Elektronika usmeni:

1. P-N spoj, direktna i inverzna polarizacija

Osnovna osobina p-n spoja, koji nastaje formiranjem p i n područja na istoj pločici poluprovodničkog materijala, je njegovo ispravljačko djelovanje. Kada se formira kontakt materijala p i n tipa, odnosno pn spoj, dolazi do prelaza slobodnih većinskih nosilaca preko spoja u drugu oblast. Prelaskom elektrona sa n strane na p stranu ostaju na n strani pozitivni joni.

Zbog postojanja različitih koncentracija primjesa na lijevoj i desnoj strani od granične ravni tada u trenutku zamišljenog uspostavljanja kontakta dolazi do difuzionog kretanja nosilaca sa mjesta više koncentracije prema mjestu niže koncentracije. Prelaskom šupljina sa p strane na n stranu ostaju u p području negativni joni. Pošto na n-strani ima mnogo više elektrona, oni difuzijom prelaze na p-stranu. Na p-strani je dospjeli elektron okružen sa šuplinama uslijed čega dolazi do rekombinacije. Kao posljedica difuzije i rekombinacije, dolazi do stvaranja, neposredno uz fizički p-n spoj, oblasti sa nekompezovanim donorskim i akceptorskim jonima, koja se naziva oblast prostornog naelektrisanja ili prostornog tovara.

Potencijalna barijera ili sloj prostornog naboja uspostavlja se na samom tehnološkom spoju p i n poluprovodnika. Ta oblast se naziva osiromašena sloj ili oblast prostornog naboja jer u njoj nema slobodnih nosilaca elektriciteta.

U blizini spoja ostaju joniyovani nepokretni atomi. Između dvije strane uspostavlja se unutrašnje električno polje E koje se suprostavlja daljem protoku nosilaca elektriciteta jer mu smjer takav da teži da zaustavi proces difuzije. U ravnotežnom stanju, kada p-n spoj nije priključen na vanjski napon ukupna struja u kolu mora biti jednaka nuli što znači da je difuziona struja uravnotežena komponente struje uslijed električnog polja.

Ako se na krajeve p-n spoja priključi vanjski naponski izvor sa pozitivnim polom na p stranu a negativnim polom na n stranu (direktna polarizacija) dolazi do smanjenja potencijalne barijere na spoju. Tada se stvara spoljašnje električno polje Es čiji je smjer suprotan unutrašnjem električnom polju E (sl.4.1.1).

Pošto je električno kolo zatvoreno tada postoji stalna difuzija nosilaca preko p-n spoja odnosno postoji struja kroz p-n spoj. Stalno kretanje šupljina u smjeru polja i elektrona suprotno od smjera polja, koje potiče od spoljnog izvora, predstavlja struju kroz p-n spoj.

U suštini najprije treba spoljni izvor da nadvlada potencijalnu barijeru u p-n spoju i tek tada počinje da teče struja.

1

Sl. 4.1.1. Direktna polarizacija p-n spoja.

Vrijednost napona pri kom struja počinje da protiče naziva se prag provođenja p-n spoja i kod silicijuma njegova vrijednost je oko 0,6 V, a kod germanijuma je taj napon oko 0,2 V.

Ako se na p-n spoj veže naponski izvor sa pozitivnim polom vezanim na n oblast u kojoj su dominantni elektroni, a sa negativnim polom vezanim na na p oblast, gdje su dominantne šupljine, dolazi do povećanja potencijalne barijere (inverzna polarizacija) što je prikazano na sl. 4.1.2. Sada električno polje nastalo od spoljnog izvora ima isti smjer kao i unutrašnje polje, koje potiče od potencijalne barijere. Vrijednost oba polja se sabiraju. Pri takvoj polarizaciji protiče veoma mala inverzna struja zasićenja Is.

Sl. 4.1.2. Inverzna polarizacija p-n spoja.

Ako se inverzni napon povećava tada može doći do porasta inverzne struje kroz p-n spoj. Tada je snaga zagrijavanja velika. Zbog dodatnog zagrijavanja povećava se broj parova elektron-šupljina što dodatno povećava inverzna struja. Ove pojave se međusobno potpomažu, pa stalno raste temperatura p-n spoja. Kada temperatura pređe dozvoljenu granicu, dolazi do razaranja p-n spoja. Tada nastupa toplotni proboj. Ako nije obezbijeđeno odgovarajuće hlađenje, temperatura poluprovodnika stalno raste i dolazi do njegovog razaranja.

Druga vrsta proboja je lavinski proboj koji takođe nastaje kod inverzne polarizacije p-n spoja. Naime, kod povećanja inverznog napona slobodni elektroni se ubrzavaju u smjeru suprotnog od smjera električnog polja, koje potiče od spoljnog inverznog napona. Ubrzani elektroni udaraju u atome i predaju im energiju. Primljena energija u atomu izaziva oslobađanje više novih elektrona, koji se takođe kreću pod dejstvom istog električnog polja. Oslobođeni elektroni se ubrzavaju i sudaraju se sa novim atomima i proizvode još više slobodnih elektrona. Broj slobodnih elektrona stalno lavinski raste. Naglo povećanje broja elektrona, koji se kreću u određenom smjeru, dovodi do naglog povećanja struje. Povećana struja može da izazove razaranje p-n spoja.

