4. Vysvětlete mechanismus fotovodivosti. Jak závisí fotovodivost na dopadajícím světelném záření?

Transkript

1 Dioda VA 1. Dvě křemíkové diody se liší pouze plochou PN přechodu. Dioda D1 má plochu přechodu dvakrát větší, než dioda D2. V jakém poměru budou jejich diferenciální odpory, jestliže na obou diodách bude přiloženo stejné napětí v propustném směru. Stručně vysvětlete proč. Proudová hustota na přechodu je ovlivněna použitým materiálem, technologií přechodu a jeho plochou zahrnujeme do konstany I 0, označované jako saturační proud. Při daném napětí lze proud přechodem vyjádřit pomocí Shockleyho rovnice I D = I 0 [exp (U D /U T )-1] - viz skripta str Diodou D 1 s dvojnásobnou plochou bude při stejném napětí protékat dvojnásobný proud oproti diodě D 2, neboť I 01 =2*I 02. Výraz pro diferenciální odpor (r d = U T / I D ) získáme derivací závislosti U D = f (I D ) podle I D. Diferenciální odpor bude tedy u diody D 1 poloviční oproti diodě D Polovodičová dioda je zapojená seriově s rezistorem R = 1k. Tato seriová kombinace je připojena na napětí UN = 3V. Známe Io = 10e-9A /25deg.C. Vypočtěte: a) proud protékající diodou - ID b) napětí na diodě - UD c) dynamický odpor diody - rd d) napětí pro náhradní linearizovaný model. O jakou diodu se pravděpodobně jedná? a) b) Při daném proudu diodou je napětí na diodě určeno velikostí jejího saturačního proudu, který se může měnit v rozsahu několika řádů. Protože závislost U D = f( I D ) je logaritmická stačí v prvním přiblížení pouze řádový odhad proudu protékajícího diodou I D = (U N - U D )/R. Úbytek napětí na diodě může být dle typu diody v rozmezí asi 0,1 1,5 V, jeho velkost však řádovou velikost proudu neovlivní. V prvním kroku tedy můžeme zvolit U D libovolně v uvedeném rozmezí (nejlépe I D = 0,6 V). V dalším kroku je možné obdržet přesnější hodnoty proudu i napětí použitím hodnoty U D získané výpočtem. Poznámka: Typ diody lze odhadnout i z velikosti (řádu) saturačního proudu (I OSi A, I OGe A). c) dosadíme do vztahu r d = U T / I D d) U 0 odvodíme z velikosti U D. 3. Co je to vlastní (intrinzická) koncentrace nosičů v polovodiči? Uveďte závislost na teplotě a šířce zakázaného pásu a orientační hodnoty pro Si a Ge při pokojové teplotě. U čistých (nedotovaných) polovodičů jsou za temna elektrony uvolňovány do vodivostního pásu pouze na základě tepelné generace. Ke každému elektronu ve vodivostním pásu přísluší díra v pásu valenčním. Počet elektronů a děr je tedy stejný. Tento počet vztažený na jednotku objemu označujeme jako intrinzická koncentrace - více než exponenciálně roste s teplotou a exponenciálně klesá se šířkou zakázaného pásu. (viz. skripta str.43-45) 4. Vysvětlete mechanismus fotovodivosti. Jak závisí fotovodivost na dopadajícím světelném záření? Pokud je energie fotonu dopadajícího na povrch polovodiče větší než energie odpovídající šířce zakázaného pásu může dojít ke generaci páru elektron díra. Tak se zvýší koncentrace volných nosičů v polovodiči a tedy i jeho schopnost vést elektrický proud. Koncentrace vygenerovaných nosičů i fotovodivost jsou přímo úměrné intenzitě dopadajícího záření. Pokud je energie fotonu záření výrazně větší než šířka zakázaného pásu zmenšuje se hloubka vniku záření do polovodiče (odpovídá zhruba vlnové délce záření) a tím i účinnost generace. Dioda usm + nasobic 1. a) Co jsou polovodiče nevlastní. b) Proč je používáme. c) Jakým způsobem se vyrábějí? a) Nevlastní polovodiče vznikají zavedením příměsí pětimocných (N) nebo trojmocných (P) atomů do struktury polovodiče. Pětimocné atomy elektrony snadno uvolňují, trojmocné je snadno vážou, takže za

