ELEKTRICKÉ OBVODY II

Transkript

1 Vysoká škola báňská Tchnická nivzita Ostava LKTKÉ OVOY Jitka Mohylová Josf nčochář Ostava 006

2 cnz: oc. ng. Lnka Lhotská, c. Názv: lktické obvody to: Mohylová J., nčochář J. Vydání: pvní, 006 očt stan: 63 Náklad: xx Vydavatl a tisk: diční střdisko VŠ TO tdijní matiály po stdijní obo iomdicínská tchnika, F VŠ-T Ostava Jazyková kokta: nbyla povdna. čno po pojkt: Opační pogam ozvoj lidských zdojů Číslo: Z.O4.0.3/3..5./036 alizac: VŠ Tchnická nivzita Ostava ojkt j spolfinancován z postřdků F a státního ozpočt Č Mohylová J., nčochář J. VŠ Tchnická nivzita Ostava N xxxx

3 Obsah nalýza obvodů s nlináními odpoovými pvky finic základních pojmů nalýza nlináních obvodů poximac nlináních chaaktistik Gafické řšní nlináních obvodů... OLOVOČOVÉ OY olovodičové matiály řchod -N (dioda) řchod -N bz vnějšího napětí..... řchod -N polaizovaný v popstném smě řchod -N polaizovaný v závěném smě mpévoltová chaaktistika přchod -N (diody) ifnční vodivost (odpo) diody v popstném a závěném smě, směňovací jv Lavinový jv, Znův jv Fotodioda (fotojv) hy diod TNZTOY ipolání tanzistoy Tanzistoový jv opis a modl tanzisto (stjnosměný) hování tanzisto při malých (signálových) změnách b, i b, i signálový modl tanzisto Tanzisto N a spolčný signálový modl po N a NN Mzní paamty bipoláních tanzistoů... 50

4 3.3 Nastavní pacovního bod tanzisto (pincip) Základní zapojní s jdním bipoláním tanzistom Zapojní s xtním mitoovým odpom Zsílní v zapojní jako fnkc napájcího napětí Zapojní s spolčným kolktom mitoový sldovač Vliv výstpního odpo zdoj signál v zapojní Zsílní v zapojní jako fnkc napájcího napětí Zapojní s spolčno bází NOLÁNÍ TNZTO TNZTO ŘÍZNÝ LKTKÝM OLM (FT FL FFT TNZTO) Úvod Konstkc a pincip činnosti tanzistoů JFT hování tanzisto při hování tanzisto při G hování tanzisto při G 0 a Konstkc a pincip činnosti tanzistoů s indkovaným Konstkc a pincip tanzisto s zabdovaným kanálm mpévoltové chaaktistiky nipoláních tanzistoů hování tanzistoů FT po malé signálové změny, signálový Mzní paamty nipoláních tanzistoů Nastavní pacovního bod nipoláních tanzistoů Nastavní pacovního bod JFTů Nastavní pacovního bod tanzisto MOFT (s zabdovaným kanálm) Nastavní pacovního bod tanzisto MOFT (s indkovaným kanálm) Nastavní pacovního bod sldovač napětí Základní zapojní s FTy Zapojní Zapojní s zdoji pod... 07

5 4..3 Zapojní s spolčným hadlm Zapojní s spolčným vývodm ( sldovač) VLV ZTNÍH KT OLÁNÍHO TNZTO Vliv kapacity v zapojní Vliv kapacity v zapojní Vliv kapacity v zapojní HNTÍ ZÁKLNÍH VLTNOTÍ ZOJNÍ TNZTOM. 6. hntí základních vlastností zapojní s jdním bipoláním tanzistom hntí základních vlastností zapojní s nipoláním tanzistom VLV VZNÍH KT Vliv blokovací kapacity mitoového odpo OČNÍ ZLOVČ nvtjící zsilovač s idálním opačním zsilovačm (OZ) Ninvtjící zsilovač s OZ ZĚTNÁ VZ Vliv zpětné vazby na fkvnční vlastnosti přnos Honí kmitočt přnos ˆ a olní kmitočt přnos ˆ a OLÁTOY Hamonické (sinsové) oscilátoy Oscilátoy s indkční vazbo Tří bodové zapojní oscilátoů L Oscilátoy Osciláto s Winovým člnm Osciláto s přmostěným článkm T... 45

