Teoria przewodnictwa elektrycznego

Półprzewodniki i elementy półprzewodnikowe

Teoria przewodnictwa

Przewodnictwo elektryczne - to zjawisko skierowanego przenoszenia ładunków elektrycznych przez dodatnie lub ujemne nośniki prądu (np. elektrony, jony) w ośrodku pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego. Zależnie od natury fizycznej ładunków wytwarzających prąd elektryczny wyróżniamy następujące rodzaje przewodnictwa elektrycznego:

-elektronowe, -dziurowe, -jonowe, -mieszane.

Ponadto wyróżniamy przewodnictwo elektryczne: -samoistne, -niesamoistne.

Przewodnictwo elektronowe (przewodnictwo typu n) - to przenoszenie ładunku elektrycznego przez ciało pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. W modelu pasmowym krystalicznych ciał stałych zjawisko polegające na tym, że elektrony zajmujące stany kwantowe w obrębie pasma przewodnictwa przesuwają się do sąsiednich nie obsadzonych stanów kwantowych w obrębie tego pasma, w kierunku przeciwnym do kierunku wektora pola elektrycznego.

Przewodnictwo dziurowe (przewodnictwo typu p) - to przenoszenie ładunku elektrycznego przez kryształ pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego, polegające na tym, że elektrony pozostające w niecałkowicie zapełnionym paśmie podstawowym przesuwają się do niezajętych poziomów kwantowych (dziur elektronowych) w obrębie tego pasma w kierunku przeciwnym do wektora pola elektrycznego, co formalnie odpowiada przesuwaniu się ładunków dodatnich zgodnie z kierunkiem wektora pola elektrycznego.

Elektronika posługuje się zwykle uproszczonym modelem energetycznym, w którym opisuje się energię elektronów walencyjnych dwoma pasmami dozwolonymi:

1.pasmo walencyjne (pasmo podstawowe) - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu; 2.pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym.

Przewodnik

Poziom Fermiego - maksymalny poziom energetyczny atomu, znajdującego się w temperaturze zera bezwzględnego. Istnienie tego poziomu jest konsekwencją zakazu Pauliego a ten konsekwencją tego, iż elektrony są fermionami (podlegają statystyce Fermiego - Diraca).

Dolna granica pasma przewodnictwa jest położona wyżej (wyższa energia) niż górna granica pasma walencyjnego (niższa energia). Przerwa energetyczna pomiędzy tymi pasmami jest nazywana pasmem zabronionym (wzbronionym) lub przerwą zabronioną

Izolator

Poziom Fermiego w izolatorch znajduje się w okolicy granicy pasma walencyjnego, a pasmo wzbronione jest szerokie. Powoduje to, że elektrony nie mogą łatwo zwiększać swojej energii (ponieważ najpierw muszą przeskoczyć do pasma przewodnictwa).

Półprzewodnik

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (miara podatności na przepływ prądu) jest rzędu 10-8 do 105 S/m, co plasuje je między przewodnikami a izolatorami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN ok 2,5 eV).W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup III i V (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub II i VI (telurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku.

Półprzewodniki spontaniczneW półprzewodniku poziom Fermiego położony jest podobnie jak w przypadku izolatorów, jednak przerwa energetyczna (szerokość pasma wzbronionego) jest niewielka (umownie za półprzewodnik przyjmuje się ciało, w którym szerokość pasma wzbronionego jest mniejsza niż 2 eV W półprzewodnikach spontanicznych część elektronów przechodzi do pasma przewodnicta dzięki energii termicznej, lub np. wzbudzeń fotonowych. Przewodnictwo w półprzewodnikach spontanicznych ma charakter pół na pół elektronowo-dziurowy.

