Polovodičové součástky
Základní materiály používané pro výrobu polovodičových součástek jsou čtyřmocné prvky křemík a germanium (obr. 1a). V krystalové mřížce jsou atomy těchto prvků tak uspořádány, že každý atom je vázán se sousedním elektronovou dvojicí, tj. dvěma elektrony, které obíhají po drahách společných oběma atomům (obr. 1b).
Obr. 1
Schematické znázorněni: a) atomu křemíku, b) vazby mezi atomy křemíku.
Při teplotě absolutní nuly se chová vlastní polovodič jako izolant, protože všechny valenční elektrony jsou zapojeny do meziatomových vazeb. Valenční pásy atomů jsou plně obsazeny a vodivostní pásy jsou prázdné. Aby valenční elektron přešel z valenčního pásu do vodivostního, musí překonat zakázaný pás energie o šířce 0,72 eV (1,154. 10–19 J) u germania a 1,12 eV (2. 10 –19 J) u křemíku. Potřebnou energii může elektron získat. např. ve formě tepelné energie. Zahříváním krystalu polovodiče vzniká kmitavý pohyb atomů, který se projevuje uvolňováním elektronů z atomových.vazeb. Při teplotě 20°C dosahuje již koncentrace elektronů ve vodivostním pásu asi 1013 cm–3 u germania a 1010 cm–3 u křemíku. Ve srovnání s počtem atomů, kterých je 1022 cm–3 , je vodivost vlastního polovodiče velmi malá. Každý elektron, který přejde z valenčního pásu do vodivostního, poruší pravidelnou vazbu mezi atomy. V krystalové mřížce se objeví atomy, kterým chybí ve valenčním pásu záporný elektron, a které se proto chovají jako kladné ionty. Elektrony sousedních atomů jsou do těchto míst přitahovány, zaplňují valenční vazby, ale současně tím vytvářejí kladné náboje v sousedních atomech. Takto vzniklé kladné náboje se nazývají díry. V polovodiči probíhá neustále proces generace a rekombinace nosičů elektrických nábojů, takže jejich počet je ustálený. Atomy jako pevná součást mřížky se nepohybují, přemísťují se pouze elektrony a díry. Pro výrobu polovodičových součástek se nepoužívají vlastní polovodiče, ale nevlastní typu N nebo P, u nichž se pravidelnost krystalové mřížky porušuje stopami prvků s odlišným počtem valenčních elektronů.
Obr. 2
Nevlastní polovodič typu N: a) schématické vyznačení vazby mezi atomy, b) pásový model
Nevlastni polovodič typu N vznikne přidáním pětimocného prvku, např. fosforu, arzénu nebo antimonu. Dotování polovodičového materiálu pětimocným prvkem, tzv. donorem, způsobuje, že jeden z pěti valenčních elektronů příměsi je z hlediska meziatomových vazeb přebytečný, a proto snadno přechází z valenčního pásu do vodivostního. U nevlastního polovodiče typu N je počet volných elektronů větší než u polovodiče vlastního. Polovodič N vykazuje elektronovou vodivost (obr. 2).
Obr. 3 Nevlastní polovodič typu P: a) schématické vyznačení vazby mezi atomy, b) pásový model Nevlastni polovodiče typu P se dotují trojmocným prvkem, např. indiem nebo galiem. Neúplná vazba mezi atomy způsobená jedním chybějícím elektronem se brzy zaplní některým volným elektronem, což se projeví vznikem díry v jiném místě krystalové mřížky. Do místa díry je vtažen jiný elektron, který opět zanechá po sobě díru. Vliv třímocného prvku, tzv. akceptoru, spočívá v tom, že vytváří v krystalové mřížce místa s neúplnými vazbami, neboť počet valenčních elektronů je menší než potřebný počet vazeb mezi atomy. Vodivost polovodiče P je děrová a při výkladu vlastností polovodiče se vychází ze zjednodušené představy, že elektrický proud v polovodiči vzniká pohybem kladných nábojů, tj. děr (obr. 3). V energetických pásových modelech se nacházejí úrovně příměsí v zakázaném pásu polovodiče. Proto ionizační energie potřebná k uvolnění nosičů z donorových nebo akceptorových hladin je velmi malá, asi 0,1 eV (0,16 .10–19 J). Počet příměsových atomů v nevlastním polovodiči se volí v širokých mezích v závislosti na požadovaných vlastnostech polovodičového materiálu, ale je vždy podstatně menší než počet atomů vlastního polovodiče. Přidáním příměsí do čistého polovodiče ovlivňujeme výrazně jeho vodivost, ale základní charakter krystalu se nemění. Ve vlastním polovodiči (intrinzitním) vzniká současně volný elektron a díra, takže koncentrace obou nosičů proudů je stejná. Přidáním příměsi, např. akceptoru, se zvětší v dotovaném krystalu (extrinzitním) výrazně koncentrace děr. Nahradíme-li např. každý miliontý atom křemíku atomem india, vzroste koncentrace děr na 1016 cm–3 , ale koncentrace elektronů zůstane stejná jako u vlastního polovodiče, tj. 1010 cm–3 . Proto rozlišujeme u nevlastních polovodičů majoritní (většinové) nosiče od minoritnich (menšinových). U polovodiče P jsou majoritními nosiči díry a minoritními elektrony. U polovodiče N jsou naopak majoritními nosiči elektrony a minoritními nosiči díry. Uvnitř polovodiče se nosiče pohybují buď vlivem difúze, nebo účinkem elektrického pole. Nejsou-li nosiče v polovodiči rovnoměrně rozloženy, způsobuje jejich přechod do oblasti s menší koncentrací difúzní proud. Je-li polovodič připojen ke zdroji napětí, vzniká driftový proud, který je vyvolán pohybem děr ve směru intenzity elektrického pole a elektronů v opačném směru. Výsledný proud v polovodiči se skládá z proudu driftového a difúzního.