6 0..3 Osciláto s fázovým posnm 80 (π) v zpětnovazbní smyčc Tanzistoové vz oscilátoů GNÁTOY OÉLNÍKOVÉHO LOVÉHO NĚTÍ chmittův klopný obvod (KO) nvtjící vaianta chmittova klopného obvod Ninvtjící vaianta chmittova klopného obvod Tanzistoová vz chmittova klopného obvod stabilní klopný obvod KO stabilní klopný obvod s opačním zsilovačm stabilní klopný obvod s tanzistoy Gnáto pilového napětí... 6 LTT... 63

7 nalýza obvodů s nlináními pvky nalýza obvodů s nlináními odpoovými pvky V přdmět lktické obvody jsm s zabývali lináními obvody a jjich řšním. Zopakjm tdy, ž linání obvod obsahj poz linání pvky. Linání odpoový pvk j takový pvk, jhož paamty odpo a vodivost G jso konstantní, nzávislé na vlikosti působících napětí a podů. V chaaktistika lináního pvk j přímka pocházjící počátkm. ) řipomňm, ž v lináním obvodě platí pincip sppozic. okd obvod obsahj alspoň jdn pvk s nlinání V chaaktistiko viz ob.., j clý obvod nlinání. V nlináních obvodch nplatí pincip sppozic! i i i i a) typ N b) typ c) nlinání d) nlinání nsoměná soměná Ob..: Základní typy nlináních V chaaktistik. finic základních pojmů nlináních obvodů dfinjm pojmy: pacovní bod, pacovní úsk V chaaktistiky, statický odpo (statická vodivost G ) a difnciální (dynamický) odpo d (difnciální vodivost G d ) acovní bod: znám-li V chaaktistik, můžm k každé hodnotě obvodové vličiny čit odpovídající hodnot dhé vličiny této dvojici bodů říkám pacovní bod [, ] viz ob... i Ob..: finic pacovního bod ) o indkčnosti a kapacity s poszjí jiné chaaktistiky: Wb, V. 7

8 nalýza obvodů s nlináními pvky acovní úsk V chaaktistiky: dfinjm jako oblast mzi body viz ob..3 i i (t) Ob..3: finic pacovního úsk V chaaktistiky t tatický odpo: j dfinován jako pomě pacovního napětí k pacovním pod viz ob..4. Jho vlikost však nní obcně konstantní po každý bod chaaktistiky j ůzný (po linání pvk s měnit nbd).hodnota statického odpo j vždy kladná. i sp. G i 0 α α i Ob..4: finic statického odpo nlináního pvk kd tgα k tgα m O m m j měřítko napětí (např. m j měřítko pod (např. V cm ) cm ) α j úhl, ktý svíá spojnic bod s počátkm k m m dfinj pomě zvolných měřítk v gaf m O m 8

9 nalýza obvodů s nlináními pvky omocí těchto paamtů můžm vyjádřit i hodnot ztátového výkon (v bodě ): m O m O m m O O Tnto výkon j úměný vyznačné ploš viz např. pacovní bod, o sořadnicích, ob... tčna i i β -β 0 Ob..5: finic difnciálního odpo nlináního pvk ynamický odpo: j závislý na poloz klidového pacovního bod a j čný sklonm tčny k chaaktistic v daném bodě. V klsající části V chaaktistiky j záponý, v stopající části j kladný ob..5. kd d k tgβ i β úhl, ktý svíá směnic tčny k chaaktistic v daném bodě. nalýza nlináních obvodů nalýza nlináních obvodů přdstavj složitější poblém nž analýza lináních obvodů. V nlináních obvodch nplatí pincip sppozic, platí zd Kichhoffovy zákony (KZ), kté spol s popism nlináních pvků možňjí popsat každý nlinání obvod sostavo nlináních algbaických nbo tanscndntních ovnic. Tva těchto ovnic závisí přdvším na způsob popis V chaaktistik nlináního pvk, ktý můž být dán bď analytickým výazm nbo gafm či tablko naměřných hodnot. Mtody analýzy nlináních obvodů můžm ozdělit do tří základních skpin: mtody analytické, gafické a nmické. Každá z vdných mtod má své výhody a nvýhody. Hlavní výhodo analytických mtod j možnost získání obcných výsldků. 9

