K621ZENT 621ZENT – Základy elektrotechniky Základy elektrotechniky Přednáška č. 2 ř d ášk č 2 O Osnova: 1. Polovodiče – materiály, dotace 2 Polovodičové diody 2. Polovodičové diody 3. Dynamické parametry 4 Typy diod 4. Typy diod 5. Aplikace diod 6 Tranzistory 6.
Polovodiče Pro polovodiče je charakteristické, že při teplotě 0 K se chová polovodič jako izolant a se vzrůstající teplotou se zvyšuje energie atomů mřížky (tepelné kmity) a elektrony mohou přeskočit do vodivostního pásu (šířka zakázaného pásu < 3 eV). Nejčastěji používaný polovodičový materiál je křemík Si, který má 4 valenční elektrony. Jimi tvoří atom kovalentní vazbu se čtyřmi sousedními atomy v krystalové mřížce Vodivost vlastních polovodičů je silně závislá na teplotě – s teplotou roste. roste Tohoto jevu se využívá při konstrukci pasivních polovodičových součástek, součástek např. např termistoru NTC, který slouží jako omezovač proudu při zapnutí napájení. Za studena vykazuje termistor poměrně velký odpor, odpor tudíž po zapnutí napájení omezí proudovou špičku. Průchodem proudu se termistor a á a zmenší e š ssvůj ůj odpo odpor.. zahřívá
Dotace
Při dotaci nahradíme atom křemíku např. atomem fosforu P, který má pět valenčních elektronů. Čtyři utvoří vazbu s ostatními atomy v mřížce a pátý se stane volným ‐ přejde do vodivostního pásu. pásu Prvek, Prvek který přinese elektron navíc, navíc se nazývá donor, donor dárce. Takto dotované polovodiče se nazývají polovodiče typu N (negativní), protože mají navíc volné elektrony ve vodivostním pásu (počty děr a volných elektronů v krystalu se nerovnají, nerovnají počet volných elektronů je větší – zvýší se vodivost). vodivost) Přiložíme‐li Přiložíme li k polovodiči typu N vnější elektrické pole, elektrony jsou unášeny tímto polem. Říkáme, že v polovodiči typu N zprostředkovávají vodivost volné elektrony.
Dotace
Nahradíme li atom křemíku prvkem se třemi valenčními elektrony (např. Nahradíme‐li (např galium Ga), Ga) čtvrtá vazba zůstane neúplná. Toto „kladnější“ místo bez elektronu se nazývá díra. Příměsi tohoto typu se nazývají akceptory, jimi dotované polovodiče se nazývají polovodiče typu P (pozitivní). Obdobně, v polovodiči typu P je v krystalu celkově větší počet děr než volných elektronů. Díra může být zaplněna jiným elektronem uvolněným ze sousedních vazeb (rekombinací), např. zvýšením teploty nebo pomocí vnějšího elektrického p pole. Na celýý p proces jje možné nahlížet také tak,, jjako byy se díryy ((kladné částice) pohybovaly v polovodiči ve směru intenzity pole. Říkáme, že v polovodiči typu P zprostředkovávají vodivost díry. 4
Závislosti vodivosti polovodiče na teplotě má exponenciální tvar. tvar
Majoritní (většinový) a minoritní (menšinový) nosiči náboje jsou to ty nosiče, které v daném polovodiči převládají daném polovodiči převládají. PN přechod Přechod se vytváří vhodnými technologickými postupy, kde se v jednom krystalu polovodiče vytvoří oba typy vodivosti P a N.