Polovodičové diody Přiložíme-li dva nevlastní polovodiče odlišných vodivostí k sobě tak, že krystalová mřížka jednoho polovodiče navazuje na mřížku druhého polovodiče, začnou vlivem difúze přecházet majoritní elektrony z polovodiče N do polovodiče P, kde rekombinují s dírami. V rekombinačním pásmu kolem rozhraní ubývají následkem tohoto jevu pohyblivé nosiče proudu a současně v něm vznikají pevné ionty z atomů krystalové mřížky (obr. 4). Při stejném dotování obou polovodičů zasahuje rekombinační pásmo stejně hluboko do obou polovodičů a má za následek vznik potenciální přehrady, která je polarizována v polovodiči P zápornými ionty a v polovodiči N kladnými ionty. S postupující rekombinací se potenciální přehrada zvětšuje, až dosáhne takové velikosti, že vzniklé elektrické pole zabrání postupu dalších majoritních nosičů přes přechod.
Obr. 4 Potenciální přehrada Kromě majoritních nosičů mají oba polovodiče též minoritní nosiče proudu, pro které je přechod polarizován v propustném směru. Rozložení i šířku potenciální přehrady ovlivňuje koncentrace nosičů v polovodičích. Jsou-li polovodiče silně dotovány, vytvářejí potenciální přehradu pouze nosiče z nejbližšího okolí styku obou polovodičů a rekombinační pásmo se zužuje. Při odlišné koncentraci příměsí pronikají nosiče hlouběji do méně dotovaného polovodiče, takže rekombinační pásmo je rozloženo nesymetricky kolem přechodu. Je-li na polovodič P připojen vnější zdroj záporným pólem, sčítá se napětí zdroje s napětím na přechodu a potenciální přehrada vzrůstá. Majoritní nosiče jsou v obou polovodičích od přechodu odpuzovány a obvodem prochází pouze malý závěrný proud IR způsobeny minoritními nosiči (obr. 5).
Obr. 5 Voltampérová charakteristika polovodičové diody
Je-li přechod PN polarizován v propustném směru, tj. polovodičem P připojen na kladnou svorku zdroje, působí vnější elektrické pole proti poli potenciální přehrady. Majoritní nosiče jsou v obou polovodičích urychlovány směrem k přehradě, kde zaplňují chybějící vazby mezi atomy krystalové mřížky a tím odstraňují pevné ionty v rekombinačním pásmu. Potenciální přehrada mizí a obvodem se uzavírá propustný proud IF . Přechodem přes rozhraní mezi polovodiči se majoritní nosiče, např. díry v polovodiči P, dostávají do polovodiče N s opačným typem vodivosti, a stávají se proto nosiči minoritními. Obdobně minoritní nosiče, které projdou potenciální přehradou, se stávají nosiči majoritními. Plošná dioda Plošná dioda je tvořena jedním přechodem PN. Charakteristika plošné výkonové křemíkové diody, která je zakreslena na obr. 6, se skládá z propustné a závěrné větve. Průběh propustné větve je charakterizován prahovým napětím U(TO) a diferenciálním odporem RF. Prahové napěti určuje úsek na ose napětí, který vytíná prodloužený průběh lineární části charakteristiky. Diferenciální odpor udává strmost charakteristiky v propustném směru.
RF =
∆U F ∆I F
Propustná část charakteristiky je omezena dovoleným proudovým přetížením diody. Průběh závěrné části diodové charakteristiky značně závisí na teplotě přechodu. Při vyšších teplotách vzniká tepelná ionizace, která výrazně zvětšuje závěrný proud.