10 nalýza obvodů s nlináními pvky Nvýhodo j omzní jjich požití poz na případy, v nichž jso algbaické a tanscndntní ovnic analyticky řšitlné. Gafické mtody jso výhodné po svo názonost a po přímé zpacování gaficky zadaných nbo naměřných chaaktistik sktčných nlináních pvků. Nvýhodo j jjich omzná přsnost daná kvalito gafických konstkcí a nmožnost získání obcných výsldků. Nmické mtody vyžívají výpočtní tchniky a jjího pogamového vybavní. Tyto mtody dosahjí vysoké přsnosti výsldků analýzy, al opět ndávají obcné výsldky, každá změna msí být řšna samostatně..3 poximac nlináních chaaktistik V chaaktistiky sktčných nlináních pvků jso zpavidla dány gafm nbo tablko naměřných hodnot. ři požití analytických a nmických mtod potřbjm vyjádřit tyto chaaktistiky nbo jjich části v fomě analytických výazů. Njobvykljší postp při získávání apoximačních analytických výazů j, ž změřno V chaaktistik nahadím vhodným matmatickým modlm spol s čním všch jho paamtů. Základní matmatické apoximac nlináních chaaktistik jso: a) Linaizac: Náhado V chaaktistiky nlináního zisto přímko pocházjící počátkm sořadné sostavy linaizjm pvk v clé pacovní oblasti. Můžm požít všch pincipů a mtod analýzy a syntézy lináních obvodů. J zřjmé, ž tato linaizac nb do úvahy nlinání vlastnost pvk a hodí s poz po přibližné řšní obvodů s npodstatnými nlinaitami. Vhodnější apoximací nlinání chaaktistiky j linaizac v čité pacovní oblasti popř. v pacovním bodě viz ob.. 6. i i L i i L Ob..6: Linaizac chaaktistiky v pacovní oblasti poximační přímk lz popsat ovnicí (směnicový tva přímky) 0

11 nalýza obvodů s nlináními pvky + i nbo i + G L d kd L a L jso sořadnic půsčíků apoximační přímky s sořadnicovými osami L d d G odpovídá směnici této přímky d L L j to jn spciální případ obcného vztah d i i i řibližno náhado nlináního zisto v važované pacovní oblasti j potom séiové zapojní lináního zisto d a napěťového zdoj L nbo paallní zapojní lináního zisto o vodivosti G d a zdoj pod L viz ob..7. J-li pacovní oblastí jn malá část V chaaktistiky, můžm ji s dostatčno přsností nahadit (sčno) tčno v pacovním bodě, pak paamty d a G d přdstavjí difnciální odpo a vodivost v važované pacovní oblasti. i i i n L G d L d Ob..7: Náhadní zapojní nlináního zisto při linaizaci v pacovní oblasti Hlavní výhodo linaizac j jdnodchost požitého modl. Modl obsahj poz aktivní a pasivní linání pvky a tdíž můžm vyžít všch mtod analýzy lináních obvodů. J požitlný poz tam, kd j nlinaita nfnkční vlastností obvod nvyžívá s. V závislosti na tva V chaaktistiky můžm někdy požít tzv. linaizac po úscích. V chaaktistik ozdělím v tomto případě do několika oblastí a v každé z nich ji nahadím vhodno úsčko (např. V chaaktistika diody). Náhadní chaaktistiko j pak lomná čáa složná z přímkových úsků. J zřjmé, ž přsnost apoximac ost s počtm úsků. ost al i složitost počtních úkonů při řšní ovnic, ktá spočívá hlavně v stanovní hanic platnosti jdnotlivých úsků. Tnto způsob linaizac lz požít i po fnkční nlinaity. b) poximac mocninnými fnkcmi Tato apoximac vyžívá obcno mocnin v tva b y ax ax m n