2

Time

0s 0.2m

s

0.4ms 0.6m

s

0.8ms

1.2ms 1.4m

s

1.6ms 1.8m

sV(D1:1)

-5.0V

0V

1.0ms

Time

0s 0.2m

s

0.4ms 0.6m

s

0.8ms

1.2ms 1.4m

s

1.6ms 1.8m

sI(D1)

0A

1.0ms

2. Diodni ispravljač, polutalasni

Kolo sa diodom D i otpornikom R na izlazu, vezano u seriju sa ulaznim generatorom naizmjeničnih prostoperiodičnih signala predstavlja jednotaktni ili polutalasni ispravljač.

Sl. 5.7.1. Polutalasni ispravljač .

Mrežni ulazni napon je prostoperiodičan oblika vi =Vm sin t kao na slijedećoj slici 5.7.2.

Sl. 5.7.2. Prostoperiodični ulazni napon.

Upotrebljeni transformator ima odnos transformacije n. Dioda provodi samo za vrijeme pozitivne poluperiode. Struja kroz diodu teče za vrijeme samo pozitivne poluperiode (sl.5.7.3).

3

5.0V

-5.0mA

5.0mA

Time

0s 0.2m

s

0.4ms 0.6m

s

0.8ms 1.0m

s

1.2ms 1.4m

s

1.6ms 1.8ms

V(R1:2)

Sl. 5.7.3. Vremenski oblik izlazne struje.

Izlazni napon tad ima oblik proporcionalan izlaznoj struji (sl.5.7.4):

Sl. 5.7.4. Vremenski oblik izlaznog napona.

Analiza ispravljača sa idealnom diodom

Kada se dioda posmatra kao idealan elemenat srednja vrijednost izlaznog napona iznosi:

V osr=1

2π∫0

2 π

V m sin ωt d (ω t )=V m

π .

Srednja struja je pri tome:

I sr=V osr

R=

V m

π R=

Im

π .Amplituda i efektivna vrijednost napona povezani su relacijom:

,

Efektivna vrijednost struje je data sa:

I rms=( 12 π

∫0

2 π

i2(ωt ) d (ωt ))1/2

=( 12 π

∫0

π

I m2 sin2 (ωt ))

1/2

=I m

√2.

Pored jednosmjerne komponente nalazi se komponente osnovnog naizmjeničnog signala te parne harmonijske komponente. Odnos efektivne vrijednosti svih harmonika i srednje vrijednosti naziva se faktor talasnosti. Kod jednostrano usmjerenog napona faktor talasnosti iznosi:

.

4

0V

-5.0V

5.0V

3. Dioda, silicijumska i germanijumska, temperaturske karakteristike

Sa porastom temperature povećava se struja u propusnom dijelu, pri konstantnom naponu, što znači da je temperaturni koeficijent struje pozitivan. Istovremeno sa porastom temperature dolazi do smanjivanja napona, pri konstantoj struji, što znači da je temperaturni koeficijent napona negativan.

.

Promjena inverzne struje zasićenja se dobija u funkciji sopstvene

koncentracije ni kada se može zanemariti temperaturna zavisnost difuzione konstante D,

.

Logaritmiranjem a zatim diferenciranjem proizlazi da je:

Promjena struje diode dobija se diferenciranjem izraza za struju:

,

dobija se:

tj: .

odnosno:

. Promjena napona na diodi sa promjenom temperature se dobija na osnovu izraza za napon

na p-n spoju dat je sa:

5

,

.

Diferenciranjem napona po temperaturi proizlazi:

,

Uvrštavajući: ,

Tada proizlazi da je:

Strujno naponske karakteristike, u opsegu od -250C, 0, 25 0C do 75 0C, za silicijumsku diodu data je na sl.5.4.1.

Sl. 5.4.1. Karakteristika silicijumske diode u zavisnosti od temperature.

6

4. Ograničavači napona

Osnovna kola za ograničavanje amplitude napona koja propuštaju samo dio signala sa ulaza ka izlazu nazivaju se ograničavači ili limiteri. Time se vrši selekcija dijela signala pa se koristi i naziv amplitudski selektori. Pri analizi se često dioda posmatra kao idealan element.

Jednostrani ograničavač kao paralelno ograničavačko kolo sa diodom na izlazu predstavljeno je na slici 5.8.1. Dioda ne provodi sve dok napon na ulazu ne dostigne vrijednost referentnog napona. Kod manjih vrijednosti ulaznog napona od vrijednosti referentnog izvora dioda ne provodi pa time prekida vezu sa referentim naponom. Tada je napon na izlazu jednak ulaznom naponu.

U trenutku izjednačavanja napona ulaza i referentnog napona dioda provodi, pa se izlaz vezuje na referenti izvor stalne vrijednosti.

Tada je izlazni napon tada jednak referentnom naponu.

Sl. 5.8. 1. Ograničavači i vremenski oblici napona.

U drugom primjeru kada se dioda postavi u obrnut položaj dioda provodi samo dok je ulazni napon manji od referentnog napona . Tada je izlazni napon konstantan i jednak referentnom naponu. Za veće pozitivne vrijednosti ulaznog napona od referentnog napona dioda neće provoditi struju pa je napon na izlazu jednak ulaznom naponu.