Obr. 6 Charakteristika plošné výkonové křemíkové diody
V závěrné části charakteristiky je nejvyšší přípustné napětí určeno amplitudou opakovatelného závěrného napětí URRM. Jde o napětí, které se může periodicky opakovat a kterým lze zatížit diodu v celém rozsahu provozních teplot. Ochrany proti přepětí se dimenzují na amplitudu neopakovatelného závěrného napětí URSM. Zlom diodové charakteristiky v závěrném směru vzniká při zkušebním napětí U(BR)R Náhlý vzrůst proudu je způsoben závěrným proudem minoritních nosičů přes přechod, které při průletu potenciální přehradou se srážejí s atomy krystalové mřížky a vytrhávají elektrony z meziatomových vazeb. Po uvolněném elektronu zbude díra, takže nárazovou ionizací vzniká dvojice nosičů nábojů, která se v silném elektrickém poli rychle rozletí opačnými směry. Dosáhne-li napětí na přechodu takové velikosti, že nově vzniklé nosiče vyvolávají další nárazovou ionizaci, nastane lavinový průraz. Velkým proudovým zatížením se dioda značně zahřívá, vzniká současně tepelná ionizace a průraz
se stane destruktivním. U diody polarizované v závěrné směru vzniká na přechodu vrstva vázaných iontů. Tato vrstva ochuzená o volné nosiče elektrických nábojů se chová jako polarizované dielektrikum kondenzátoru, jehož kapacita' závisí na tloušťce vrstvy a ploše přechodu. Plošné diody mají poměrně značnou kapacitu, řádově 102 pF, která omezuje jejich použití na vyšších kmitočtech.
Hrotová dioda Hrotová dioda je tvořena destičkou z polovodičového materiálu, např. z germania typu N, na kterou je přitisknut wolframový drátek. Oblast doteku se zlepšuje formováním, při kterém se dioda zatíží několika proudovými impulsy asi jednoho ampéru. Vlivem vysoké teploty, která vznikne pod hrotem drátku, se změní struktura polovodičového materiálu a v oblasti doteku se vytvoří germanium s vodivostí P (obr.7). Hrotové diody využívají vlastností přechodu PN, ale vzhledem k nepatrné ploše přechodu mají malou kapacitu, a jsou proto použitelné až do kmitočtů řádově 109 Hz. Na rozdíl od plošných diod, u kterých velká plocha přechodu dovoluje velké proudové zatížení, jsou jmenovité proudy hrotových diod poměrně malé, asi kolem jednotek miliampérů.
Obr. 7. Hrotová dioda
Kapacitní dioda Kapacitní dioda, též varikap, využívá kapacity, která vzniká na přechodu PN při polarizaci diody v závěrném směru. Protože kapacita plošné diody závisí na šířce rekombinačního pásma, zvětšuje se její velikost při snižování závěrného napětí (obr. 8). Je-li na přechod připojeno napětí v propustném směru, zvětšuje se kapacita asi do napětí 0,2 V, načež je vodivým přechodem spojena téměř nakrátko.
Obr. 8. Kapacitní dioda Kapacitní diody se vyrábějí zpravidla jako plošné, křemíkové, o kapacitě asi od 10 –12 F až do 10 –10 .
Stabilizační Zenerova dioda Při značné koncentraci příměsí je rekombinační pásmo diody velmi tenké, a na přechodu proto vzniká při závěrné polarizaci silné elektrické pole. Vlivem veliké intenzity jsou elektrony vytrhávány z meziatomových vazeb, přecházejí do polovodiče N a vzniklé díry do polovodiče P. Závěrný proud se zvětšuje a je podporován zvyšováním teploty přechodu. Takto vzniklý průraz přechodu PN se nazývá Zenerův průraz a napětí, při kterém vzniká, Zenerovo napětí. . Při Zenerově průrazu nenastává lavinová ionizace, protože oblast přechodu je velmi úzká a minoritní nosiče nezískávají při průletu potenciální přehradou energii potřebnou k uvolnění dalších elektronů z meziatomových vazeb. Velikost průrazného napětí se nastavuje koncentrací příměsí v polovodičích. Vhodnou konstrukcí diod se dosahuje nedestruktivního průrazu v poměrně širokém rozsahu závěrných napětí. Po překročení Zenerova napětí UZ (obr. 9) se závěrný proud diody rychle zvětšuje, ale napětí přivedené na diodu přes ochranný odpor zůstává téměř konstantní.
Obr. 9. Zenerova dioda
Bipolární tranzistory Plošný bipolární tranzistor je tvořen polovodičovou destičkou krystalu germania nebo křemíku, ve které dva přechody DE a DC oddělují tři oblasti s vodivostmi PNP nebo NPN (obr. 10). Krajní oblasti se stejným typem vodivosti se nazývají emitor E a kolektor C. Střední oblast s odlišnou vodivostí, tzv. báze B, je velmi tenká a koncentrace příměsí je v ní mnohem menší než v emitoru, takže rekombinační pásmo na přechodu DE zabírá celou oblast báze. Je-li emitorový přechod DE polarizován vnějším zdrojem U0l v propustném směru a kolektorový rozpojen, vstřikuje emitor do báze minoritní nosiče; a ty procházejí ochuzenou oblastí báze jako proud IE (obr. 11). Při opačné polarizaci zdroje vykazuje emitorový přechod vlastnosti diody zapojené v závěrném směru. Je-li kolektorový přechod DC polarizován vnějším zdrojem U02 v závěrném směru a emitorový rozpojen, zvětšuje napětí UCB potenciální přehradu mezi kolektorem a bází a obvodem se uzavírá pouze závěrný, tzv. zbytkový proud ICB0 tvořený minoritními nosiči (obr. 12). Při polarizaci kolektorového přechodu v propustném směru se uzavírá obvodem kolektor báze značný proud, který odpovídá diodě zapojené v propustném směru.