12 nalýza obvodů s nlináními pvky kd m, n jso clá čísla. vdná fnkc má poz dva nznámé koficinty, takž stačí znalost dvo bodů po jjich ční pomocí intpolační mtody (např. pod vakovo diodo v oblasti postoového náboj vyjádřím vztahm i a 3 ). c) poximac xponnciálními polynomy: xponnciální polynom y a 0 b x bx + a + a + L + a n bn x n k 0 a k bk x j vhodný v řadě paktických případů. Zpavidla vystačím s dvěma nbo třmi člny polynom (např. V chaaktistika polovodičové diody má tva i ( T ) 0 d) poximac tanscndntními fnkcmi: Někté typy nlináních chaaktistik lz apoximovat ůznými tanscndntními fnkcmi obsahjící někté konstanty jako paamty, např. y a actgbx, y a sinhbx, y a tghbx.4 Gafické řšní nlináních obvodů Jdnodché odpoové obvody moho být gaficky analyzovány mtodo postpného zjdnodšování stjně jako linání obvody. Místo výpočtů náhadních odpoů po séiové a paalní zapojní zistoů msím postpně sčítat (sstojovat) jdnotlivé V chaaktistiky dokd ndostanm výsldno V chaaktistik. a) Řšní séiového řazní sočástk n Výsldným řšním j zkonstování výsldné V- chaaktistiky séiově řazných sočástk. o jdnoho obázk nakslím obě dvě chaaktistiky. Řším například séiovo kombinaci lináního odpo a nlináního odpo n tj. opakovaně sčítám sořadnic napětí při zvolných podch aplikac. KZ po zvolné hodnoty séiového pod, tdy pod stjného po oba odpoy (znak séiovosti) ob..8.

13 nalýza obvodů s nlináními pvky latí: + +, atd. n n i n výsldná + + n n Ob..8: Mtoda postpného zjdnodšování chaaktistik po séiové řazní sočástk b) Řšní paallního řazní sočástk n Řšním j opět zkonstování výsldné V chaaktistiky paallních sočástk. Njpv nakslím do obázk V- chaaktistiky obo zistoů. otož v paallním obvodě j na obo sočástkách stjné napětí, získám body výsldné V chaaktistiky sočtm podů obo zistoů při zvolném napětí aplikac. KZ po zvolné hodnoty stjného "paallního" napětí (stjné napětí znak paallnosti) ob..9. latí: + + n n i výsldná + n n + n Ob..9: Mtoda postpného zjdnodšování chaaktistik po paallní řazní sočástk 3

14 nalýza obvodů s nlináními pvky c) ční pacovního bod nlinání sočástky gaficko-počtní mtodo Nlinání obvody obsahjící poz jdn nlinání zisto lz vždy zjdnodšit požitím Thévninovy věty na obvod obsahjící poz jdn napěťový zdoj 0, linání zisto i a daný nlinání pvk např. n viz ob..0. Volbo statického (klidového) pacovního bod volím i čité pacovní podmínky činnosti sočástky. acovní bod j čn stjnosměným pacovním napětím a pocházjícím stjnosměným podm. Nastavit požadovaný pacovní bod znamná přivést do (na) sočástky() odpovídající vličiny z napájcího zdoj. i 0 n Ob..0: Náhadní zapojní obvod s jdním nlináním zistom acovní bod čím pomocí zatěžovací přímky. Ta popisj všchny možné dvojic, linátní části obvod a lz poto čit z dvo bodů. Zatěžovací přímk čím njsnadněji z stav (dva výhodně vybané body přímky): napázdno: (odpo n j odpojn, pod pocházjící obvodm 0) na výstp obvod j napětí 0 nakátko: (odpo n j zkatován) pod pocházjící obvodm j nyní nbo 0 K i i 0 K V půsčík zatěžovací přímky a nlinání V chaaktistiky j pacovní bod, ktý sočasně vyhovj linání části obvod (zatěžovací přímc) i nlináním pvk ob... i K V chaaktistika nlináního pvk zatěžovací přímka 0 0 Ob..: ční pacovního bod nlinání sočástky 4