Proces pojawiania się elektronów w paśmie przewodnictwa i wolnych miejsc (dziur) w paśmie podstawowym pod wpływem wzrostu temperatury nosi nazwę generacji termicznej par dziur-elektron. Liczba generowanych par, czyli ich koncentracja, jest tym większa, im jest węższe pasmo zabronione danego półprzewodnika oraz im temperatura monokryształu jest wyższa. Po pewnym czasie pobudzony elektron powraca do stanu podstawowego z wyemitowaniem kwantu promieniowania. Taki proces nazywamy rekombinacją .

Półprzewodniki typu nJeżeli do półprzewodnika (będącego pierwiastkiem grupy 4A) wprowadzimy pierwiastek z grupy 5A nadmiarowe elektrony w strukturze krystalicznej utworzą nowy poziom - poziom donorowy, który znajduje się tuż poniżej pasma przewodnictwa. Elektrony z poziomu donorowego niewielkim kosztem energetycznym mogą przenosić się do pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach typu n główny wkład do przewodnictwa pochodzi od elektronów (ale efekty opisane dla spontanicznych też grają role).

PÓŁPRZEWODNIK TYPU N uzyskuje się przez dodanie - w procesie wzrostu kryształu krzemu - domieszki pierwiastka pięciowartościowego (np. antymon, fosfor). Niektóre atomy krzemu zostaną zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami

Półprzewodniki typu pAnalogicznie do półprzewodników typu n, jeżeli wprowadzimy pierwiastek grupy 3A to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawia się wolny poziom, zwany akceptorowym. Spontaniczne przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie dziur, które są nośnikiem dominującym.

PÓŁPRZEWODNIK TYPU P uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, galu).Atom tej domieszki ma trzy elektrony walencyjne, związane z sąsiednimi atomami krzemu. Do wypełnienia czwartego wiązania sąsiadującego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej jednego elektronu i zostaje on uzupełniony przez pobranie elektronu z jednego z sąsiednich wiązań, w którym powstaje dziura. Atom pierwiastka trójwartościowego, zwanego akceptorem, po uzupełnieniu elektronu w "nieprawidłowym" wiązaniu (na skutek niedostatku ładunków dodatnich w jądrze) staje się jonem ujemnym, wywołując lokalną polaryzację kryształu.

Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: P i N.W obszarze typu N występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory). Analogicznie w obszarze typu P nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim oraz atomy domieszek (akceptory). W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.

W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów P i N swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu P, natomiast dziury do obszaru typu N (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwu swobodnych nośników.Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, czego skutkiem jest pojawienie się nieruchomych jonów: ujemnych akceptorów i dodatnich donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, nazywana też warstwą zubożaną (tj. praktycznie nieposiadającą swobodnych nośników) lub warstwą zaporową. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie N hamuje przepływ dziur z obszaru P, natomiast ładunek ujemny po stronie P hamuje przepływ elektronów z obszaru N. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje.

Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu mikroamperów (10 − 6), a nawet pikoamperów (10 − 12).Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0.8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2-0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 mV na kelwin.

Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:

•w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru P; •w kierunku zaporowym, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru N.

Bez względu na polaryzację dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze zubożonym.

Polaryzacja w kierunku przewodzeniaW tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru N do P i z P do N. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ale ze źródła zasilania dopływają wciąż nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny.

Polaryzacja w kierunku zaporowymW tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.

Dioda

Dioda prostownicza

Dioda prostownicza to rodzaj diody przeznaczonej głównie do prostowania prądu przemiennego o małej częstotliwości, której głównym zastosowaniem jest dostarczenie odpowiednio dużej mocy prądu stałego.

Prostownik jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednokierunkowe, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.

Jednopołówkowe (półokresowe)Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ napięcia przemiennego. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu - podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie płynie. Wprowadza to niesymetrię obciążenia układu prądu przemiennego, co jest niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyższych powodów rozwiązanie stosowane tylko w układach niewielkiej mocy.Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane w zasilaczach impulsowych małych mocy.