Obr. 10. Schematická značka bipolárního tranzistoru
Obr. 11. Emitorový přechod tranzistoru
Obr. 12. Kolektorový přechod tranzistoru. Vliv teploty na velikost zbytkového proudu u germaniového tranzistoru
Zapojení tranzistoru Z hlediska obvodových veličin je tranzistor součástkou, která má tři elektrody, emitor E, kolektor C a bázi B. Podle volby elektrody společné pro vstupní a výstupní obvod rozeznáváme tři základní zapojení tranzistoru: se společnou bází - SB (obr. 13), se společným emitorem - SE (obr. 14), se společným kolektorem - SC (obr. 15). Ve všech třech zapojeních se při tzv. aktivním stavu tranzistoru polarizuje emitorový přechod v propustném a kolektorový přechod v závěrném směru.
Obr. 13. Tranzistor v zapojení se společnou bází U tranzistoru NPN je v zapojení se společnou bází proto emitor připojen podle obr. 13 na zápornou svorku zdroje U0l a kolektor na kladnou svorku zdroje U02. Záporné předpětí emitoru potlačuje potenciální přehradu na emitorovém přechodu a umožňuje elektronům, aby přecházely z emitoru do tenké báze, kde mají pouze nepatrnou možnost rekombinace s dírami. Proto většina z nich proniká difúzí již jako minoritní nosiče k závěrně polarizovanému kolektrovému přechodu, kterým jsou urychlovány do oblasti kolektoru. Energie, kterou získaly na kolektorovém přechodu, jim umožňuje ionizovat atomy polovodiče v kolektoru, a vytvářet tak další přídavné nosiče nábojů. Uvedený jev, zvaný tranzistorový efekt, se projevuje tím, že proud v kolektorovém obvodu IC dosahuje skoro velikosti proudu IE v emitoru.
Vstupním obvodem tranzistoru se sice uzavírá současně tok děr z báze do emitoru, ale vzhledem k malé koncentraci příměsí v bázi je proud vzniklý tokem děr přes přechod nepatrný. Výsledný kolektorový proud IC závisí na emitorovém proudu složkou α B ⋅ I E a na zbytkovém proudu ICB0 ,
I C = α B ⋅ I E + I CB 0 Protože převážná část elektronů proniká z emitoru přes bázi na kolektor, je zesilovací činitel nakrátko v zapojení SB, jen o málo menší než jedna.
αB =
α B , tzv. stejnosměrný proudový
IC při UCB = konst. IE
Vzhledem k tomu, že množství elektronů, které přecházejí na kolektor, závisí pouze na proudu emitoru, lze zvětšením závěrného napětí UCB zvětšit odpor kolektorového obvodu řádově až na 106 Ω. To umožňuje zařadit do výstupního obvodu veliký zatěžovací odpor, aniž by se podstatně zmenšila velikost kolektorového proudu. Přitom emitorový přechod, který je polarizován v propustném směru, má malý odpor, řádově 10 Ω. Ze zatěžovacího odporu RC se odebírá veliké napětí při malém napětí vstupním, což odpovídá značnému napěťovému zesílení tranzistoru. U tranzistoru v zapojení se společným emitorem závisí velikost proudu, který se uzavírá z emitoru přes bázi na kolektor, na předpětí báze proti emitoru (obr. 14). Protože proud báze IB je v tomto zapojení vstupním proudem, udává se výstupní proud IC v závislosti na proudovém zesilovacím činiteli h21E podle vztahu
I C = h21E ⋅ I B + I CE 0
kde
h21E =
IC při UCE = konst. IB I C = h21E ⋅ I B + I CE 0
Obr. 14. Tranzistor v zapojeni se společným emitorem Zesilovací činitel h21E i zbytkový proud ICE0 jsou v zapojení se společným emitorem mnohem větší než v zapojení se společnou bází. Srovnáním vztahů odpovídajících velikosti kolektorového proudu v obou zapojeních dostaneme:
h21E =
αB 1 − αB
Například tranzistor BC 337-16 má
I CE 0 =
1 ⋅ I CB 0 1 − αB
α B = 0,99 a ICB0 = 100 nA.
Obr. 15. Tranzistor v zapojeni se společným kolektorem U tranzistoru v zapojení se společným kolektorem je vstupní obvod tvořen závěrně polarizovaným kolektorovým přechodem (obr. 15). Vstupní odpor je proto v tomto zapojení mnohem větší než odpor výstupní. Proud výstupního obvodu se opět vyjadřuje v závislosti na vstupním proudu báze pomocí stejnosměrného zesilovacího činitele α C .
