a heptoda ................................................... 169

3.5

Obrazové elektronky – obrazovky ............................................... 170

3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.2 3.5.1.3

Konstrukèní uspoøádání obrazovek ............................................................ 170 Elektronová tryska ...................................................................................... 170 Vychylovací obvody elektronového paprsku ............................................... 171 Barevné obrazovky ..................................................................................... 173

4

POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY BEZ PØECHODU PN ............................................ 177

4.1

Úvod ................................................................................................ 178

4.2

Souèástky z monokrystalických polovodièù .............................. 179

4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.2 4.2.3

Hallova sonda ............................................................................................. 179 Hallùv jev – princip ...................................................................................... 179 Polovodièová Hallova sonda ....................................................................... 180 Využití Hallova jevu ..................................................................................... 183 Magnetorezistor .......................................................................................... 184 Magnetodioda ............................................................................................. 185

4.3

Souèástky z polykrystalického materiálu ................................... 186

4.3.1 4.3.1.1 4.3.1.2 4.3.1.3 4.3.2

Termistory ................................................................................................... 186 Termistory se záporným teplotním koeficientem – termistory NTC ............. 186 Termistory s kladným teplotním koeficientem – termistory PTC ................. 189 Dùležité parametry termistorù ..................................................................... 190 Varistory ...................................................................................................... 191

LITERATURA ...................................................... 195 ODBORNÁ LITERATURA A ÈLÁNKY .................. 197 REJSTØÍK ........................................................... 200 KNIHY NAKLADATELSTVÍ BEN – TECHNICKÁ LITERATURA ...................................................... 204 KONTAKTY NA PRODEJNY TECHNICKÉ LITERATURY ....................................................... 207

A

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 2. DÍL

7

O KNIZE

Zaèátkem 60. let vedly ke snížení rozmìrù a spotøeby první èíslicové integrované obvody. V roce 1971 zaèíná nová éra rozvoje elektroniky vyrobením prvního mikroprocesoru. Zdokonalování technologických výrobních pochodù vedlo k soustavnému zmenšování rozmìrù a spotøeby elektøiny a zároveò ke zvyšování množství polovodièových prvkù v jednom integrovaném obvodu, ke zmenšování jejich rozmìrù. Známý Moorùv zákon øíká, že se poèet tranzistorù, které mohou být umístìny na jeden èip každých 18 mìsícù zdvojnásobí. Nové objevy v oblasti fyziky dávají pøedpoklad, že se tento trend podaøí udržet i v následujících letech, kdy se rozmìry jednotlivých prvkù integrovaných obvodù zmenší do oblasti nanometrù. Pro technika v praxi je velmi obtížné být prùbìžnì informován o vìtšinì novinek, které jsou výsledkem souèasného rychlého rozvoje. Konstruktér elektronických zaøízení musí øešit široký komplex otázek poèínaje volbou základní koncepce celého zaøízení, návrhem dílèích blokù a jejich schémat a konèe zpùsobem jejich realizace, vèetnì typových zkoušek. Pro rozbor, návrh, èi použití elektronického obvodu je nutná znalost chování jeho souèástek z hlediska pùsobení rùzných vnìjších vlivù. Technik v praxi musí, podle svého zaøazení, držet krok s dosaženým pokrokem v oboru svého pùsobení nepøetržitým sledováním dostupných technických informací uveøejòovaných v technické literatuøe a na Internetu. Schopnost porozumìt je založena na znalostech. Dobrý elektronik umí na pøíslušné úrovni kombinovat využívání potøebného matematického aparátu, poznatkù pøírodních vìd a elektroniky. Hlavní úlohou tìchto textù je na úrovni prùmyslové školy dát základní pøehled možností využití a øešení moderních elektronických souèástek.

8

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 2. DÍL

A