Polovodičové diody V závěrném směru u reálné diody protéká malý zbytkový proud řádově µA. Překročí‐li napětí v závěrném směru tzv. hodnotu průrazného napětí Uz, proud přechodem prudce vzroste a přechod PN se zahřeje a zničí (dioda se prorazí). Ke zničení diody dochází v č časech h menších ší h nežž 1s. 1 Svodový S d ý (zbytkový) ( b tk ý) proud d a hodnota h d t průrazného ů éh napětí ětí jsou j důležitým katalogovým údajem. Někdy se ještě udává špičkové závěrné napětí. To je maximální hodnota amplitudy napěťového impulsu přiloženém v závěrném směru, při které nedojde k průrazu. průrazu V katalogu bývají udány hodnoty pro různé šířky pulsu (např. (např 0,5s). Bývá větší něž „statická“ hodnota Uz. V propustném směru se definuje tzv. prahové napětí. Je to takové napětí přiložené v propustném směru, kdy začíná diodou protékat proud. d Z dalších parametrů diod je důležitý maximální p proud v p propustném p směru (maximální proud, který nezpůsobí zničení diody) a maximální ztrátový výkon Voltampérová charakteristika diody
Dynamické parametry diody Při průchodu proudu v propustném směru je přechod zaplaven volnými nosiči náboje. To způsobí, že při změně polarizace přiloženého napětí z propustného do závěrného směru dioda určitou dobu v závěrném směru vede – protéká jí proud IRP po dobu T, a to do té doby, než se z oblasti přechodu nosiče vyčerpají. Pak proud v závěrném směru klesá exponenciálně až k hodnotě zbytkového proudu.
= doba zotavení Určení pracovního bodu
Zenerova dioda Průraz v závěrném směru je nedestruktivní a nazývá se Zenerův průraz, průrazné napětí se jmenuje Zenerovo napětí. Se zvyšováním teploty se napětí snižuje. Diody se označují jako Zenerovy a používají se zejména pro stabilizaci napětí. Zenerovy diody bývají konstruovány pro napětí cca od 5V do 15V. Speciální diody Speciální diody Zejména v logických obvodech řady TTL byly klasické diody nahrazeny Shottkyho diodami. Jde o diody s přechodem kov‐polovodič, které se vyznačují malým prahovým napětím (0,2V (0 2V až 0,3V) 0 3V) a velkou rychlostí (krátkou dobou závěrného zotavení). zotavení) Speciální variantou diody je kapacitní dioda neboli varikap. Dioda jako součástka, resp. PN přechod, vykazuje také určitou kapacitu, hlavně v závěrném směru. Právě varikap je speciálně konstruovaná dioda, jenž vykazuje silnou závislost kapacity přechodu v závěrném směru v závislosti na přiloženém napětí. p Aplikace Nejdůležitější aplikace diod je v oblasti usměrňovačů střídavých napětí. Usměrňovací diody jsou konstruovány s malým odporem a velkou maximální hodnotou propustného proudu a velkým průrazným napětím (např. (např nejběžnější 1N4007 má max. max proud 1A a průrazné napětí v závěrném směru 1000V).
Aplikace diod
jednocestné usměrnění
Aplikace diod
dvoucestné usměrnění
Aplikace diod
omezovač napětí
stabilizace napětí
LED Přiložením napětí v propustném směru dochází k injekci nosičů přes přechod PN a ty rekombinují s nosiči opačného znaménka. Při rekombinaci dochází k vyzáření energie ve formě fotonu (světla). Vlnová l á délka délk světla ě l (tj. ( barva) b ) závisí á í na šířce šíř zakázaného ká éh pásu, á tj. na použitém materiálu. Např. pro GaAs je λ = 550 nm. Voltampérová V lt é á charakteristika h kt i tik diody di d odpovídá d ídá klasické kl i ké (usměrňovací) ( ěň í) diodě. Při použití je potřeba zajistit ochranu proti nadměrnému závěrnému napětí a v propustném směru omezit proud diodou rezistorem v sérii. Fotodioda Fotodiody pracují na principu fotoelektrického jevu. Foton (kvantum světla), který vstupuje do polovodiče, polovodiče je pohlcen elektronem a jeho energie je využita na přestup elektronu do pásu s vyšší energií (vodivostní pás). Vznikne pár elektron ‐ díra. Maximální vlnová délka světla, při níž ještě může dojít k absorpci, závisí na šířce zakázaného aká aného pásma, tudí tudíž na materiálu. Pár elektron ‐ díra zvyšuje vyšuje v polovodiči napětí (fotovoltaický, hradlový režim) nebo zvětšuje jeho vodivost (fotovodivostní jev). Velikost napětí se zvětšuje s osvětlením logaritmicky.