Dwupołówkowe (całookresowe)Prostowniki dwupołówkowe umożliwiają wykorzystanie mocy źródła napięcia przemiennego przez cały okres. Napięcie wyjściowe takiego prostownika charakteryzuje się mniejszymi tętnieniami niż w przypadku prostowników jednopołówkowych. Jedyną wadą jest to, że układ elektryczny jest nieznacznie bardziej skomplikowany. Układ mostkowy, tzw. mostek Graetza, wykorzystuje cztery diody prostownicze, i pozwala na prostowanie napięcia z dowolnego źródła przemiennego. Istnieje również konstrukcja oparta na dwóch diodach, jednak wymaga ona specjalnego zasilania - uzwojenie wtórne transformatora musi być podzielone na dwie jednakowe części. Obecnie układy takie stosuje się niezwykle rzadko, ponieważ koszt dzielonego uzwojenia jest znacznie większy niż koszt diod użytych w układzie mostkowym.

Prostowniki trójfazoweProstowniki trójfazowe wykorzystuje się tam, gdzie dostępne jest trójfazowe zasilanie. Generalnie charakteryzują się one znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niż prostowniki jednofazowe.JednopołówkoweTrójfazowy prostownik jednopołówkowy może działać tylko w układzie trójfazowym z przewodem neutralnym. Oznacza to, że układ źródeł napięcia (lub uzwojeń wtórnych transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w trójkąt nie posiada przewodu zerowego).

DwupołówkoweTrójfazowy prostownik dwupołówkowy może być stosowany w dowolnym układzie napięcia trójfazowego - zarówno z przewodem neutralnym jak i bez niego. Napięcie wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do prostowników opisanych powyżej). Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana w największym zakresie, co jest szczególnie istotne w przypadku urządzeń dużej mocy, jak np. spawarki transformatorowe. Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają możliwość sterowania wartością prądu wyjściowego

Dioda Zenera (stabilistor) - odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza PN. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok 6V (Woltów)) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, powyżej - przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną).

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. Light Emitting Diode) - dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni. Pojawiła się w latach sześćdziesiątych; wynaleziona przez amerykańskiego inżyniera - Nicka Holonyaka juniora.Jej działanie opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie LED mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest one spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to: pochłanianie wewnętrzne i całkowite wewnętrznego odbicia

Dioda laserowa (ang. laser diode) to laser półprzewodnikowy, w którym medium emitującym światło jest złącze p-n analogiczne do źródła światła w diodzie LED. W odróżnieniu od zwykłej diody elektroluminescencyjnej, dioda laserowa jest zbudowana tak, by stworzyć wokół złącza rezonator optyczny, co przy odpowiednio wysokim napięciu i prądzie zasilania sprzyja emisji wymuszonej, i powstaniu spójnej, monochromatycznej wiązki światła.Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysoką wydajność, diody laserowe są dzisiaj najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów, i znajdują zastosowanie między innymi w napędach CD, napędach Blu-ray, napędach HD DVD, wskaźnikach laserowych, łączności światłowodowej.

Organic light-emitting diode

1 - katoda (-), 2- warstwa aktywna, 3- emisja fotonu, 4 - warstwa przewodząca, 5 - anoda (+)

Organiczne wyświetlacze elektroluminescencyjne wytwarzane w technologii materiałów emitujących światło LED oparte na związkach organicznych.Historycznie pierwszym związkiem organicznym, w którym odkryto zjawisko emisji światła pod wpływem przyłożenia napięcia elektrycznego, był polifenylenowinylen

Fotodioda, półprzewodnikowy element bierny, oparty o złącze P-N, z warstwą zaporową. Brak polaryzacji w momencie oświetlania półprzewodnika, w złączu powstaje siła elektromotoryczna (fotoprąd lub zjawisko fotowoltaiczne). Zastosowania:

•przy braku polaryzacji - bateria słoneczna •przy polaryzacji zaporowej - nieliniowy rezystor, w którym opór zależy od strumienia światła.

W obu przypadkach można wykorzystać fotodiodę jako detektor.

Tranzystor

trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznacza element transformujący rezystancję.