2 běžných teplot je koncentrace takto vzniklých nosičů určena koncentraci příměsí a je v poměrně velkém rozsahu teplot na teplotě nezávislá (viz skripta, str ). b) Interakcí oblastí P a N vzniká polovodičový přechod, který je základním prvkem většiny elektronických součástek. c) Klasická technologie zavádění příměsí je difúze, modernější iontová implantace a depozice z plynné fáze. 2. a) Definujte pohyblivost nosičů. b) Jaký je její rozměr? c) Jak závisí na koncentraci příměsí? a) Rychlost pohybu nosičů elektrického proudu v polovodiči je při malé intenzitě elektrického pole (E < 10 4 V/ m) přímo úměrná intenzitě elektrického pole, které tento pohyb působí. Konstantu úměrnosti označujeme jako pohyblivost nosičů. b) Rozměr musí být m 2 V -1 s 1, po vynásobení V m -1 má výsledek rozměr ms -1. c) Od koncentrace příměsí asi cm 3 výrazně klesá. Při nízkých koncentracích příměsí je na koncentraci příměsí závislá velmi málo ( skripta str ). 3. Dva vzorky stejného polovodiče (Si), jeden typu P a jeden typu N jsou homogenně dotovány příměsemi, tak že platí ND = NA. Který vzorek má větší měrný odpor? Zdůvodněte! Vzhledem k mechanismu pohybu děr je pohyblivost děr vždy menší než pohyblivost elektronů, u Si dokonce velmi výrazně.větší měrný odpor tedy bude mít vzorek s děrovou vodivostí polovodič typu P. 4. a) Nakreslete typickou teplotní závislost koncentrace nosičů (t.j děr i elektronů) pro polovodič typu N s koncentrací příměsí ND >> ni. Rozmezí teplot volte tak, aby se uplatnily příslušné aktivační energie. b) V jakém vztahu k tomuto grafu jsou šířka zakázaného pásu polovodiče, poloha Fermiho hladiny (energie) a aktivační energie příměsí? a) Viz obr na str.41. K aktivaci příměsí dochází již při nízkých teplotách nad teplotou asi 70 K jsou již všechny příměsi aktivovány. Je patrné, že v poměrně velkém rozmezí teplot se koncentrace majoritních nosičů výrazně nemění. V tomto rozsahu teplot lze součástku běžně používat. Při vysokých teplotách se začíná uplatňovat tepelná generace nosičů a koncentrace nosičů elektronů i děr prudce roste, materiál se začne chovat jako polovodič vlastní. b) Šířkou zakázaného pásu je určena teplota, při které se začne uplatňovat tepelná generace nosičů. Poloha Fermiho energie vyjadřuje obsazení energetických stavů ve vodivostním a valenčním pásu. Pokud je koncentrace elektronů a děr stejná (při velmi nízkých a velmi vysokých teplotách) leží Fermiho energie zhruba v polovině zakázaného pásu. V rozmezí teplot, kde je koncentrace nosičů určena koncentrací příměsí se Fermiho energie posunuje směrem k příslušnému pásu k vodivostnímu v případě polovodiče typu N a k valenčnímu u typu P. Aktivační energie příměsí ovlivňuje chování v oblasti velmi nízkých teplot. U běžných příměsí typu P i N nabývá přibližně stejné hodnoty kolem 40 mev (posun od okraje pásu). 5. Jak u polovodičů závisí velikosti Fermiho energie (její poloha oproti okrajům zakázaného pásu) : a) na typu a koncentraci příměsí? b) na teplotě? Viz př. 2b). Dioda - spinač hradlo 1. a) Načrtněte, jak se změní energetický pásový diagram PN přechodu (Si) při přiložení závěrného napětí (3 V). b) Jakým směrem působí závěrné a difúzní napětí na PN přechodu?