7

Ovakav amlitudski selektor ima ulogu vršnog detektora koji omogućava da se na izlazu detektuje samo napon čija je vrijednost veća od referentnog napona VR.

Dvostrani ograničavači

Šema dvostranog ograničavača sa dvije diode data je na slijedećoj slici 6.5.3. Referentni izvori napona VR1 i VR2 mogu biti istih ili različitih vrijednosti napona.

Sl. 5.8.2. Dvostrani ograničavač.

Diode se mogu smatrati idealnim ili idealizovanim tako da su i rezultati aproksimativni.

Idealna dioda ima dinamičku otpornost jednaku nuli, prag otvaranja takođe jednak nuli, dok je otpornost zakočene diode beskonačna.

Kod linearizovanog modela uzima se u obzir napon praga otvaranja VDT te diferencijalna otpornost rd.

Zavisnost izlaznog napona od ulaznog napona naziva se funkcija prenosa (karakteristika prenosa). Zavisno od vrijednosti napona ulaznog (pobudnog) generatora kolo ograničavača se može naći u tri oblasti rada. Donja i gornja granica svake oblasti definisana je minimalnom i maksimalnom vrijednosti pobudnog napona. Analiza ovakvih kola se odvija određivanjem stanja u kolu u zadatom opsegu ulaznih napona.

Primjer šeme dvostranog ograničavača sa referentnim izvorima I naizmjeničnim izvorom napona sinusoidnog oblika, frekvencije 100Hz i amplitude 10V dat je na sl. 5.8.3.

Sl. 5.8.3.

Oblik ulaznog i izlaznog signala ograničavača dat je na sl. 5.8.4.

8

Sl. 5.8.4. Oblik ulaznog i izlaznog signala dvostranog ograničavača.Funkcija prenosa koja predstavlja zavisnost izlaznog napona u funkciji od ulaznog napona

data je na sl. 5.8.5.

Sl. 5.8.5. Funkcija prenosa ograničavača.

9

5. Modeli diode, idealizovane i idealne diode

Model diode predstavlja se linearnim ekvivalentnim kolom kojim se zamjenjuje dioda između anode A i katode K. Takva ekvivalentna šema sadrži diferencijalnu otpornost rd te izvor napona koji odgovara naponu praga otvaranja diode koji se označava sa VDT =VDP = V. Električni model kojim se realizuje ovakva karakteristika prikazan je na slici 5.2.1. U model je uključena i idealna dioda Di da bi se obezbjedila funkcija da struja teče samo pri direktnoj polarizaciji diode.

Sl. 5.2.1. Linearizovani model diode.

Linearizovana karakteristika diode dobija se tako što se na realnu karakteristiku u radnoj tački postavi tangenta (sl. 5.2.2).

Sl. 5.2.2. Određivanje radne tačke diodnog kola i linearizacija karakteristike diode.

Pri tome, nagib tangente određen je diferencijalnom otpornopću rd dok presjek tangente sa apscisnom osom daje napon VDTi koji je približno jednak naponu praga otvaranja diode VDT.

Izlomljeno linearni model diode je zasnovan na jednostavnoj linearizaciji nelinearne karakteristike diode i to u okolini radne tačke (sl.5.8). Kada se izvrši linarizacija strujno-naponska karakteristika dobija se karakteristika idealizovane dioda.

Na slici 5.8 data je statička karakteristika diode pri T = 300 K gdje se u presjeku sa statičkim radnim pravcem nalazi radna tačka Q određena naponom VD = 0,2 V i strujom kroz diodu ID = 2,2 mA.

Idealna dioda predstavlja najjednostavniji model diode. Ako je dioda direktno polarisana napon na njoj jednak je nuli tj. napon praga otvaranja je jednak nuli. Takođe je diferencijalna opornost jednaka nuli rd =0.

Ako je dioda inverzno polarisana uzima se da je struja kroz nju jednaka nuli. Dakle, direktno polarisana dioda (VD 0) odgovara kratkom spoju, dok inverzno polarisana dioda (VD<0) predstavlja otvorenu vezu.

10

Realna dioda ima ukupnu otpornost između anode i katode povećanu za otpornost osnove koja obično iznosi Rs = 10 do Rs = 100 tako da je RD = rd + Rs. Pri većim strujama smanjuje se uticaj diferencijalne otpornosti rd pa Rs postaje dominatnija veličina što se ogleda na strujno-naponsku karakteristiku.

Karakteristika takve realne diode može se opisati serijskom vezom p-n spoja i otpornika otpornosti Rs.

Tada je napon takve realne diode:

.

Kako je:

slijedi da je:

.

Grafički oblik statičke karakteristike ekvivalentne diode dobija se tako da se pri jednoj odabranoj vrijednosti struje vrši sabiranje vrijednosti napona na otporniku i vrijednosti napona p-n spoja.

Postupak se ponavlja u više tačaka pravca koji predstavlja statičku karakteristiku otpornika Rs i pripadajućih tačaka statičke karaktersitike p-n spoja. Spajanjem dobijenih tačaka dobija se karakteristika ekvivalentne diode. Na sl.5.2.3 dat je primjer za germanijumsku diodu.

Sl. 5.2.3. Određivanje karakteristike ekvivaletne diode.