Tyristor
Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový prvek se třemi přechody J1, J2, J3. Má tři vývody – anodu A, katodu K a řídící elektrodu G. Používá se především jako řízený spínač. Pokud je tyristor připojen na napětí tak, že anoda je polarizována záporně vůči katodě, jsou přechody J1 a J3 polarizovány v závěrném směru a J2 v propustném. Tyristor je v závěrném stavu a jeho chování je shodné s diodou ‐ proud neprochází. V tomto stavu nesmí být přivedeno na řídicí elektrodu žádné napětí. Pokud je tyristor zapojen v propustném směru, (tj. anoda na kladný pól, katoda na záporný pól zdroje), situace se otočí a přechody J1 a J3 jsou polarizovány propustně, J2 závěrně. Přechod J2 tedy brání průchodu ů proudu (na ( rozdíl od diody). ) Tyristor se nachází v tzv. blokovacím stavu ‐ proud jím neprochází. Teprve po přivedení signálu (kladného napětí vůči katodě ) na řídicí elektrodu (které vyvolá spínací proud IG) tyristorová struktura spíná, tj. začne jí procházet há t proud d (propustný ( t ý stav). t ) Pokud tyristor sepne, nemá na chování tyristorové struktury již řídicí elektroda vliv.
Tyristor
vratný proud ýp
spínací napětí
Tyristor se využívá především jako regulátor výkonu spotřebiče ve střídavých obvodech.
Tranzistory
Tranzistory PNP a NPN se označují jako bipolární, protože na jejich funkci se podílejí jak elektrony tak díry.
Zapojení tranzistorů
TTranzistor i v zapojení j í SE se používá ží á jako j k zesilovač, il č protože ž máá velké lké zesílení íl í a nejlepší jl ší impedanční přizpůsobení.
Charakteristiky tranzistoru v zapojení SE
V prvním kvadrantu je výstupní, v levém spodním vstupní charakteristika; do levého horního kvadrantu se zakresluje proudová převodní, převodní do pravého dolního napěťová převodní charakteristika.
Stejnosměrný zesilovač napětí
Emitorový sledovač
Darlingtonovo zapojení
Střídavý zesilovač
Klidový pracovní bod je nejvýhodnější nastavit do poloviny zatěžovací přímky, tj. aby napětí mezi kolektorem a emitorem bylo na polovině napájecího napětí ěí
Zaručena stejná amplituda rozkmitu napětí U j p p y CE na obě strany.
Dá se dokázat, že největší kolektorová ztráta nastává (tranzistor se nejvíce zahřívá), je‐li napětí mezi kolektorem a emitorem rovno polovině napájecího napětí, tj. právě v klidovém pracovním bodě. Paradoxně je tranzistor nejvíce zatížen, když na vstupu p střídavýý signál. g Pokud chceme odebírat z výstupu ý p zesilovače velkýý není žádnýý vstupní proud, musí být kolektorový rezistor malý a tranzistor je také výkonově namáhán. Proto se tento zesilovač, tzv. zesilovač ve třídě A, používá pouze pro malé výkony. V koncových stupních je běžný zesilovač ve třídě B. B Obvykle je zapojen jako dvojčinný ‐ má dva tranzistory (komplementární ‐ NPN a PNP), každý s tranzistorů zesiluje po dobu jedné polovinu periody signálu (tedy jeden kladnou, druhý zápornou půlvlnu).