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania:1.Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe). 2.Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe).

Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje bardzo szerokie zastosowanie. Jest oczywiście wykorzystywany do budowy wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy (akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki, czy generatory.Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie, co stało się motorem do bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu latach. Tranzystory są także podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora.Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

•emiter (ozn. E), •baza (ozn. B), •kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Stany pracyRozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

•stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym, •stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia, •stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo, •stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkuset).Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

można powiedzieć, że w tranzystorze złącze baza-emiter i kolektor-baza zachowują się jak diody. Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to muszą być spełnione następujące warunki:

•dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera, •dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera, •„dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor-baza w kierunku zaporowym, •nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC, IB, UCE, moc wydzielana na kolektorze IC· UCE, temperatura pracy czy też napięcie UBE.

Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy czyli spełnia powyższe warunki to z dobrym przybliżeniem prawdziwą jest zależność, którą warto zapamiętać:

gdzie hFE jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego nazywanego również betą. Współczynnik ten może przyjmować wartości od 50 do 300A/A dla tego samego typu tranzystora, a więc nie jest parametrem na którym można opierać parametry projektowanego układu.

IC=hFE· IB=·IB

npn pnp

tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria EC), natomiast złącze baza-emiter w kierunku

przewodzenia (bateria EB)

rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszaru n oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p.   Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego. Część tych elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektor-baza są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza.

Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik a nazywany współczynnikiem wzmocnienia prądowego, przy dużych sygnałach definiowany jako:

=(IC-IC0)/IE

gdzie IC0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego

zaporowo przy IB=0. W tranzystorach krzemowych wartość

prądu IC0(zależąca od temperatury) jest rzędu 0,001pA do

0,01pA i można go spokojnie pominąć. Dla większości tranzystorów wartość a zawiera się w granicach od 0,95 do 0,99 czyli praktycznie 1.

prąd bazy IB składa się z prądu dziurowego płynącego od bazy do emitera i z prądu wynikającego z rekombinacji dziur w obszarze bazy.   Tranzystory wykonywane są tak aby oba te prądy były jak najmniejsze. Osiągane jest to w ten sposób, że obszar n emitera jest bardzo silnie domieszkowany i prąd elektronowy złącza baza-emiter jest zdecydowanie większy od prądu dziurowego. W celu zmniejszenia drugiego składnika prądu bazy czyli prądu wywołanego rekombinacją, zmniejsza się obszar bazy. W efekcie prąd bazy IB ma wartość bardzo małą w porównaniu z prądem kolektora IC.   W rezultacie można powiedzieć, że mały prąd wejściowy bazy IB steruje znacznie większym prądem wyjściowym kolektora IC, a więc następuje efekt wzmocnienia.

Charakterystyki tranzystora

charakterystyka wyjściowa tranzystora, która przedstawia zależność prądu kolektora IC od napięcia kolektor-emiter UCE

przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter UBE.

Z charakterystyki tej można stwierdzić, że:

•powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia UCE,

•do wywołania dużej zmiany prądu kolektora IC

•wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter UBE.

Punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia kolektor-emiter UCEsat.

Prąd kolektora IC jest tu funkcją napięcia baza-emiter UBE. Charakterystyka tama charakter wykładniczy. Dla tranzystora współczynnik korekcyjny m jest praktycznie równy jeden i wzór opisujący charakterystykę przejściową można z dobrym przybliżeniem przedstawić jako:

Parametry graniczne tranzystoraTranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora.   Do takich właśnie parametrów należą:

•UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter

•UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza

•UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter

•ICmax - maksymalny prąd kolektora

•IBmax - maksymalny prąd bazy

•Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat

Układy polaryzacji tranzystorówO takich układach mówi się również: układy zasilania tranzystorów czy też układy ustalania punktów pracy. Układy te mają za zadanie nie tylko zasilać tranzystor ale również ustalać jego stałoprądowy punkt pracy, czyli stałe napięcie kolektor-emiter UCE i stały prąd kolektora IC.   Punkt pracy musi być dobrany w sposób optymalny do funkcji jaką spełnia układ, w którym pracuje tranzystor.