Nagib takve karakteristike je blaži tako da se dobija povećana diferencijalna otpornost. Iz označenog trougla na karakteristici može se odrediti diferencijana otpornost kao:

11

.

6. Zener dioda, primjena kod stabilizatora

Zener diode su planarne diode koje rade pri inverznom naponu jednakom probojnom naponu. Probojni napon zener diode se može izvesti izračunavajući promjenu električnog polja i promjena elektrostatičkog potencijala u funkciji rastojanja x korištenjem Puasonove jednačine. Zener dode u području proboja predstavljaju izvor referentnog napona. Njihovi osnovni parametri su: napon stabilizacije, diferencijalna otpornost i temperaturni koeficijent napona stabilizacije. Primjenjuju se kod stabilizatora napona a u kombinacij sa standardnim poluprovodničkim diodama projektuju se temperaturno stabilni sklopovi. Zener diode se koriste i kod ograničavača napona kada zamjenjuju izvore referentnih napona

Statičke karakteristike Zener dioda međusobno se razlikuju prema probojnom naponu Vz i nagibu u oblasti proboja. Struja u oblasti lavinskog probojnog napona Vpr opisuje se relacijom:

, n=3.

pri čemu je M faktor multiplikacije. Na slici 6.1.1 dat je prikaz statičkih karakteristika Zener dioda sa različitim probojnim naponima.

Sl. 6.1.1. Statičke karakteristike serije zener dioda.

Statičke karakteristike ZD dioda mogu se aproksimirati linearnim segmentima. Nagib karakteristike Zener diode, koja radi pri inverznoj polarizaciji u području proboja Vz, određen je diferencijalnom otpornošću rz . Zbog male diferencijalne otpornosti te promjene su mnogo manje od

12

promjena ulaznog napona. Za istu promjenu struje Iz kod različitih dioda dobija različita promjena napona V.

Diferencijalna otpornost zener dioda definiše se kao i kod silicijumske diode. Tako, naprimjer, za zener diodu sa probojnim naponom Vz= 9,1 V pri struji I = 20 mA određuje se grafički prema dijagramu na sl.6.1 kao:

.

Za Vz = 7,5 V otpornost iznosi: .

Za Vz = 6,2 V otpornost je: , pri I = 20 mA.

Stabilizator napona dat na slici 6.4 naziva se i parametrski stabilizator. Statički radni pravac za

jednosmjerni radni režim dat je relacijom: .

+

+

+

+

V D D

v R

R pV z

rz

v i

Sl. 6.2.1. Parametarski stabilizator

Jedna tačka tog pravca se nalazi na mjestu Iz = 0, Vz = VDD dok je druga tačka određena sa Vz = 0 i Iz = VDD / R (sl.6.2.2). Položaj radne tačke Q= RT nalazi se u presjeku statičke karakteristike zener diode i statičkog radnog pravca. Radna tačka se nalazi u srednjem dijelu radnog opsega.

Promjenom ulaznog napona za V=U dolazi do pomjeranja radnog pravca RP, a time i radne tačke RT=Q. Time dolazi do pripadajuće promjene napona zener diode VD=UD

Pri djelovanju naizmjenične komponente ulaznog napona dolazi do pomjeranja radnog pravca, a time i promjene položaja radnih tačaka. Kod maksimalne vrijednosti napona u pozitivnoj poluperiodi dobija se:

Dobijena je zavisnost koja predstavlja pravac određen sa dvije krajnje tačke. Presjek ovog pravca sa karakteristikom Zener diode nalazi se u tački Q.

Na identičan način određuje se stanje i pri minimumu u negativnoj poluperiodi ulaznog naizmjeničnog signala -Vm kada je:

.

Relacija predstavlja jednačinu pravca koji prolazi kroz krajnje tačke.

13

Sl. 6.2.2. Određivanje promjene izlaznog napona pri promjeni ulaznog napona.

Vrijednost otpornosti otpornika Rp je data kao:

.

Odstupanja pri pozitivnoj i pri negativnoj amplitudi nisu jednaka. Koeficijenti slabljenja pri pozitivnoj amplitudi k+ i pri negativnoj amplitudi k – iznose:

Temperaturno kompenzovani stabilizatori napona imaju nulti temperaturni koeficijent

izlaznog napona. Kod zener dioda sa pozitivnom promjenom napona po temperaturi to se postiže dodavanjem poluprovodničkih dioda u seriju sa Zener diodom jer je kod direktno polarisane silicijumske poluprovodničke diode promjena napona po stepenu Celzijusa negativna:

.

Šema i ekvivalentna šema, sa linearnim modelima diode i ZD, date su na slici 6.6. Izlazni napon tog sklopa iznosi:

,

odnosno: .

14

Sl. 6.2.3. Temperaturno kompenzovani sklop.

Potrebna vrijednost otpornosti serijskog otpornika R se izračunava, uz zanemarenje otpornosti rd

i rz , kao:

Zanemarivanjem diferencijalnih otpornosti izlazni napon je jednak zbiru napona na Zener diodi i

napona na poluprovodničkoj diodi:

.

Kada se kod stabilizatora napona za temperaturnu stabilizaciju sklopa koristi se direktno polarizovana dioda izlazni napon je tada dat zbirom napona na diodi i zener diodi. Na sobnoj temperaturi vrijednost stalnog izlaznog napona I promjene sa temperaturom iznosi:

Vo(T0) = VD(T0) + Vz(T0),

Tada se dobija: .