3 c) Vyznačte do pásového diagramu velikost difúzního a závěrného napětí. Pásový diagram přechodu PN viz. skripta str. 56, 61, 69. Po přiložení závěrného napětí se energetický rozdíl mezi pásy zvětší, neboť difúzní a závěrné napětí má stejný směr. 2. a) Vysvětlete pojem doba života nosičů. Jakých hodnot nabývá u běžných polovodičů? b) Jak ovlivňuje struktura polovodiče její velikost? c) Které parametry polovodičové diody a bipolárního tranzistoru doba života ovlivňuje? Je to střední doba existence nosičů od generace do okamžiku rekombinace. U běžných polovodičů nabývá hodnoty kolem 10-6 s, u velmi čistých krystalů 10-3 s. b) U polovodičů se strukturními poruchami nebo úmyslně zavedenými rekombinačními centry může klesnout až k 10-9 s. c) U polovodičové diody ovlivňuje rychlost rozepnutí (odstranění náboje akumulovaného v kvazineutrálních oblastech přechodu) a velikost závěrného proud (viz.př.5.). U bipolárního tranzistoru je důležitá rekombinace v bázi při zavedení rekombinačních center se zrychluje rozepnutí ovšem za cenu podstatného zmenšení proudového zesilovacího činitele a zvětšení zbytkových proudů tranzistoru. 3. Na čem závisí saturační proud diody a jak? Závislost je zřejmá ze Shocklyho rovnice (str 62-63). Nejvýznamněji se projevuje závislost na použitém materiálu (n i 2 ) a koncentraci příměsí. Výzmamnou roli hraje také doba života nosičů liší se u diod pro různé oblasi použit viz př.2. Zvýšením koncentrace příměsí lze např. u germaniových diod dosáhnout malých závěrných proudů ovšem za cenu podstatného snížení závěrného napětí. 4. a) Na čem a jak závisí závěrný proud polovodičové diody. b) Jaká je souvislost mezi závěrným a saturačním proudem polovodičové diody? a) Závěrný proud diody je v podstatě určen proudem saturačním. Uplatňuje se však vliv generace, svodových proudů a konečné hodnoty průrazného napětí. Skutečný průběh se tedy přibližuje teoretickému pouze u germaniové diody. b) Viz. př a) Jakými parametry se obvykle liší spínací diody od běžných diod se stejným závěrným napětím a maximálním proudem diody IDmax. b) Vysvětlete. Pro zrychlení rozepnutí jsou do diody zavedeny příměsi (Au) způsobující zrychlení rekombinace. Menší doba života nosičů má však za následek zvýšení saturačního a tím i závěrného proudu (I O ~ tau - 1/2 ) viz str Dioda D1 má koncentraci příměsí ND = 1016cm -3, NA = 1016cm -3, dioda D2 má koncentraci příměsí ND = 1016cm - 3, NA = 1014cm -3. Která z diod bude mít větší průrazné napětí a která větší hodnotu saturačního proudu? Vysvětlete proč. Průrazné napětí závisí na šířce přechodu. Ta bude větší u diody s menší koncentrací příměsí. Saturační proud je nepřímo úměrný koncentraci příměsí opět bude výrazně větší u diodyd2 s menší koncentrací příměsí v oblasti P. Dioda a referenční zdroj 1.a) Vysvětlete pojem "barierová kapacita diody".

4 b) Jak se projevuje u reálných součástek? c) Jak závisí její velikost na konstrukci diody a na provozních podmínkách? 2. a) Vysvětlete pojem "difuzní kapacita diody". b) Na čem závisí difuzní kapacita diody. c) Jak se projevuje u reálných součástek? Vše skripta str Vyjmenujte druhy průrazu PN přechodu v závěrném směru a stručně je definujte. Závisí průrazné napětí na teplotě? Jak? 4. a) Vysvětlete tunelový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jaká je jeho teplotní závislost? 5. a) Vysvětlete lavinový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jaká je jeho teplotní závislost? 6. a) Vysvětlete tepelný průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje? Vše skripta str a)vysvětlete povrchový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se může vyskytnout? Působením nečistot, nebo strukturních poruch se může deformovat průběh elektrického pole na povrchu polovodiče tak, že v určitém místě dojde ke zvýšení proudové hustoty a rozvinutí povrchového průrazu. Tento typ průrazu může nastat především u vysokonapěťových součástek. Při výrobě těchto součástek je tedy nutné použití krystalů s minimálním množstvím poruch. Jejich povrch se ještě "pasivuje" pomocí vrstvy s velmi malou vodivostí (např. amorfní křemík), čímž se dosáhne rovnoměrného rozložení potenciálu na povrchu polovodiče a zamezí se tak nerovnoměrnému rozložení svodových proudů. 8. a) Stručně(!) vysvětlete princip fotodiody. b) V jakých režimech může fotodioda pracovat? Vyznačte příslušný pracovní bod do AV charakteristiky fotodiody. Liší se v obou režimech vlastnosti fotodiody? Jak? a) Pokud nárazem fotonu dojde ke generaci páru elektron díra uvnitř přechodu PN způsobí vnitřní elektrické pole na přechodu (difúzní napětí) pohyb děr do oblasti P a pohyb elektronů do oblasti N. Naprázdno tak na fotodiodě vzniká napětí, úměrné osvětlení, nakrátko protéká proud daný počtem vygenerovaných nosičů. Pokud foton dopadne do oblasti mimo přechod dojde pouze k lokálnímu zvýšení vodivosti příslušné oblasti. b) Dioda může být zapojena v hradlovém režimu (zdroj elektrické energie) nebo v odporovém režimu (rychlý fotodetektor), charakteristiky a podrobnější popis viz. skripta str V zapojení 5.1 je stabilizátor s diodou 2NZ70, která má následující parametry: U Z = 7V, I Zmax = 200mA (bez chlazení), I Zmin = 0,1 I Zmax. Pro jednoduchost uvažujte r Z = 0. Vstupní napětí je U 0 = 50V, deltau 0 = +/- 5V a odpor R S = 200ohmů. a) Určete maximální a minimální hodnotu zátěže (R ZM, R ZL ) a maximální a minimální hodnotu proudu (I ZM, I ZL ), při kterých bude napětí na zátěži stabilizováno na hodnotu 7V. b)určete maximální ztrátový výkon diody a) Při maximální hodnotě odporu zátěže musí být ještě zaručena stabilizační schopnost diody proud diody nesmí poklesnout pod I Zmin. Při minimální hodnotě (R ZL ) nesmí být naopak překročen povolený ztrátový výkon (odpovídá proudu I Zmax ). b) Z proudu diodou při U 0 = (50 + 5)V při minimální zátěži R ZL. Bipol. Tranzistor-Vach +zdroj proudu 1. Uveďte nejdůležitější podmínky pro optimální činnost struktury bipolárního tranzistoru.