15 nalýza obvodů s nlináními pvky - Ztátový výkon, ktý dodává do obvod napájcí zdoj po bod j 0. Gaficky s tnto výkon ovná ploš obdélník 0, 0,,. - Výkon nlinání sočástky n s ovná sočin. Gaficky j tnto výkon ovn ploš obdélník 0,,,. - Ztátový výkon zisto i s ovná sočin ( 0 ) plocho obdélník, 0,,. Gaficky j dán říklad.. tabilizáto stjnosměného napětí j napájn stjnosměným napětím 0 V. zistoy a Z mají hodnot 500 Ω. čt pacovní bod stabilizační diody. tanovt výkon ozptýlný diodo. V chaaktistika diody j dána tablko. V chaaktistika Znovy diody (m) (V) -4,5-5,30-5,65-5,95-6,5-6,30 Z Z Řšní: Linání část obvod nahadím pomocí Thévninovy věty 0, i. Nakslím V chaaktistik stabilizační (Znovy) diody. Z stav napázdno a nakátko čím zatěžovací přímk pacovní bod, ztátový výkon diody Z. i 0 Z 0 V + Z 0 Z K i 0 K + Z Z 50 Ω napázdno: V bod nakátko: bod K 0 i, (V) (m) [-5,8 V; -4,8 m] Z 85,84 mw 5

16 říklad.. nalýza obvodů s nlináními pvky Nalznět pacovní bod nlináního pvk a stanovt jho ztátový výkon. Linaizjt v pacovním bodě nlinání pvk a čt paamty náhadního zapojní. (Řšt pomocí pincip sppozic a Thévninovo (Notonovo) věto). Řšní:,4 0 4, V Ω Ω 3 Ω 4 Ω 5 Ω a) Njpv nahadím linání část obvod pomocí Thévninovy (nbo Notonovy) věty náhadním napěťovým zdojm 0 a k něm do séi řazným odpom i. vky náhadního obvod bdm řšit pincipm sppozic. (Tyto pvky můžm čit také mtodo smyčkových podů, zlových napětí). N ční 0 : (vnitřní odpo zdoj pod j ) V (vnitřní odpo zdoj napětí j ) V V 0 ční i : 4 i i ( + ) 4 0, 4 Ω

17 nalýza obvodů s nlináními pvky b) Z stav napázdno a nakátko v náhadním schémat čím zatěžovací přímk a pacovní bod. napázdno: V bod nakátko: 0 0 3,5 bod K i c) V půsčík zatěžovací přímky a V chaaktistiky nlináního pvk získám pacovní bod. Odčtním hodnot a získám ztátový výkon nlináního pvk N. (V) Výkon nlináního pvk N : L 3 4 tčna () N,75,5 4,375 W d) Linaizac tčna v pacovním bodě nlinání odpo N nahadím lináním modlm séiovým zapojním difnčního odpo d a napěťovým zdojm L i i 0 N N 0 N N d L 3, d Ω L odčtno z gaf -V, N ( ) 5 +,4 0 L d + i,75 N d N + L ( ),5 V,75 + Výkon nlináního pvk N : N N,75,5 4,375 W 7

18 nalýza obvodů s nlináními pvky říklad.3. čt pod pocházjící nlináním pvkm, jso-li zadány hodnoty: 4 V, 30 V, 5 Ω, 0 Ω. Nlinání pvk j zadán V chaaktistiko (linání část řšt analyticky pomocí KZ a pomocí Thévninovy věty). V chaaktistika nlináního odpo N : (V) (m) N Řšní: V cha. nlináního odpo apoximjm vhodno křivko paabolo: k (msí platit, ž obě křivky msí pocházt dvěma spolčnými body počátkm sořadnicového hod a dalším bodm např. viz obázk). a) Z obázk čím konstant k: 60 k V/ 5,5 omocí Kichhofových zákonů napíšm ovnic: () k + k (V) z ovnic vyjádřím pody a, hodnoty dosadím do vztah () [5,5; 60] () 3,6, 3,6, 0,46 Thévninova věta: Njpv nahadím linání část obvod pomocí Thévninovy (nbo Notonovy) věty náhadním napěťovým zdojm 0 a k něm do séi řazným odpom i. Z stav napázdno a nakátko v náhadním schémat čím zatěžovací přímk a pacovní bod. i 38 V, 3, 3 Ω 0 i 0 N k k + i 0 0 3,66 8