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy

Układ z wymuszonym prądem bazy

Układ ze sprzężeniem kolektorowym

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym.

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża.

Nazwy poszczególnych elektrod to: D - dren, S - źródło, G - bramka. Elektrody te spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E odpowiada źródło S, a bazie B odpowiada bramka

JFET obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę przekroju kanału. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza pn, a więc przez zmianę napięcia UGS

polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym.

Pod wpływem napięcia UGS polaryzującego zaporowo złącze pn, warstwa zaporowa rozszerzy się, przekrój kanału zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie. Łatwo można sobie wyobrazić, że dalsze zwiększanie napięcia UGS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwy zaporowe połączą się i kanał zostanie zamknięty, a jego rezystancja będzie bardzo duża.   Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem sterowanym napięciowo.Gdy doprowadzone jest napięcie UDS między dren i źródło, przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i źródła, w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn wzdłuż kanału jest polaryzowane różnymi napięciami. Do stałego napięcia UGS dodaje się spadek napięcia występujący między danym punktem kanału a źródłem S. Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje dalsze rozszerzanie warstwy zaporowej aż do zamknięcia kanału, co powoduje stan nasycenia. W takiej sytuacji dalszy wzrost napięcia UDS nie będzie powodował praktycznie dalszego wzrostu prądu drenu ID gdyż warstwa zaporowa będzie się rozszerzała w kierunku drenu, a spadek napięcia w kanale pozostanie praktycznie stały

Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET*

*W technologii MOSFET tranzystory są produkowane w formie trzech warstw. Dolna warstwa to płytka wycięta z monokryształu krzemu lub krzemu domieszkowanego germanem. Na płytkę tę napyla się bardzo cienką warstę krzemionki lub innego tlenku metalu lub półmetalu, która pełni funkcję izolatora. Warstwa ta musi być ciągła (bez dziur), ale jak najcieńsza. Obecnie w najbardziej zaawansowanych technologicznie procesorach warstwa ta ma grubość równą pięciu cząsteczek tlenku. Na warstwę tlenku napyla się z kolei bardzo cienką warstwę dobrze przewodzącego metalu (np. złota).

polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli UDS=0 i UGS=0. W takim przypadku struktura złożona z obszarów półprzewodnika typu n+ (dren i źródło) rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie)

gdy bramka jest spolaryzowana napięciem UGS>0, dodatni ładunek spolaryzowanej bramki indukuje pod jej powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się z elektronów swobodnych o dużej koncentracji powierzchniowej (tzw. warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji zostaje utworzone połączenia elektryczne między drenem i źródłem w postaci kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia UGS.

Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu UDS>0 to popłynie prąd drenu ID tym większy im większe będzie napięcie UDS.   Zależność prądu drenu ID od napięcia drenu UDS nie jest jednak liniowa. Jest to spowodowane tym, że napięcie wzdłużne UDS zmienia stan polaryzacji bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy.

Ze wzrostem UDS całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost prądu jest więc mniejszy niż proporcjonalny. Przy UDS=UGS kanał w pobliżu drenu przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Dalszy wzrost napięcia drenu UDS będzie powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu ID.

Charakterystyka tranzystora polowego

Dynistor

Składa się on z aż trzech złącz p-n (dioda 1), n-p (dioda 2) i znów p-n (dioda 3). Aby dynistor mógł przewodzić potencjał na anodzie musi być większe od potencjału katody (mamy już spolaryzowane dwie diody w kierunku przewodzenia - 1 i 2 - stan blokowania). Ale załączenie dynistora następuje dopiero po gwałtownym wzroście napięcia pomiędzy anodą a katodą - du/dt(przewodzenie) lub przez przekroczenie napięcia włączenia. Jeśli potecjały są odwrotne tzn. katody większy od anody to dynistor jest w stanie zaporowym. Charakterystyka jest analogiczna jak dla tyrystora tylko, że tu nie włączamy go kiedy chcemy ... załącza się sam.