15

1. Ulazne i izlazne strujno – naponske karakteristike bipolarnog tranzistora

Grafički oblici karakteristika tranzistora mogu biti definisane za sve tri vrste spoja: spoj sa zajedničkim emiterom, spoj sa zajedničkom bazom i spoj sa zajedničkim kolektorom. Kod bipolarnih tranzistora koriste se ulazne i izlazne statičke karakteristike, te prenosne karakteristike i karakteristike povratne veze. U svakom od osnovnih spojeva tranzistora postoje dva napona i dvije struje u međusobnoj zavisnosti. Statičke karakteristike kao funkcije dvije nezavisne promjenljive, predstavljaju površine u trodimenzionalnom prostoru.

Ulazne karakteristike tranzistora definišu zavisnost ulazne struje I1 od ulaznog napona V1, pri čemu je kao parametar izlazni napon V2 :

,

.

1. Ulazne karakteristike tranzistora u spoju sa

zajedničkim emiterom

Sl. 7.6.1. a) Ulazne karakteristike germanijumskog PNP tranzistora u spoju ZE

b) Ulazne karakteristike silicijumskog NPN tranzistora u spoju ZE.

Ulazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom predstavljaju zavisnost struje baze od napona između baze i emitera pri naponu između kolektora i emitera kao parametru:

IB = f (VBE ), VCE = const ,

predstavljene su grafički na slikama 7.6.1a i b.

Sve do napona praga otvaranja VBET silicijumski tranzistor ne provodi struju. Od napona VBEQ = 0,6 V do 0,75 V tranzistor radi u aktivnom području, a za napone preko VBES = 0,8 V tranzistor se nalazi u zasićenju.

2. Ulazne statičke karakteristike tranzistora u spoju sa

zajedničkom bazom

Ulazne statičke karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkom bazom daju zavisnost ulazne struje emitera od ulaznog napona između emitera i baze (sl. 7.6.2):

16

,

.

a)

0 0 0 ,6 1 ,2 1 ,8

0 V

0 V

V , m Veb [ ] V , Veb [ ]

I,

mA

e[

]

I,

Ae

[]

100 200 300

4

3

2

1

1 ,6

1 ,2

0 ,8

0 ,4

-5 V

V = 1 0 Vkb V = 5 Vkb

b)

Sl. 7.6.2. Ulazne statičke karakteristike u spoju sa zajedničkom bazom: (a) germanijumskog i (b) silicijumskog PNP tranzistora.

Kod silicijumskog tranzistora napon između baze i emitera kreće se oko 0,6 V do 0,75 V.

3. Izlazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom

Izlazne statičke karakteristike daju zavisnost izlazne struje I2 u funkciji izlaznog napona V2, dok se kao parametar koristi ulazna struja I1:

za .

Izlazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom daju zavisnost kolektorske struje o naponu između kolektora i emitera, pri struji baze kao parametru i predstavljaju familiju izlaznih karakteristika tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom.

IC = f (VCE ) , IB = const.

Izlazne karakteristike PNP tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom predstavljene su na sl. 7.6.3.

8 0 A

I keo

V , Vce [ ]

I,

mA

c[

]

5

4

3

2

1

0-4 -8 -1 2 -1 6 -2 0

V = Vce be

6 0 A

4 0 A

I = 2 0 Ab

I = 0b

Sl. 7.6.3. Izlazne statičke karakteristike PNP tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom.

17

Daljnim povećavanjem napona inverzne polarizacije dolazi do proboja tranzistora kada struja kolektora veoma naglo raste. Objašnjenje vrsta proboja je dato u narednim poglavljima.

Izlazne karakteristike NPN tranzistora u spoju zajedničkim emiterom date su na sl. 7.6.4. Zbog uticaja Irlijevog efekta izlazne karakteristike tranzistora IC = f(VCE) imaju povećan nagib (sl. 7.6.4). To znači da je diferencijalna otpornost između kolektora i emitera konačne vrijednosti.

.

Sl. 7.6.4. Izlazne karakteristike NPN tranzistora u spoju zajedničkim emiterom.

Takođe se koriste izlazne karakteristike kod kojih je parametar napon između baze i emitera:

IC = f (VCE ) , VBE = const.

4. Izlazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkom bazom

Izlazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkom bazom određuju zavisnost struje kolektora od napona između kolektora i baze pri struji emitera kao parametru.

,

Sl. 7.6.5. Izlazne karakteristike PNP tranzistora u spoju sa zajedničkom bazom.

18

2. Modeli tranzistora - ekvivalentne šeme, h i (Grafičko određivanje pojačanja struje bipolarnih trazistora )

Kako je tranzistor tropol, a prikazuje se četvoropolom, usvaja se da su zajednički međusobno kratko spojeni. Veličine koje povezuju male priraštaje struja i napona nazivaju se diferencijalnim parametrima tranzistora. Usvaja se da su u priključnim tačkama četveropola polariteti ulaznog i izlaznog napona V1 i V2 pozitivni u odnosu na zajedničku tačku (masu) a smjerovi struja I1 i I2 određeni tako da ulaze u četveropol.