5 Šířka báze - mnohem menší než střední difúzní délka nosičů (podmínka tranzistorového jevu). Nosiče injekované z emitoru jsou pak zachyceny přechodem BC. Koncentrace příměsí v emitoru - mnohem větší než v bázi (emitorový proud je tvořen převážně nosiči z emitoru). Kontakt báze - co nejdále od přechodu (zachycení co nejmenšího množství nosičů z emitoru). Plocha kolektoru - co největší (účinné odsávání nosičů přechodem BC v závěrném směru). 2. Dva zcela shodné tranzistory se liší pouze šířkou báze T 1 má šířku báze dvakrát větší. Který z nich bude mít větší proudový zesilovací činitel beta? Stručně vysvětlete proč. Velmi tenká báze je základní podmínkou správné funkce tranzistorové struktury, tranzistor s větší šířkou báze (T 1 ) bude mít podstatně menší proudový zesilovací činitel beta, popř. alfa. 3. a) Stručně vysvětlete Earlyho jev. b) Jak je definováno Earlyho napětí? c) Jak pomocí Earlyho napětí určíme výstupní odpor tranzistoru? a) Při zvýšení napětí U CE dojde k rozšíření přechodu BC a tím i ke zmenšení efektivní šířky báze. Důsledkem je zvětšení proudového zesilovacího činitele tranzistoru (vějířové rozevření výstupních charakteristik) při zvýšení U CE. Earlyho jev je výrazný především u tranzistorů s malým závěrným napětím (viz př.4). b) Viz skripta str.123. c) Viz př Dva jinak shodné tranzistory se liší koncentrací příměsí v kolektoru - T 2 má menší koncentraci příměsí než T 1. Jak se budou lišit jejich výstupní VA charakteristiky? Tranzistor s menší koncentraci příměsí v kolektoru (T 2 ) bude mít větší závěrné napětí, přechod BC bude rozšířen směrem do kolektoru - bude zde větší efektivní šířka báze a menší proudový zesilovací činitel beta. Při zvýšení napětí U CE se přechod BC bude rozšiřovat více do kolektoru, vliv Earlyho jevu bude nevýrazný a beta se bude měnit velmi málo. V případě T 1 bude přechod více rozšířen do báze, bude zde menší efektivní šířka báze, větší hodnota beta i vliv Earlyho jevu vzrůst hodnoty beta při zvýšení U CE (vějířové rozevření charakteristik). 5. Jak určíme dynamický odpor emitoru bipolárního tranzistoru? Jaká je jeho souvislost se vstupním odporem tranzistoru v zapojení SE? Závislost proudu přechodem BE na napětí U EB je exponenciální, dynamický odpor určíme obdobně jako u polovodičové diody r E = U T / I E. Vstupní odpor tranzistoru v zapojení SE je v oblasti nízkých kmitočtů roven diferenciálnímu odporu báze r B = U T / I B, tedy r B = beta r E. 6.Tranzistor je zapojen podle schématu na Obr.2.5.(viz LC 7). Vypočtěte a) pracovní bod tranzistoru, b) napěťové zesílení, c) vstupní a výstupní odpor. Předpokládejte, že v dané pracovní oblasti je proudový zesilovací činitel tranzistoru h 21E = 220 a velikost impedance kapacitorů velmi malá. Earlyho napětí U E = 55 V. a) I B = ( U n U BE ) / R 1, I C = beta I B, U R2 = R 2. I C, U C = U n R 2. I C b) A u = ( R 2 / r E ), r E = U T / I E, I E ~ I C c) R VST ~ h 11E = r B = U T / I B, R VÝST ~ h 22E R 2, kde h 22E = ( U C + U E ) / I B 7. a) Nakreslete úplné schéma jednostupňového zesilovače s bipolárním tranzistorem v zapojení SE. b) Stručně popište postup při volbě pracovního bodu. c) Jaký je vstupní odpor zesilovače?. d) Jaké je jeho proudové a napěťové zesílení? Viz př.6. Bipolarni tranzistor jako zesilovac v zapojeni SB, SC, SE