Tyrystor

Załączenie tyrystora następuje przy odpowiedniej polaryzacji (anoda:+ katoda:-). i podaniu dodatniego względem katody impulsu bramkowego. Im mniejsze jest napięcie między anodą a katodą, tym większy musi być prąd bramki. Wyłączenie tyrystora następuje przy obniżeniu napięcia anoda-katoda lub spadku wartości przepływającego prądu poniżej IH - prądu podtrzymania.

Może załączyć się także jak dynistor przy dużych du/dt - skokach napięcia między anodą a katodą.

W stanie spoczynkowym oba traznystory są zatkane (nie przewodzą). Po wciśnięciu przycisku pojawi się prąd bazy - otworzy się tranzystor npn. Prąd jego kolektora spowoduje otwarcie tranzystora pnp. Z kolei prąd kolektora pnp popłynie do bazy npn - podtrzymując jego otwarcie, po puszczeniu przycisku.Wystarczy więc podać nawet krótki impuls na bramkę, aby otworzyć element na stałe. Układ będzie przewodził aż do zaniku lub zmiany polaryzacji napięcia zasilającego.

IH - prąd podtrzymaniaIL - prąd załączaniaVBO - napięcie przełączania

Triak (TRIode for Alternating Current)

Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch tyrystorów (SCR),

z tą różnicą, że triak posiada tylko jedną bramkę - włączenie następuje niezależnie od polaryzacji (w przeciwieństwie do tyrystora, który może być załączony tylko jeśli potencjał anody jest większy od potencjału katody). Triak działa w obu kierunkach polaryzacji i zachowuje się jak tyrystor w dodatniej części swojej charakterystyki

Prąd przemienny (ang. alternating current, AC)

Charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa wynosiła zero.

Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. Dlatego też, w żargonie technicznym często nazwa prąd przemienny oznacza po prostu prąd sinusoidalny. Jeśli zakłócenia lub nieliniowość powodują zdeformowanie sinusoidalnego kształtu, wówczas taki niesinusoidalny przebieg nosi nazwę przebiegu odkształconego.

Wartości chwilowe

Wartość przebiegu czasowego w dowolnym punkcie (chwili) czasu. Każdy rzeczywisty przebieg czasowy składa się z nieskończonej ilości następujących po sobie wartości chwilowych, których chronologiczne ułożenie powoduje powstanie całego przebiegu czasowego.Wartości chwilowe zapisuje się zazwyczaj małą literą. Na przykład symbolem napięcia elektrycznego jest litera U, natomiast napięcie chwilowe (jako funkcja czasu) zapisuje się jako u(t).Największa wartość chwilowa danego przebiegu jest tożsama z wartością maksymalną; podobnie najmniejsza wartość chwilowa jest równoznaczna z wartością minimalną.

Wartość średnia

Wartość średnia przebiegu czasowego może być definiowana na dwa sposoby:

1. Wartość średnia, Wm, zwana również

wartością całookresową:                                                                                       

gdzie: T - okres przebiegu, t0 - czas

początkowy, w(t) - wartości chwilowe przebiegu, t - czas.

2. Wartość średnia z wartości bezwzględnej, We,

zwana również wartością półokresową:

                                                                                         

W obwodach prądu przemiennego rezystancja jest odpowiedzialna za rozpraszanie mocy czynnej, ale dodatkowo występują elementy, które mogą pobierać, magazynować i oddawać energię elektryczną. Dowolny odbiornik nie jest więc już charakteryzowany tylko mocą czynną rozpraszaną na rezystancji R, ale również mocą bierną pobieraną i oddawaną przez reaktancję X (opór bierny)

Reaktancja cewki (opór indukcyjny) ma znak dodatni i oblicza się ją ze wzoru:

XL = jωL

gdzie L to indukcyjność własna cewki, ω pulsacja, j - jednostka urojona.