I E = α C ⋅ I B + I CE 0 I kde α C = E při UCE = konst. IB Proudový zesilovací činitel je přibližně stejně velký jako v zapojení se společným emitorem a vypočítá se ze vztahu:
αC =
1 1−αB
Obr. 16. Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru NPN v zapojeni se společnou bází odvozené ze čtyřpólových rovnic s parametry h.
Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru se zakreslují v závislosti na zvoleném tvaru čtyřpólových rovnic a na zapojení tranzistoru. Např. pro tranzistor typu NPN v zapojení se společnou bází vychází soustava čtyřpólových rovnic s parametry h ve tvaru: UEB = h1 (IE, UCB) Ic = h2 (IE, UCB) Grafickému zobrazení charakteristických rovnic odpovídá soustava charakteristik vyznačená na obr.16 Charakteristiky tranzistoru NPN v zapojení se společným emitorem odvozené z charakteristických rovnic s parametry h jsou vyneseny na obr.17.
Obr. 17. Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru NPN v zapojeni se společným emitorem odvozené ze čtyřpólových rovnic s parametry h (UCE = 5V). U výstupních charakteristik je v obou zapojeních výrazná jejich lineárnost, a průběh téměr rovnoběžný s osou napětí. V zapojení se společnou bází probíhají výstupní charakterisitiky až do záporných hodnot napětí UCB. Protože vliv kolektorového napětí téměř neovlivňuje průběh převodních a vstupních charakteristik, bývají v katalozích uváděny nejvýše dvě, a to pro nulovou velikost napětí a pro napětí, které odpovídá doporučené klidové poloze pracovního bodu.
Nastavení klidové polohy pracovního bodu tranzistoru Vztah mezi čtyřmi obvodovými veličinami tranzistoru je vyjádřen soustavou dvou čtyřpólových rovnic. Proto pro jednoznačné určeni klidové polohy pracovního bodu Po dostačuje znalost charakteristik a dvě z obvodových veličin. Jejich velikost se určí buď z katalogu, kde je uváděna doporučená poloha pracovního bodu, nebo se volí s ohledem na požadované vlastnosti zapojení. U tranzistoru v zapojení se společnou bází (obr. ) vychází bod Po pro napětí UCB = 4,5 V, napětí zdrojů U01 = 2 V, U02 = 10V a odpor RC = 1,9 kΩ, na zatěžovací charakteristice v poloze, která odpovídá zadanému napětí UCB. Z polohy bodu Po se zjistí proud IC = 2,9 mA a proud IE = 3 mA. V soustavě vstupních charakteristik je poloha bodu P0 dána již známými hodnotami UCB a IE. Zjištěné hodnotě UEB = 0,18 V a zdroji U01 = 2 V vyhovuje odpor RE = 600 Ω. Obdobným způsobem je odvozena klidová poloha bodu P0 pro tranzistor v zapojení se společným emitorem (obr. 48). Zadané hodnoty U01 = 1 V, U02 = 12 V, UCE = 5 V, RC = 3,2 kΩ, RE = 800 Ω, určují polohu zatěžovacích charakteristik a velikost odporu RB = 25 kΩ. U tranzistoru zapojeného podle obr. 48 je klidová poloha pracovního bodu nastavena dvěma zdroji U01, U02 . Pomocí Théveninovy poučky lze obvod přepočítat na obvykle užívané zapojení s jedním zdrojem U0 a děličem napětí v bázi tranzistoru (obr. 18).