19 olovodičové diody olovodičové diody. olovodičové matiály odl lktických vlastností dělím látky do tří skpin Vodič olovodič zolanty Njběžněji požívaným polovodičovým matiálm v sodobé lktonic j křmík (i, dřív gmanim G) Vlastní (intinsický) polovodič nobsahj příměsi, počt volných lktonů a dě ( pázdné místo po lktonch) j stjný (vlastní koncntac n i ) Nvlastní polovodič (xtinsický) j dotován ( znčištěn ) tak, ž při pokojové tplotě přvažj počt: lktonů polovodič typ N dotac asnm, fosfom ( daný lkton dono) dě polovodič typ dotac bóm, indim ( přijímají akcptjí lktony akcpto) Základní ovnic: n p n i Jstliž koncntac dě (p) ost, potom koncntac lktonů (n) úměně ovnici klsá a naopak. Kovové vodič: odpo ost s ůstm tploty (tplm ozkmitané atomy klado lktonům větší odpo). olovodič: odpo klsá s ůstm tploty (tplm s volňjí další volné nosič lktony nbo díy podl typ vodivosti). olovodič můž být v pvním přiblížní dfinován jako matiál, jhož lktické vlastnosti lží mzi vlastnostmi kovů (dobř vdo pod) a izolantů (nvdo pod). Křmík (čtvtý slopc piodické sostavy pvků, čtyři volné lktony) tvoří diamantovo kystalovo stkt. Všchny lktony (valnční) jso v ní poměně silně vázány. oto za nomálních poměů vůbc nvd pod (nižší tploty). ři zvětšování tploty (dodávání tplné ngi) s někté lktony z vazby volní, vodivost křmík ost (klsá spcifický odpo). Tto vodivost označjm jako vlastní. lktony přcházjí do tzv. vodivostního pás zůstává po nich stjný počt dě pázdná místa vakanc. Vodivost vlastního polovodič lz zvětšit přidáním (dotací) atomů pvků (příměsí) z 3. slopc piodické sostavy pvků (bó, indim) nbo z 5. slopc piodické sostavy (fosfo, asn). vky třtího slopc moho zapojit do kystalové vazby s křmíkm poz tři valnční lktony. V vazbní stktř jdn lkton chybí vzniká kladná día matiál typ (pozitiv). vky z pátého slopc zapojí do vazby s křmíkm čtyři lktony, al jdn lkton stál přbývá. Tnto přbytčný lkton lz poměně snadno (dodáním vhodné ngi 9

20 olovodičové diody tplné zářní, l. pol) volnit a tím zvýšit vodivost (zmnšit odpo) j záponý (ngativ) - matiál typ N. Vdní pod v dotovaných (xtinsických) polovodičích pobíhá dvěma způsoby. ohyb dě ) nbo volných lktonů vyvolaný lktickým polm (tdy napětím přiložným na polovodič) s nazývá dift. ohyb částic z oblasti s vysoko koncntací do oblastí s nízko koncntací s nazývá difúz (Fickův zákon [9]). V oblasti tplot 50 až 500 K j vodivost dotovaných polovodičů (nvlastních) čována dominantně koncntací příměsí. ávě sosdství nvlastního polovodič typ a typ N vytváří přchod -N, ktý j pincipiálně důlžitý např. po diody, bipolání tanzistoy (JT) a nipolání tanzistoy s přchodm (JFTy). o tploty nad 500 K s začíná platňovat (dominj) vodivost vlastní. řchod -N j vlastně zšn. ochází k tplném přtížní sočástk. Tato oblast tplot j v aplikacích zakázána. oto s msím při všch aplikacích polovodičových sočástk postaat o to, aby nbyly tplně přtížny (volit vhodné typy podl ztátového výkon, chladit).. řchod -N (dioda) řchod j vytvořn v kystal vlastního polovodič (i, G) tak, ž vhodnými dotacmi s vytvoří oblast a oblast N, kté spol sosdí ob...a) Konvnčně dohodntý smě pod (pohyb kladného náboj histoická konvnc) j shodný s šipko v symbol diody ob...b) řchod j polaizován v popstném smě, jstliž na polovodiči typ (anoda) j kladné napětí a na polovodiči typ N (katoda) j záponé napětí (názvy anoda a katoda jso přvzaty z lktonk). J-li přchod -N bz vnějšího napětí nbo polaizován v záponém smě, vzniká oblast bz náboj (volného), ktá s nazývá ochzná vstva (dpltion lay) a ta vlastně tvoří přchod -N. Ochzná vstva vytváří kapacit. Šířka ochzné vstvy s zvětšj s ůstm napětí v závěném smě. oto kapacita přchod s ůstm napětí v závěném smě klsá. Ohmické kontakty a odpo matiál anody a katody vytváří álné odpoy řád jdnotk ohmů a limitjí tak maximální pod diody v popstném smě. Fnkci přchod -N můžm objasnit z fakt, ž v oblasti j vlký nadbytk dě ( ndostatk volných lktonů díky dotaci akcptom) a v oblasti N j vlký nadbytk ) ) ía s pohybj tak, ž j obsazna lktonm volněným z stkty. o tom zas zůstává día tím s día přsová 0