6 1. Zesilovač s křemíkovým bipolárním tranzistorem je zapojen podle schématu, kde Ucc= 10V, RB=560k, RC= 4k, RE1=330, RE2=1k, h21e= 100. V uvažovaném kmitočtovém rozsahu je impedance kondenzátoru zanedbatelná, výstupní vodivost tranzistoru neuvažujte. Určete: a) pracovní bod tranzistoru. b) vstupní odpor zesilovače c) výstupní odpor zesilovače naprázdno d) napěťové zesílení naprázdno Nakreslete náhradní linearizovaný obvod zesilovače pro malý signál. a) U CC = R B. I B + U BE + (R E1 + R E2 ). I B. h 21E, neboť I E ~ I C = I B. h 21E. Z rovnice pro U cc určíme I B ~ 13uA, dále I C atd. b) Vstupní odpor je v podstatě určen dynamickým odporem (proudem) báze, velikostí R E1 a proudovým zesilovacím činitelem h 21E : R VST = U T / I B + R E1. h 21E ~ 35 k. Vliv odporu R B můžeme tedy zanedbat. c) R VÝST ~ R C. d) A u ~ R C / (r E + R E1 ), kde r E = U T / I E ~ 20 ohmů, potom A u ~ 11. Poznámka: V bodech b) c) d) předpokládáme že se neuplatní vliv odporu R E2. V oblasti velmi nízkých kmitočtů je nutné uvážit i vliv článku (impedance!) R E2 C. 2. Pro zapojení z příkladu 1. odpovězte na následující otázky a své odpovědi stručně zdůvodněte. Jak se změní: a) U C - zmenšíme li odpor R B. b) I C a U CE - při změně hodnoty proudového zesilovacího činitele beta ~ h 21E. c) I C - zmenšíme li U CC a) Zvětší se I B a tedy i proud I C, úbytek napětí na R C se zvětší a napětí U C klesne. b) Pro menší hodnotu beta - I C se zmenší - zmenší se i úbytek napětí na R C a ( R E1 + R E2 ) a U CE vzroste. Napětí U E se zmenší a odporem R B bude protékat větší proud. Pro větší hodnotu beta je vše opačně. c) Zmenší se úbytek napětí na R B a proto i velikost I B, I C se zmenší. 3. Stručně vysvětlete rozdíl volby prac. bodu zesilovače a spínače s bipolárním tranzistorem (obojí v zapojení SE). Nakreslete příklad zapojení. U zesilovače musí být pracovní bod nastaven s ohledem na maximální rozkmit signálu. Nastavení pracovní bodu ovlivňuje parametry NLO, zesílení, šum zesilovače, atd. U spínače jsou pouze dva stavy: Sepnuto tranzistor je obvykle v saturaci, obvodem prochází proud, který je určen odporem (popř.impedancí) zátěže. Rozepnuto - tranzistor je v závěrném režimu, obvodem prochází pouze zbytkový proud, jehož velikost je závislá na teplotě, zapojení obvodu báze, polaritě řídícího napětí v obvodu báze a na napětí U CE ve stavu rozepnuto. 4. Jaký je význam parametru h 21 u bipolárního tranzistoru? Naznačte jak se určí jeho hodnota ze soustavy výstupních charakteristik. Je to proudový zesilovací činitel v zapojení se společným emitorem. Jeho velikost je závislá na typu tranzistoru, teplotě, proudu kolektorem, příp. na kmitočtu. V daném pracovním bodě určíme ze závislosti I C = f(i B ) ve druhém kvadrantu soustavy charakteristik. FET AV char, zesilovač ss

7 1. Tranzistor JFET s kanálem typu N má I DSO = 12mA, Up = - 4V. Hradlo je uzemněno přes odpor R G = 180k, emitor je uzemněn přes odpor R S = 150 ohmů. Předpokládejte, že tranzistor pracuje v oblasti saturace. a) Vypočtěte pracovní bod tranzistoru a strmost tranzistoru v tomto pracovním bodě. b) Navrhněte R D takové, aby tranzistor pracoval v saturaci při napájecím napětí U N = 7V. Odporem R G je zajištěno, že U G = 0. Na odporu R S vzniká úbytek napětí U RS = R S. I D = - U GS. a) U GS určíme z rovnice R S I D = R S.I DSS (1 - U GS / U p ) 2 = - U GS. Řešíme analyticky nebo graficky (- U GS ~ 1V), proud kolektoru I D = I DSS (1 - U GS / U p ) 2 ~ 6,8 ma a strmost, g m = (2I DSS / U P ). (1 - U GS / U p ) ~ 4,5 ms b) Pro saturační režim musí