RB =
R1 ⋅ R2 R1 + R2
U 01 = U 0 ⋅
R2 R1 + R2
Obr. 18. Tranzistor v zapojeni se společným emitorem napájený zdrojem napětí pomocí děliče napětí v bází (UCE = 5V). Odpory děliče se vypočítají ze vztahů
R1 =
U 02 U ⋅ RB = 0 ⋅ RB = 12 V ⋅ 25 ⋅10 3 Ω = 300 kΩ U 01 U 01
R2 =
R1 ⋅ RB 300 ⋅ 25 ⋅10 6 Ω = = 27,2 kΩ R1 − RB (300 − 25)⋅10 3 Ω
Unipolární tranzistory Unipolární tranzistory, kterým dnes častěji říkáme tranzistory řízené elektrickým polem a označujeme je zkratkou FET (field-effect-transistor) dělíme na: • •
tranzistory řízené elektrickým polem s izolační vrstvou typu MIS (popř. MOS) s indukovaným kanálem s vodivým kanálem tranzistory řízené elektrickým polem s přechodem PN
Tranzistory řízené elektrickým polem s přechodem PN
Obr. 19. Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodem PN, struktura tranzistoru s kanálem N Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodem PN (struktura tranzistoru s kanálem N) je tvořen podle obr. 19 polovodičovou destičkou s vodivostí N, na jejíž horní a dolní stěně je vytvořena polovodičová vrstvička s opačnou vodivostí P. Tranzistor řízený elektrickým polem má tři elektrody: kolektor C a emitor E jsou umístěny na protilehlých koncích základní destičky; hradlo G je vyvedeno z polovodičové vrstvy P. Na emitorovém přechodu PN, který je polarizován v závěrném směru předpětím hradla UGE, vzniká potenciální přehrada tvořená pevnými kladnými ionty krystalové mřížky. Kolektorové napětí UCE, které protlačuje základní destičkou proud IC, se připojuje u tranzistoru řízeného elektrickým polem s kanálem typu N vždy kladnou svorkou na kolektor. Tím se dosáhne odlišného polarizačního napětí na přechodu PN ze strany kolektoru a emitoru. Záporný potenciál emitoru potlačuje potenciální přehradu vzniklou předpětím UGE, kdežto kladný potenciál kolektoru ji posiluje. Společným účinkem obou napětí UGE a UCE vznikne vodivý kanál, který se ve směru od emitoru ke kolektoru zužuje. Při tzv. kritickém napětí UCEK se kanál ze strany kolektoru uzavře, takže další zvyšování kolektorového napětí se již neprojeví zvětšením kolektorového proudu IC. U tranzistoru řízeného elektrickým polem v zapojení se společným emitorem je přechod PN ve vstupním obvodu vždy polarizován v závěrném směru. Proud vstupního obvodu je následkem toho zanedbatelně malý a vztahy mezi stejnosměrnými hodnotami čtyřpólových obvodových veličin vycházejí ve zjednodušeném tvaru: IG=0 IC = Y (UGE, UCE)
V grafickém zobrazení určují rovnice soustavu výstupních a převodních charakteristik, které jsou zobrazeny na obr. 20. Jejich průběh připomíná charakteristiky pentody, u které katoda odpovídá emitoru, anoda kolektoru a řídicí mřížka hradlu.
Obr. 20 Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru, řízeného elektrickým polem s přechodem PN – kanál N.
Tranzistory řízené elektrickým polem s izolační vrstvou typu MOS – s indukovaným nebo vodivým kanálem Tranzistor MOS s indukovaným kanálem je tvořen základní polovodičovou destičkou slabě dotovanou příměsí, tj. o velkém odporu. Na destičce, (např. s vodivostí P) jsou zhotoveny dvě oblasti s opačným typem vodivosti N, ze kterých jsou vyvedeny kolektor a emitor. Kovové hradlo G je od základní destičky odděleno izolační vrstvičkou kysličníku křemičitého (obr. 21).
Obr. 21. Tranzistor řízený elektrickým polem typu MOS s indukovaným kanálem
Izolační vrstvička tvoří dielektrikum kondenzátoru, jehož elektrodami jsou hradlo a polovodičová destička. Po připojení napětí UGE kladnou svorkou na hradlo a zápornou na emitor, se kondenzátor nabije a na základní destičce se indukuje vrstva záporných nábojů, která mění v příslušné oblasti vodivost destičky z typu P na N. Mezi kolektorem a emitorem, které byly před připojením zdroje odděleny polovodičem P o velkém odporu, vzniká indukcí vodivý kanál. Po připojení napětí UCE kladnou svorkou na kolektor, prochází kanálem kolektorový proud IC. Protože kolektor i hradlo mají vzhledem k emitoru kladný potenciál, snižuje se vlivem procházejícího proudu napětí mezi hradlem a kanálem. Menšímu napětí odpovídá i menší velikost indukovaného náboje, a vodivý kanál se proto v závislosti na proudu IC, tj. v závislosti na napětí UCE, zužuje směrem ke kolektoru. Charakteristiky tranzistoru MOS se odvozují z admitančního tvaru čtyřpólových rovnic (obr. 21). IG = Y1 (UGE, UCE) = 0 IC = Y2 (UGE, UCE) Se zvyšujícím se napětím UCE se kolektorový proud nejdříve prudce zvětšuje, což se projeví snížením napětí mezi hradlem a kolektorem. Důsledkem snížení napětí je zúžení kanálu, který se při UCER uzavírá. Kolektorový proud dosahuje maxima a výstupní charakteristiky přecházejí při dalším zvyšování UCE do mírně stoupajícího průběhu. Vstupní odpor tranzistoru MOS je dán svodovým odporem izolační vrstvy mezi hradlem a emitorem a dosahuje velikosti řádově až 1015 Ω. Vstupní charakteristika má zpočátku průběh téměř lineární, načež při vyšších napětích, kdy se začíná uplatňovat tunelový jev, se proud náhle zvětšuje. Tranzistory MOS s vodivým kanálem mají pod vrstvičkou izolantu vodivý kanál, který spojuje emitor s kolektorem (obr. 22). Vodivé spojení obou elektrod umožňuje, aby kanálem procházel proud IC i při nulovém a záporném napětí UGE.