Reaktancja kondensatora (opór pojemnościowy) ma znak ujemny i oblicza się ją ze wzoru:

                                    

gdzie: C - pojemność kondensatora, ω - pulsacja, j - jednostka urojona.

Impedancja (moduł impedancji) - opór całkowity (ozn. Z) to wielkość opisujaca elementy w obwodach prądu przemiennego. Impedancja jest rozszerzeniem pojęcia rezystancja z obwodów elektrycznych prądu stałego, umożliwia rozszerzenie prawa Ohma na obwody prądu przemiennego.

Impedancja Z elementu obwodu prądu przemiennego jest definiowana jako                               

gdzie: Vr - to napięcie, a Ir-natężenie prądu przemiennego.

Jest wypadkową oporu czynnego (R) i biernego (X).

Admitancja to odwrotność impedancji, całkowita przewodność elektryczna w obwodach prądu przemiennego.                                                         

gdzie:Y - admitancja, wyrażona w simensach Z - impedancja, wyrażona w omach Admitancja jest liczbą zespoloną, jej część rzeczywista to konduktancja (G), a urojona to susceptancja (B):

                                            

Sygnały

Sygnał to abstrakcyjny model dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej się w czasie, generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy. Tak jak wszystkie zjawiska może być opisany za pomocą aparatu matematycznego, np. poprzez podanie pewnej funkcji zależnej czasu. Ponieważ sygnał niesie informację o naturze badanych zjawisk lub systemów, w niektórych dziedzinach nauk jest on traktowany jak nośnik informacji. Sygnał oznacza zatem przepływ strumienia informacji, przy czym przepływ może odbywać się w jednym lub w wielu wymiarach.

Sygnały można przedstawić w postaci:•analitycznej - za pomocą wzoru matematycznego, który definiuje funkcję opisującą zmiany wartości sygnału np. w dziedzinie czasu, częstotliwości itp., •graficznej - za pomocą wykresu lub grafu.

Każdy sygnał może być opisany przez jedną z następujących wielkości:•czas trwania, który może być ograniczony jakimś przedziałem czasowym, formalnie przedstawionym jako różnica pomiędzy końcem przedziału T2 i początkiem przedziału T1, •wartość chwilową sygnału, mierzoną w jednostkach właściwych dla danej wielkości, •funkcję opisującą przebieg sygnału, przy czym sygnał może być funkcją jednej zmiennej lub wielu zmiennych niezależnych, •specyficzne własności opisujące naturę danego sygnału, takie jak: amplituda, częstotliwość, energia, moc, okresowość, itp.

Rodzaje sygnałów•ze względu na czas trwania:

•skończony — czas jest ograniczony jakimś przedziałem czasowym, formalnie przedstawionym jako różnica pomiędzy końcem przedziału T2 i początkiem przedziału T1, •nieskończony — początek lub koniec przedziału jest nieosiągalny.

•ze względu na wartość energii: •o zerowej energii, •o ograniczonej energii, •o nieskończonej energii.

•ze względu na okresowość: •sygnały okresowe, •sygnały nieokresowe.

•ze względu na ciągłość dziedziny i wartości: •sygnały ciągłe (analogowe) — dziedzina i wartości sygnału są ciągłe, •sygnały dyskretne — dziedzina sygnału jest dyskretna, a wartość ciągła, •sygnały cyfrowe — dziedzina i wartość sygnału jest dyskretna.

ponadto•sygnał pomocy: SOS, Mayday •sygnał pomiarowy •sygnał diagnostyczny

Proces przekształcenia sygnału analogowego na dyskretny nazywany jest dyskretyzacją (próbkowaniem, digitalizacją). Zamianę wartości analogowej na cyfrową określa się jako kwantyzację. Podczas obu tych przekształceń tracona jest część informacji zawartej w sygnale analogowym, co opisuje się jako szum kwantyzacji. Urządzenie przetwarzające jeden sygnał na inny nazywane jest przetwornikiem.