21 olovodičové diody volných lktonů (díky dotaci dono). V oblasti jso hlavními (majoitními) nosiči náboj díy a mnšinovými nosiči (minoitními) lktony. V oblasti N jso majoitními nosiči lktony a minoitními díy. ohmický kontakt N ohmický kontakt a) díy minoitní lktony lktony minoitní díy K b) c) Ob..: a) incipiální zobazní spořádání přchod -N b) symbol diody s vyznačním anody () a katody (K) c) zvolná konvnc po napětí a pod diody [ > 0, > 0 popstný smě; < 0, < 0 závěný smě, vlmi malá hodnota]... řchod -N bz vnějšího napětí řdpokládjm njdřív, ž na přchod -N nní přiložno napětí ob... íky vlkém ozdíl v koncntacích dě (p) a lktonů (n) dochází k difúzi (pohyb) dě z do N a také k difúzi (pohyb) lktonů z N do (difúzní pody). V oblasti přchod (mtalgického) vznikn nábojová dvojvstva (stjný náboj opačné polaity) s vysoko intnzito lktického pol (od kladného náboj k záponém náboji). Tato intnzita (diftový účink) působí poti difúzi ( F q - viz olombův zákon). Když s diftové síly (pody) a difúzní síly (pody) vyovnají, j přchod v ovnováz, npotéká jím pod. vnitř dvojvstvy njso žádné volné náboj (poto ochzná) a jjí šířka s nastaví tak, aby pávě nastala ovnováha. Náboj odčpaný z oblasti odpovídá šířc ochzné oblasti v N x N a hstotě náboj v N (dáno koncntací donoů v N označj s N ). Náboj odčpaný z oblasti odpovídá

22 olovodičové diody šířc ochzné oblasti v - x a hstotě náboj v (dáno koncntací akcptoů v označj s N ). otož si msí být náboj dvojvstvy ovny, platí x N x N (.) N mtalgický přchod N difúz lktonů X X N difúz dě Ob..: Kvalitativní zobazní poměů v přchod -N bz vnějšího napětí ři stjné koncntaci příměsí (dotaci) tdy platí N N a také x N x.ři ozdílných dotacích v a N zasahj ochcná vstva hloběji do oblasti s nižší dotací. Například po N (oblast N dotována méně) čím, ž N N N x N x N N x Ochzná vstva zasahj hloběji do oblasti N. Napětí na ochzné vstvě ( ovnováha ) s nazývá difúzní napětí F a platí [5], ž k T N N ln F (.) ni kd k, J K - j oltzmanova konstanta T absoltní tplota [K], j náboj lkton Toto napětí ovšm voltmtm nnaměřím. Na vnějších svokách (, K) j v ovnovážném stav nlové napětí (vliv zbývajících nábojů, kté njso vázány v dvojvstvě). Šířka ochzné vstvy j dána vztahm d x + x K (.3) N F po tzv. stmý přchod (slitinové tchnologi) nbo d x 3 + xn K F (.4) po tzv. pozvolný přchod (difúzní tchnologi), K j konstanta závislá na konstkci diody (přchod).