Obr. 22. Tranzistor řízený elektrickým polem typu MOS s vodivým kanálem
Tyristory Tyristor je obecné označení pro bistabilní polovodičovou součástku, která má tři nebo více přechodů a může se přepínat z blokovacího do propustného směru a obráceně. Podle počtu vyvedených elektrod se tyristory dělí na: 1. Diodové tyristory, u kterých je z krajních vrstev čtyřvrstvé struktury PNPN, vytvořené na monokrystalu křemíku, vyvedena anoda A a katoda K (obr. 23). Zapínání se uskutečňuje zvyšováním napětí nad hodnotu blokovacího spínacího napětí nebo světelným signálem. Mají význam pouze jako nevýkonové součástky a používají se v pomocných a ovládacích obvodech bezkontaktních spínačů.
Obr. 23. Diodový tyristor (čtyřvrstvá dioda)
2. Triodové tyristory, které mají kromě hlavních elektrod, tj. anody a katody, vyvedenu jednu řídicí elektrodu G (obr. 24). Zapínání se provádí proudovým signálem přivedeným na řídicí elektrodu. Triodové tyristory jsou nejdůležitějším typem tyristorů a používají se jako nevýkonové i výkonové součástky. 3.Tetrodové tyristory, které mají vyvedeny dvě hlavní elektrody a dvě pomocné. Pomocné elektrody slouží k zapínání vypínání tyristoru řídicím proudem obou polarit. Tetrodové tyristory se používají jako nevýkonové součástky pro pomocné a ovládací obvody triodových tyristorů. Závislost mezi hlavním napětím, tj. napětím připojeným mezi anodu a katodu a proudem, který prochází tyristorem, se v grafickém vyznačení nazývá hlavní charakteristika tyristoru. Podle jejího průběhu se dělí tyristory do tří skupin: a) závěrně blokující, které mohou spínat pouze při jedné polaritě hlavního napětí. Při opačné polaritě vykazují vlastnosti jako usměrňovací dioda polarizovaná v závěrném směru (obr. 24); b) obousměrné, které mohou spínat při obou polaritách hlavního napětí (obr. 29); c) závěrné vodivé, které spínají jen při jedné polaritě hlavního napětí a při opačné polaritě mají stejné vlastnosti jako usměrňovací dioda polarizovaná v propustném směru.
Diodový tyristor Diodový tyristor (čtyřvrstvá dioda) je tvořen čtyřmi vrstvami polovodiče se střídající se vodivostí (obr.23). Jednotlivé vrstvy jsou odděleny přechody PN, které blokují napětí obou polarit připojené na hlavní elektrody A, K. Je-li kladný pól vnějšího zdroje propojen na katodu, jsou přechody JI a J3 polarizovány v závěrném směru a diodovým tyristorem prochází velmi malý proud, který je téměř nezávislý na napětí. Zvýší-li se však závěrné napětí až na velikost tzv. průrazného napětí U(BR), závěrný proud rychle vzrůstá a součástka se zničí (obr. 24).
Připojíme-li kladný pól zdroje na anodu, má průběh charakteristiky tři odlišné oblasti: - blokovací oblast, ve které se vlivem závěrně polarizovaného přechodu J2 prodlužuje závěrná část charakteristiky až,do napětí U(B0), - oblast záporného diferenciálního odporu, na které při napětí větším než U(B0) vzroste proud vlivem nedestruktivního průrazu přechodu J2, z velikosti spínacího proudu I(B0) na hodnotu vratného proudu IH , - propustnou oblast, která odpovídá průběhu propustné větve plošné diody.
Obr. 24. Charakteristika diodového tyristoru Zapnutí diodového tyristoru, tzv. tyristorový jev, závisí na velikosti napětí UF mezi anodou a katodou. Je-li kladný pól zdroje připojen na anodu, přenáší se skoro celé napětí na závěrně polarizovaný přechod J2 (obr. 23). Minoritní nosiče nábojů vstřikované z krajních vrstev P1, N2 na vnitřní vrstvy P2, N1 jsou tímto napětím urychlovány, přecházejí přes přechod, kde narážejí na atomy krystalové mřížky a rekombinují s pevnými ionty potenciální přehrady. Některé z nich získají mezi dvěma po sobě následujícími srážkami energii dostačující k nárazové ionizaci. Takto vznikají další nosiče nábojů, dvojice elektron a díra, které se ihned rozletí směrem na přechody J1, J3. Jejich působením se snižuji potenciální přehrady na těchto přechodech, což se projeví zvětšením počtu nosičů nábojů opačné polarity, které se pohybují z okrajových vrstev do středních a dále přes přechod J2. Při napětí vyšším než blokovací napětí U(B0) nastává nedestruktivní průraz. Jakmile proud dosáhne velikosti spínacího proudu I(B0) , nestačí již značné množství nosičů, které se pohybují od středního přechodu J2, rekombinovat a po obou stranách přechodu vzniknou náboje, které změní polarizaci přechodu J2 ze závěrného stavu do propustného, a proud od hodnoty vratného proudu IH se rychle zvětšuje. Při pozvolném zvyšování napětí na tyristoru vznikne průraz nejdříve na malé plošce přechodu a na celou plochu se rozšíří difúzí menšinových nosičů. Pokud by se průraz nerozšířil na celou plochu přechodu, měl by destruktivní účinek a tyristor by se zničil tepelným přetížením. V zapojeních, která zajistí rychlé rozšíření průrazu, snášejí tyristory vrcholové proudy až pětkrát vyšší. Z této skutečnosti plyne závěr, že zvýšená spolehlivost obvodů s tyristory je podmíněna vznikem rovnoměrného průrazu na přechodu J2 , tj. zapínáním tyristoru strmými impulsy.