být splněno U DS = U DSSAT > U GS U P = 3 V. Maximální hodnota R D je proto R DMAX = (U DD - U DSSAT - I D R S ) / I D = 430ohmů, z řady 420ohmů. Poznámka: Při přemostění odporu R S kapacitou dosáhneme A U = - g m. R DMAX = - 1,88!!! Zvolíme-li větší odpor R DMAX přejde tranzistor při daném proudu I D do aktivního režimu a strmost se zmenší. Zvolíme-li menší proud, abychom zajistili saturační režim, strmost se rovněž zmenší. Pro velké zesílení je nutné podstatně zvýšit napájecí napětí viz lab.cvič. 9., Zesilovač s tranzistorem n-jfet je zapojen podle obr.3.4. pracovní bod tranzistoru je nastaven do oblasti saturace. Jak se změní napětí U GS, strmost tranzistoru g m, napětí U DS a proud I D, jestliže: a) R S (=R 3 ) se zmenší b) R D se zmenší c) Napájecí napětí U n se zvětší. Odpovědi stručně zdůvodněte. Pokud je pracovní bod tranzistoru nastaven do oblasti saturace chová se tranzistor jako proudový zdroj. Velikostí napětí U GS je určena i hodnota proudu I D a strmost g m (derivace převodní charakteristiky v pracovním bodě). a) U GS se zmenší, neboť se zmenší úbytek napětí na R S (=R 3 ): g m se zvětší, I D se zvětší a U DS se zmenší protože se zvětší úbytek na R D. b) U GS se nezmění, neboť se nezmění úbytek napětí na R S (=R 3 ): g m se nezmění, I D se nezmění, pouze U DS se zvětší, protože na odporu R D bude menší úbytek napětí. c) U GS se nezmění, neboť se nezmění úbytek napětí na R S (=R 3 ): g m se nezmění, I D se nezmění, pouze U DS se zvětší, protože úbytek napětí na R D se nezmění a napájecí napětí vzroste. 3.a) Vysvětlete pojem "tranzistor s indukovaným kanálem". b) Nakreslete zapojení pro nastavení pracovního bodu zesilovače s tímto tranzistorem. Pro vytvoření kanálu je zapotřebí obohatit oblast pod hradlem minoritními nosiči tak, aby vznikla inverzní vrstva propojující oblast S a D. Při zvyšování U GS dojde nejprve k odpuzení majoritních nosičů náboj na hradle bude v rovnováze s ionizovanými atomy příměsí v blízkosti hradla. Při překročení určitého napětí je náboj na hradle takový, že pro jeho kompenzaci musí být k izolaci hradla přitaženy i minoritní nosiče ze substrátu. V tomto okamžiku vzniká inverzní vrstva = kanál = vodivé propojení oblastí S a D. b) V obvodu hradla musí být dělič, kterým se nastaví U GS > U P. 4. Vysvětlete pojem "tranzistor s trvalým kanálem". Nakreslete zapojení pro nastavení pracovního bodu zesilovače s tímto tranzistorem (tř. A). V izolaci hradla se mohou vyskytnout poruchy, které zachycují elektrony v materiálu hradla je zabudovaný náboj. Pokud je náboj zabudovaný v izolaci hradla takový, že jsou pro zajištění nábojové rovnováhy k izolaci hradla přitaženy i minoritní nosiče existuje v tranzistoru vodivý kanál i bez napětí přiloženého na elektrodu G. Napětím U GS můžeme potom vodivost kanálu zvětšovat i zmenšovat. Trvalý kanál může vzniknout a) záměrně pro určitý typ tranzistoru b) při chybě ve výrobním procesu c) při programování pamětí typu EPROM, EEPROM atd. Typické zapojení zesilovače viz obr. 3.4., př.1. a př.1., lab.cvič.9