Kod tropola se dobijaju tri jednačine za struje polova u funkciji sva tri napona polova koji se računaju u odnosu na referentni čvor. Nezavisno promjenljive u ovom sistemu su ulazna struja I1 i izlazni napon V2 :

.

U okolini radne tačke promjene ovih funkcija određene su njihovim totalnim diferencijalima :

,

.

Priraštaji nezavisno promjenljivih mogu se zamijeniti harmonijskim oscilacijama sa malim

vrijednostima kompleksnih amplituda i , odnosno vrijednostima i . Pri ovakvoj zamjeni i priraštaji zavisno promjenljivih dV1 i dI2 predstavljaju takođe harmonijske oscilacije

kompleksnih amplituda i , odnosno efektivnih vrijednosti i . Parcijalni izvodi ispred

nezavisno promjenljivih, u slučaju harmonijskih oscilacija, označavaju se simbolima , , ,

.

Sistem h-parametara nazvan je hibridnim (miješanim) sistemom, jer oni imaju različite dimenzije (h11 [=] , h12 [=] 1, h21 [=] 1, h22 [=] S).

Jednačine kojima se opisuje h model tranzistora daju zavisnost kompleksnih veličina ulaznog napona V1 i izlazne struje I2 u funkciji ulazne struje I1 i izlaznog napona V2:

Ulazna impedansa tranzistora pri kratkom spoju izlaza za naizmjeničnu struju;

Koeficijent povratne veze po naponu pri prekinutom ulazu za naizmjeničnu struju (odnos naizmjeničnih napona na ulazu i izlazu pri čemu ti naponi proizvode ulaznu struju iste veličine a suprotnih smijerova);

Diferencijalni koeficijenat pojačanja struje (odnos naizmjenične izlazne struje i naizmjenične ulazne struje napajanja četveropola);

19

Izlazna admitansa tranzistora pri prekinutom ulazu za naizmjeničnu struju (tj. pri praznom hodu ulaznog kola četveropola.

Hibridni parametri tranzistora definišu se kao izvodi u radnoj tački na karakteristikama tranzistora i s obzirom do ove karakteristike nisu linearne, veličine h parametara će zavisiti od položaja radne tačke, odnosno od tačke u kojoj se izračunava izvod. To znači da od položaja radne tačke zavise i pojačanja i ulazna i izlazna otpornost tranzistora.

Hibridni model se najčešće koristi za modeliranje bipolarnog tranzistora, a naročito na niskim frekvencijama signala. Posebna prednost hibridnog modela je i u tome što se h-parametri bipolarnog tranzistora mogu lako izmjeriti. Parametar h21 karakteriše pojačavačke osobine tranzistora i njegova vrijednost obično je u granicama od 10 do par stotina.

Parametar h22 predstavlja izlaznu provodnost tranzistora za naizmjenični signal.

Sl. 7.8.1. Ekvivalentna šema četveropola sa hibridnim parametrima.

Nezavisno od toga koja je elektroda upotrebljena kao zajednička, struktura modela se ne mijenja. Međutim vrijednosti parametara modela će zavisiti od toga koja je elektroda zajednička. Tako treba uočiti razliku u vrijednosti parametra h21 za model koji predstavlja tranzistor u sprezi sa zajedničkom bazom i u sprezi sa zajedničkim emiterom. U prvom slučaju je h21B (zajednička baza) reda (ili tačnije jednako -). U drugom slučaju, prirodno je očekivati da će količnik izlazne i ulazne struje (h21E =JC /JB) biti reda . Imajući sve ovo u vidu biće uvedeni indeksi e, b, c kako bi se označili h-parametri bipolarnog tranzistora u sprezi sa zajedničkim emiterom, bazom i kolektorom, respektivno. Napomenimo da je linearni model tranzistora dovoljno i potpuno opisan poznavanjem samo jednog od ova tri skupa parametara.

Zavisno od vrste spoja definišu se i parametri a i ekvivalentne šeme. Tako je za tranzistor u spoju sa zajedničkim emiterom sistem jednačina:

Hibridni model tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom je prikazan na sl. 7.8.2.

20

Sl. 7.8.2. Hibridni model tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom.

Uprošćeni hibridni model tranzistora sa zajedničkom bazom pokazan je na slici 7.8.3.

Sl. 7.8.3. Uprošćema šema h modela tramzistora u spoju sa zajedničkom bazom.

Ekvivalencija sa ZE uprošćenim hibridnim modelom se može lako izvesti. Naime,

,

odakle je: .uz ie = (1+h21e) ib slijedi da je:

.

Grafički način određivanja h parametri n-p-n tranzistora.

Ulazne karakteristike npn tranzistora.

U radnoj tački:

Q(VCEQ = 4V; ICQ =3,2mA; IBQ =40 µA; VBEQ =0,62V)

21

parametar h11 određuje se iz polja ulaznih karakteristika IB=f(VBE) kao:

,

.

Iz polja izlaznih karakteristika određuju se slijedeći parametri:

Izlazne karakteristike npn tranzistora.