Triodový tyristor Závěrně blokující triodový tyristor je nejdůležitějším typem tyristoru. V praxi se označuje zkráceně pouze jako tyristor. Tyristor je tvořen čtyřvrstvou strukturou, ze které je kromě hlavních elektrod vyvedena z jedné vnitřní vrstvy, obvykle P2 , řídicí elektroda G (obr. 25).
Obr. 25. Triodový tyristor Tyristor lze převést do vodivého stavu dvěma způsoby: a) zvýšením anodového napětí až na hodnotu U(B0) , kdy skokem vzroste proud na velikost IH. Tohoto způsobu se nepoužívá, vzniká však při nežádoucích překmitech; b) zavedením řídicího proudu IG přes řídicí elektrodu G do vnitřní vrstvy P2 tak, aby přechod J3 byl polarizován v propustném směru. Tento způsob je pro zapínání tyristoru obvyklý. Řídicí proud IG se podle obr. 25 uzavírá při kladném anodovém napětí přes přechod J3 na katodu. Elektrony vstřikované z vrstvy N2 přes přechod J3 do P2, se dostávají difúzním pohybem do oblasti závěrně polarizovaného přechodu J2 a jako minoritní nosiče jsou silným elektrickým polem přechodu urychlovány do N1, kde posilují počet majoritních nosičů a tím zvětšují polarizaci přechodu J1 v propustném směru. Následkem toho vzrůstá množství děr, které jsou v opačném směru urychlovány přechodem J2 do vrstvy P2 a zvětšují polarizaci přechodu J3 v propustném směru. Proud elektronů podporuje nárůst děrového proudu a obdobně děrový proud zvětšuje proud elektronů, takže popisovaný děj vede k rychlému zvětšování počtu minoritních nosičů, které přecházejí přes přechod J2. Zvětšování počtu minoritních nosičů pokračuje tak dlouho, až množství minoritních nosičů ve vrstvách N1, P2 dostačuje k rekombinaci pevných iontů potenciální přehrady J2 a tím i k jejímu přepolarizování. Tyristor přejde do propustného stavu, při kterém napětí mezi anodou a katodou poklesne asi na velikost 1 V. Zpět do blokovacího stavu přechází tyristor při poklesu propustného proudu na hodnotu vratného proudu IH (obr. 26).
Obr. 26 Voltampérová charakteristika tyristoru
Na charakteristice tyristoru se kromě vratného proudu vyznačuje též přídržný proud IL . Má-li se tyristor udržet v zapnutém stavu, musí se proud při zapínání zvětšit na hodnotu přídržného proudu dříve, než klesne na nulu řídicí proud IG . V opačném případě se tyristor vrací do blokovacího stavu bezprostředně po skončení řídicího proudu. Funkci tyristoru lze vysvětlit na náhradním zapojení dvou komplementárních tranzistorů PNP a NPN (obr. 27). Po zavedení řídicího proudu IG se otevírá tranzistor T2 a jeho kolektorový proud I1 budí bázi B1. Přes otevírající se tranzistor T1 se zvětšuje proud I2 do báze B1 a celý děj se multiplikuje, až oba tranzistory přejdou do vodivého stavu.
Obr. 27. Náhradní zapojení tyristoru pomocí dvou komplementárních tranzistorů
Triak Triak je obousměrný triodový tyristor se dvěma anodami A1, A2 a řídicí elektrodou G. Je tvořen pětivrstvou strukturou NPNPN, kterou spíná řídicí elektroda kladným i záporným řídicím proudem při obou polaritách napětí mezi anodami (obr. 28). Kombinacím polarity anodového a řídicího napětí odpovídají čtyři možnosti zapínání triaku (obr. 29). Řídicí obvod má největší citlivost v případech I(+) a III(-). Zapojení III(+) se nedoporučuje, protože vyžaduje velké zapínací proudy. Používá se pouze v těch případech, kdy je výrobcem přímo předepsáno. Činnost triaku lze vysvětlit na náhradním obvodu sestaveném ze dvou antiparalelně zapojených závěrně blokujících tyristorů (obr.29).
Obr. 28 Náhradní schéma triaku
Obr. 29 Voltampérová charakteristika triaku