8 FET zesilovač SG, SD 1. Tranzistor v obvodu podle schématu 3.4. má typické hodnoty I DSS = 12mA, U P = - 4V. Napájecí napětí je U DD = U n = 30 V, velikost R G = R 1 = 2 M Ω. Předpokládejte, že na použitých frekvencích není třeba uvažovat vliv impedance kondenzátorů v obvodu a že se neuplatní parazitní kapacity tranzistoru. a) Dokončete návrh obvodu tak, aby tranzistorem protékal proud I D = I DSS / 2 a napěťové zesílení daného zapojení bylo alespoň A u 8. b) Jakou maximální hodnotu odporu v kolektoru R D můžeme použít, aby tranzistor ještě pracoval v saturaci? Jaké bude v tomto případě napěťové zesílení obvodu? Odporem R 1 je zajištěno, že U G = 0. Na odporu R 3 vzniká úbytek napětí U R3 = R 3.I D = - U GS. a)u GS určíme z rovnice I D = I DSS (1- U GS /U p ) 2 pro I D = I DSS / 2 = 6 ma bude U GS =1,17 V a R 3 = 195 Ω. Napěťové zesílení A U = - g m. R D, g m = (2I DSS /U P ). (1- U GS /U p ) = 4,25 ms. Pro požadované zesílení A u 8. je R D 1,9 kω. b)pro saturační režim musí být splněno U DS = U DSSAT> U GS U P = 2,83 V. Maximální hodnota R D je proto R DMAX = (U DD -U DSSAT -I D R 3 ) / I D = 4,33 kω. Potom A U = - g m. R DMAX = - 18,4 2. Vysvětlete mechanismus průrazu kanálu ( tj. mezi elektrodami D a S ) u tranzistoru FET. O jaký typ průrazu se jedná?. Jaká je jeho teplotní závislost? V oblasti saturace (zaškrcený kanál) jsou nosiče v oblasti zaškrcené části kanálu odsávány pomocí elektrického pole na zaškrcené části kanálu (driftový mechanismus). Při zvýšení napětí se zvětší intenzita elektrického pole a zaškrcená část kanálu se prodlouží. Tím mohou být splněny podmínky pro vznik lavinového průrazu (kladný teplotní součinitel U DSBR ). 3. Nakreslete soustavu převodních a výstupních charakteristik tranzistoru JFET, vyznačte měřítka a hodnoty příslušného parametru. V obou soustavách vyznačte oblasti jednotlivých režimů. Viz skripta str.151, 152 a str Nakreslete soustavu převodních a výstupních charakteristik tranzistoru IGFET s indukovaným kanálem vyznačte měřítka a hodnoty příslušného parametru. V obou soustavách vyznačte oblasti jednotlivých režimů. 5. Nakreslete soustavu převodních a výstupních charakteristik tranzistoru IGFET s trvalým kanálem vyznačte měřítka a hodnoty příslušného parametru. V obou soustavách vyznačte oblasti jednotlivých režimů. Viz skripta str.162 a str a) Načrtněte strukturu tranzistoru IGBT. b) Stručně vysvětlete jeho činnost. c) Ve kterých vlastnostech se odlišuje od tranzistorů IGFET a od bipolárních tranzistorů? a) Viz skripta str b) Je to obdoba struktury VDMOS tranzistoru IGFET, jehož kolektor je oddělený vrstvou P +. Tak vzniká bipolární tranzistor PNP řízený do báze(= kolektor IGFET) původním tranzistorem IGFET. c) od IGFET: Napětí U DSON je dané vlastnostmi BT. Proud do báze se odebírá ze spínaného napětí, k úbytku na přechodu BE tranzistoru PNP se ještě přičte úbytek na řídícím tranzistoru IGFET. Napětí U DSON bude tedy poměrně velké i pro malé spínané proudy. Pro standardní tranzistory IGBT je U DSON menší než 2 V a na rozdíl od IGFET roste pouze nepatrně v oblastech velkých proudů (vliv BT). Menší rychlost rozepnutí daná vypínáním struktury BT - lze zrychlit pomocí rekombinačních příměsí ovšem za cenu zvýšení napětí U DSON. od BT: Není zapotřebí trvalý proud báze (při srovnatelných proudech I C je potřebné I B 1 A). Je naopak zapotřebí proudový impuls (I GS >> 100 ma) k nabití i vybití (!) kapacity C GS, popř. C DG Dosahuje se větších závěrných napětí a menší tepelné závislosti parametrů. Tranzistor jako spinač 1. Tranzistorový spínač v zapojení SE má řídící signál u B =+5V (sepnuto) a u B =0V (rozepnuto). Báze je připojena přes rezistor R B =5600 Ω, odpor zátěže (R Z ) je 400Ω. Napětí na zátěži v případě sepnutí tranzistoru má být U Z = 15 V. a) Nakreslete schéma zapojení.