22

3. Statičke karakteristike FET-a.

Sredinom 1960. godine Kang (Kahng, D.) i Atala su predložili korišćenje strukture kod koje se koristi metalni gejt. Osnova je metal M-oksid O-poluprovodnik S . Tako je dobijen tranzistor sa efektom polja ili MOSFET zbog naziva na engleskom jeziku Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Field-Effect Transistor (FET). Osnova je metal M-oksid O-poluprovodnik S . Kod tranzistora sa ugrađenim n kanalom konstrukciono su na podlozi p tipa ugrađena dva ostrva od jako legiranog-dopiranog poluprovodnika n+ tipa na koje su priključene elektrode sorsa i drejna a između njih je formiran kanal n tipa. Iznad kanala nalazi se izolator SiO2 na koga je nanesena metalna elektroda- gejt.

Sl.1. Geometrijski oblik MOS tranzistora dat je na slijedećoj slici.

Slika 1. Linearni n-kanalni MOS tranzistor. Pokretni nosioci označeni su sa , a nepokretni joni akceptora sa .

Unipolarni tranzistori imaju struju drejna koja je data sa:

23

.

Granica omske oblasti i oblasti zasićenja je . U području zasićenja kada je

struja je data sa:

.

Pojednostavljeni izraz za struju drejna kod MOSFET-a u zasićenju je:

.

Napon između gejta i sorsa je sastavljen od jednosmjerne i naizmjenične komponente te se dobija

Ta pojava se naziva efektom skraćivanja kanala (channel shortening effect). Zbog te pojave otpornost drejn-sors ostaje konačna pri porastu napona VDS.

Slika 3. Statičke karakteristike silicijumskih MOS tranzistora: a) n-kanalnog sa osiromašenjem; b) p-kanalnog sa obogaćenjem.

24

Pri dovoljnom negativnom naponu između gejta i sorsa, koji se naziva napon praga provođenja VP=VT, dolazi do ukidanja kanala odnosno zakočenja mosfeta.

Na slici 7.2 prikazane su idealizovane statičke karakteristike JFET-a. Na ordinatu je nanešena apsolutna vrijednost struje drejna (obično u miliamperima), a na apscisu apsolutna vrijednost normali-

zovanog napona . Presjek crtkano izvučene krive linije i sta-tičkih karakteristika označava pojavu stawa zasićewa u tranzistoru. Rad JFET-a lijevo i desno od te linije odgovara nezasićenom odnosno zasićenom stawu, respektivno. Zbog toga se oblast između ordinatne ose i crtkane linije naziva oblast nezasićewa, a između crtkane lini-je i apscisne ose oblast zasićewa. Statičke karakteristike u oblasti zasićewa prikazane su horizontalnim linijama.

25

4. Struja drejna, karakteristike, analitički i grafički

Struja drejna raste na sličan način kao da se du`ina gejta fizički smawuje, pri čemu debljina kanala ostaje ista. Ta pojava se naziva efektom skraćivawa kanala (channel shortening effect). Zbog te pojave otpornost drejn-sors ostaje konačna pri porastu napona VDS.

Ako kanal postoji i bez priključenog napona između gejta i sorsa tada je to tranzistor sa ugrađnim kanalom (osiromašeni tip - depletion type). U tom području način rada se naziva osiromašeni režim. Međutim mosfet sa ugrađenim kanalom kanalom može da radi i pri pozitivnom naponu u tzv. obogaćenom režimu (enhancement mode).

Kada kanal nije ugrađen (tranzistor sa induciranim kanalom) tada se mora priključiti vanjski napon na gejt da bi struja mogla da protiče.

Geometrijski oblik MOS tranzistora dat je na slici 3.5.

Sl. 3.5. Linearni n-kanalni MOS tranzistor. Pokretni nosioci označeni su sa , a nepokretni joni akceptora sa .

Tranzistori koji imaju formiran kanal kada je nazivaju se u praksi tranzistori sa

ugrađenim kanalom. Međutim, ako je potrebno priključiti napon da bi se formirao (indukovao) kanal tada se takav tranzistor naziva tran-zistor sa indukovanim kanalom.

Iako n-kanalni MOS tranzistor može da radi i u režimu obogaćenja kanala sporednim nosiocima elekriciteta (elektronima) za njega se kaže da radi u režimu osiromašenja (depletion transistor).

Sa druge strane p-kanalni MOS tranzistori na osnovi n-tipa nemaju provodni kanal kada je

. Između dvije oblasti p-tipa koje predstavljaju kontakte sorsa i drejna ne može da protiče

struja drejna i kada je . Ustvari pozitivni naboj u oksidu stvara unutrašnje inverzno napajanje koje mora biti neutralisano prije nego što se uspostavi provodni kanal. Zbog toga taj tranzistor radi jedino u režimu obogaćenja kanala sporednim nosiocima (šupljinama), pa se i za tranzistor kaže da radi u režimu obogaćenja (enhancement transistor).

Napon praga (threshold voltage) VT je napon između gejta i sorsa pri kome struja drejna postaje jednaka nuli. Kod p-kanalnih MOS tranzistora napon praga VT je negativan, dok kod n-kanalnih tranzistora može biti kako pozitivan tako i negativan. Naime, ako nije neutralisan uticaj pozitivnog

naboja u sloju SiO2, može se dobiti . U slučaju ako je osnova tranzistora bogato legirana akceptor-skim primjesama tako da prostorni naboj u sloju SiO2 ne može da izazove stvaranje

inverznog sloja, dobiće se da je .