Sygnał analogowy - sygnał, który może przyjmować dowolną wartość z ciągłego przedziału (nieskończonego lub ograniczonego zakresem zmienności). Jego wartości mogą zostać określone w każdej chwili czasu dzięki funkcji matematycznej opisującej dany sygnał. Przeciwieństwem sygnału analogowego jest sygnał skwantowany.

Sygnał dyskretny - sygnał powstały poprzez próbkowanie sygnału ciągłego.W odróżnieniu od sygnału ciągłego, sygnał dyskretny nie jest funkcją ciągłą, lecz ciągiem. Każda wartość ciągu nazywa się próbką (ang. sample).

Sygnał cyfrowy - to sygnał, którego dziedzina i zbiór wartości są dyskretne. Przeciwieństwem sygnału cyfrowego jest sygnał analogowy. Znaczenie tego terminu może odnosić się do:

•wielkości fizycznej, która z natury jest dyskretna (np. liczba błysków lampy w ciągu godziny) •wielkości pierwotnie ciągłej i analogowej, która została spróbkowana i skwantowana (np. sygnał na wyjściu komparatora napięcia kontrolującego pewien proces w określonych chwilach) •każdej reprezentacji jednego z powyższych, w tym (najczęściej) w postaci ciągu liczb zapisanych w pamięci maszyny cyfrowej (np. plik komputerowy typu WAV).

Współcześnie telekomunikacja i elektronika powszechnego użytku prawie całkowicie zostały zdominowane przez cyfrowe przetwarzanie sygnałów, które jest powtarzalne, bardziej niezawodne i tańsze od przetwarzania analogowego.

Sygnał sinusoidalny Wzór opisujący ten sygnał wygląda następująco: U = Umsin2ft, gdzie:Um - amplituda, f - częstotliwość wyrażona w hercach (Hz), t - czas w sekundach.

   Jeśli przyjąć, że =2f, to sygnał sinusoidalny można opisać następującym wzorem: U = Umsint, gdzie jest pulsacją wyrażoną w radianach na sekundę.

   Falę sinusoidalną opisują dwa parametry amplituda i częstotliwość (dotyczy to również innych sygnałów). Czasami zamiast amplitudy używa się pojęcia wartości skutecznej Usk czy też wartości międzyszczytowej Upp.   Wartość skuteczna jest równa Usk=0,707Um, natomiast wartość międzyszczytowa jest równa podwojonej amplitudzie Upp=2Um.

   Przykładem wartości skutecznej sygnału sinusoidalnego może być znana wszystkim wartość 220V napięcia o częstotliwości 50Hz w gnieździe sieciowym, jakie znajduje się w każdym mieszkaniu. Amplituda tego napięcia wynosi 311V, a wartość międzyszczytowa 622V

Szum przedstawiony jest nieodłącznym towarzyszem sygnałów użytecznych i jest czymś niepożądanym w układach elektronicznych, a w szczególności w układach pomiarowych o dużej czułości. Najczęstszym rodzajem szumów jest szum pochodzenia termicznego wytwarzany przez rezystory.

Sygnał prostokątny podobnie jak sygnał sinusoidalny można go opisać dwoma parametrami, czyli amplitudą i częstotliwością, z tą różnicą, że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest równa jej amplitudzie. Często zamiast częstotliwości używa się pojęcia okres T, który jest równy T=1/f.

Sygnał piłokształtny przypomina zęby piły. Jest to sygnał o przebiegu liniowym, czyli takim, w którym napięcie rośnie lub opada ze stałą prędkością do określonej wartości i powtarzany jest okresowo.

ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe to znaczy nie powtarzają się w sposób regularny w czasie. Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsu.

                      Skoki i szpilki są w zasadzie sygnałami, które nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych, nadają się za to znakomicie do ich analizowania i opisu.