9 b) Zvolte potřebné napájecí napětí U N a určete požadované parametry spínacího tranzistoru : I Cmax, U CEBr, h 21Emin, P Cmin. c) Stanovte proudy a napětí v obvodu ve stavu zapnuto a vypnuto. Pro výpočet předpokládejte: U BE 0,6V, U CES< 1V. a. Viz. schéma 2.8. b. U N = U Z = 15 V, U CEBr > 15 V, I Cmax > I C = (U N - U CES )/R Z, I B = (u B - U BE ) / R B, h 21Emin > Βετα; = I C /I B, P Cmin = U CES. I C c. ZAPNUTO : I C = ( U N - U CES )/R Z, I B = (u B - U BE ) /R B, U CE = U CES, U BE 0,6V. VYPNUTO : U BE 0, I B 0, I C = I CB0, U CE = U N. 2. Nakreslete a) průběhy u BE a i B, b) průběhy i C a u CE jestliže je na vstup spínače podle př.1 připojen obdélníkový signál (f= 500 Hz) s amplitudou u VST = +/- 1V nebo u VST = +/- 5V. Do grafů vyznačte, kdy ve kterém režimu tranzistor pracuje. V uvažované pracovní oblasti je proudový zesilovací činitel tranzistoru h 21E = 100. a. u VST kladné: u BE = U BE 0,6V, i B = (u B - U BE ) /R B, u VST záporné: u BE = u VST, I B 0 b) i B = (u B - U BE ) /R B, potom i C = Βετα;. i B a u CE = U N - i C R Z - pro u VST = +1 V (aktivní režim), nebo i C = ( U N - U CES )/R Z a u CE = U CES pro u VST = +5 V ( saturace) 3. Tranzistor KFY34 / NPN, h 21E = 35 až 125, U CB0 = 70V U CER = 50V, I Cmax = 500 ma, U CES < 1,5V P C = 800mW (bez přídavného chlazení)/ má spínat zátěž s jmenovitým napájecím napětím 24V a odporem vinutí R S = 60 Ω :. a) navrhněte schéma zapojení spínače. b) určete velikost I B pro sepnutí zátěže. c) určete velikost proudů a napětí v obvo du I B = f(t), I C = f(t), U BE = f(t) a U CE = f(t) při sepnutí a rozepnutí spínače a nakreslete je do grafu. d) rozhodněte, zda je nutné použít přídavné chlazení tranzistoru. Viz př. 1. a př Dva tranzistory se stejnými geometrickými rozměry jsou určeny pro různou oblast použití. T 1 je běžný křemíkový tranzistor, T 2 je velmi rychlý spínací tranzistor. Který z tranzistorů bude mít obvykle větší proudový zesilovací činitel. Zdůvodněte. U spínacích tranzistorů se zrychlení rozepnutí dosahuje pomocí rekombinace nadbytečných nosičů především v oblasti báze (příměsi, které se projevují jako rekombinační centra). Nosiče, které rekombinují v bázi, nemohou být odsáty kolektorovým přechodem - I C bude u spínacích tranzistorů při stejné velikosti I E popř. I B menší. Proudový zesilovací činitel bude tedy větší u běžného tranzistoru. 5. Je průrazné napětí bipolárního tranzistoru v závěrném režimu v zapojení SE závislé na obvodovém zapojení tranzistoru? Jestliže ano uveďte jak a zdůvodněte. Ano. Zbytkový prou d přechodu CB (I CB0 ) může protékat bází do emitoru- zvětší se potenciál přechodu BE, zvětší se proud přechodu BE (emise) a následně se zvětší proud kolektoru. Při větším proudu kolektoru se zvýší pravděpodobnost lavinového průrazu přechodu CB. Pro dosažení velkého závěrného napětí je tedy třeba potlačit vliv zbytkového proudu přechodu CB: a) pomocí odporu R < 100Ω mezi B a E. b) zkratováním přechodu BE - např. vinutím budícícho transformátoru. c) přivedením záporného (NPN tranzistor) napětí na bázi. Viz stripta str ) a) Nakreslete Ebersův- Mollův model bipolárního tranzistoru. b) zdůvodněte funkci jednotlivých prvků v modelu c) uveďte rovnice popisující model a vysvětlete význam jednotlivých veličin. Viz skripta str OPTRON a TYRISTOR Z LABORATORNICH CVICENI A ZE STřEDNí