26

Tranzistor sa n-kanalom koji ima pozitivan napon praga ( 0VT ) naziva se tranzistor sa obogaćenjem ili tranzistor sa indukovanim kanalom (enhancement transistor). Isti tranzistor sa

negativnim naponom praga ( 0VT ) naziva se tranzistor sa osiromašenjem ili tranzistor sa ugrađenim kanalom (depletion transistor). Za tranzistore sa p-kanalom važi obrnuto. Na slici 3.6 predstavljena je karakteristika ID = f(VGS).

VGS

ID

IDSS

0-VT VT

oboga}enjeosiroma{enje

tranzistor sa ugra|enim kanalom

tranzistor sa indukovanim kanalom

Sl.3.6. Prenosna karakteristika ID = f(VGS).Strujno-naponska karakteristika daje zavisnost struje odvoda - drejna ID od napona VDS i VGS

u omskoj oblasti data je sa:

gdje je n - pokretljivost nosilaca elektriciteta u kanalu, kapacitivnost gejta po jedinici površine

, tox debljina oksida SiO2, W- širina kanala, L dužina kanala. Izraz se može napisati i u

obliku:

Statičke karakteristike predstavljaju izlazne karakteristike tranzistora:

,

gdje je: e -dielektrična konstanta. Gornja jednačina vrijedi u tzv. području nezasićenja i predstavlja parabolu koja ima

maksimum struje kada je VDS = VGS - VT. Tada bi, prema jednakosti struja trebala početi opadati što

je fizički nemoguće. Zbog toga gornja jednačina vrijedi samo do tog napona (sl.3.7). Nakon toga struja poprima konstantan iznos. U području zasićenja, uvrštavanjem napona VDS = VGS – VT u tački

maksimuma u izraz za struju drejna, dobija se:

.

Struja IDSS predstavlja struju drejna kod tranzistora sa ugrađenim kanalom, kada nije priključen napon između gejta i sorsa. Iz predhodne jednačine, koja vrijedi u području zasićenja, vidi se da struja drejna ne zavisi o naponu između drejna i sorsa. Time je ujedno definisana granica

omske oblasti i oblasti zasićenja. U području zasićenja kada je struja je data sa:

27

.

Sl. 3.7a. Statičke karakteristike MOS FET.

Međutim, struja drejna ipak raste sa porastom napona između drejna i sorsa zbog tzv. efekta modulacije dužine kanala i raspodjele električnog polja između drejna i kanala.

Joni u toj zoni potiskuju nosioce elektriciteta u kanalu pa se dužina kanala skraćuje, čime se smanjuje otpornost kanala te struja raste. Naravno struja tada u blizini drejna teće površinski sa povećanom gustoćom.

Sl. 3.7b. Statičke karakteristike MOS FET.

Međutim, kada veličina napona drejna raste iznad tačke zasićenja ipak dolazi do malog porasta struje drejna. Struja drejna raste kao da se dužina gejta fizički smanjuje, pri čemu debljina kanala ostaje ista. Ta pojava se naziva efektom skraćivanja kanala (channel shortening effect). Zbog te pojave otpornost drejn-sors postaje konačna pri porastu napona VDS.

Grafički prikaz navedenih relacija dat je na sl. 3.7 (gornja za N kanalni a donja za P kanalni MOSFET).

Kada tranzistor radi u omskoj oblasti kada je vDS 0 vrijede relacije:

.

U ovom području u linearnoj oblasti tranzistor se ponaša kao otpornik.

28

N MOSFET

P MOSFET

Međutim, pri radu tranzistora u stanju zasićenja struja drejna ostaje konačne vrijednosti zbog čega mora postojati vrlo tanka provodna oblast na kraju kanala uz drejn, u kojoj su gustina struje i jačina električnog polja vrlo veliki.

Pojednostavljeni izraz za struju drejna kod MOSFET-a u zasićenju je:

.

Proširenjem ove jednačine dobija se za jednosmjerni i naizmjenični radni režim proizlazi:

.

Izdvajajući DC komponentu: , struja naizmjeničnog signala je:

.

29

1. P-N spoj, direktna i inverzna polarizacija2. Ulazne i izlazne strujno – naponske karakteristike bipolarnog tranzistora 3. Pojačavač u spoju sa zajedničkim gejom

1. Diodni ispravljač, polutalasni2. Pojačavač napona koji ne obrće fazu 3. Statičke karakteristike FET-a

1. Dioda, silicijumska i germanijumska, temperaturske karakteristike2. Oblast nezasićenja i oblast zasićenja kod MOSFET-ova3. NF - Frekvencijske karakteristike uticaj blokirajućeg kondenzatora

1. Ograničavači napona 2. Modeli tranzistora - ekvivalentne šeme, h i 3. Osnovni sklopovi sa MOSFET i osobine

1. Modeli diode, idealizovane i idealne diode2. Osnovni sklopovi sa unipolarnim tranzistorima, polarizacije3. Frekvencijske osobine sklopova sa FET

1. Diodni ograničavači2. Grafičko određivanje pojačanja struje bipolarnih trazistora 3. Struja drejna, karakteristike, analitički i grafički

1. Zener dioda, primjena kod stabilizatora2. Radni pravac i radna tačka, bipolarnih tranzistora analitički i grafički 3. NF - Frekvencijske karakteristike, uticaj sprežnih kondenzatora

30