23 olovodičové diody.. řchod -N polaizovaný v popstném smě olaizjm nyní -N přchod v popstném smě ob..3 xtním zdojm napětí 0 (viz i ob...c). íy z oblasti s pohybjí (diftjí) do oblasti N a lktony z oblasti N s pohybjí (diftjí) do oblasti. ifúzní napětí F bylo přkonáno xtním napětím 0. N K (+) i i (-) + > 0 Ob..3: Kvalitativní zobazní poměů v přchod -N v popstném smě Všimněm si, ž na ob..3 jso označny někté díy a lktony indxm i. V oblasti j i několik (málo) intisických lktonů a v oblasti N j několik (málo) intisických dě. Za nomálních poměů j pod vyvolaný (málo) intisickými nosiči v popstném smě pakticky zandbatlný. Ovšm při přhřátí stkty jjich počt pdc ost, můž dojít k zniční přchod...3 řchod -N polaizovaný v závěném smě xtní napětí s přičítá (spponj) k difúzním napětí F. řs přchod potéká poz npatný pod vyvolaný intinsickými nosiči (indx i ob..4). Ochzná vstva přchod -N s ozšiřj, jjí kapacita klsá. N i i Ob..4: Kvalitativní zobazní poměů v přchod -N v závěném smě + 3

24 olovodičové diody Šířka ochzné oblasti v závěném smě j [9] po stmý přchod nbo d K F, 0 d K 3 F, 0 ( platí i po 0 ) F ( platí i po 0 ) po pozvolný přchod. Někdy s přznačj po závěný smě napětí na závěné napětí F ( vs) a potom platí d K F + nbo d K 3 F + Kapacit přchod v závěném smě pak čím z známého vztah ε ε 0 (.5) d tdy po stmý přchod K ε 0 ε F + a po pozvolný přchod K ε ε 3 0 F + (.6) kd j plocha přchod -N ε j lativní pmitivita (po i j ε ) ε 0 j pmitivita vaka (ε 0 8, F/m) Tohoto jv s vyžívá kapacitních diod (vaikap, vaakto)...4 mpévoltová chaaktistika přchod -N (diody) Na základě fyzikálních zákonů a jjich matmatických modlů lz odvodit, ž pod diodo j dfinován vztahm ( ) T 0 (.7) kd j pod diodo ointovaný podl ob...c 4

25 olovodičové diody j napětí na diodě ointované podl ob...c O j nasycný (satační) pod diody (pod intisických nosičů ob..4) T k T ( 6 mv po T 300 K) j tplotní napětí Někdy s v litatř [] dává vztah v podobě ( ) m T 0 (.8) kd m j mpiicky čná konstanta z intval až. mpévoltová chaaktistika odpovídající vztah (.7) a (.8) j znázoněna na ob ,6 ( i ) Ob..5: Kvalitativní zobazní ampévoltové (V) chaaktistiky diody o (popstný smě) j T a platí T T 0 (.9) T o 0 a T (závěný smě) j a 0 (.0)..5 ifnční vodivost (odpo) diody v popstném a závěném smě, směňovací jv hování diody po vlmi malé změny napětí (pod) v okolí pacovního bod ob..6 můžm popsat pomocí difnční (příůstkové) vodivosti (odpo), kto považjm po malé změny za konstantní (linání). finjm difnční vodivost g d z podíl příůstků a g d 5

26 olovodičové diody tčna v bodě i (t) t (t) t Ob..6: Zobazní časového půběh pod i (t) při změně napětí (t) v okolí pacovního bod v popstné oblasti o vlmi malé změny platí (m ) g d [ ( T )] 0 T d lim 0 (.) 0 d Jstliž v pacovním bodě platí, ž z vztah (.) vyplývá T T, potom ( T ) T 0 0 a g d (.) T Toto j vlmi důlžitý výsldk. ifnční vodivost j čna podílm pacovního (stjnosměného) pod a tplotního napětí T ( 6 mv při 300 K). o malé změny v oblasti pacovního bod platí nbo i ( t) g ( t) ( t) (.3) d ( t) id d i ( t) (.4) g d T d (.5) g d j difnční odpo diody v pacovním bodě. J-li například m (0 m) j d 6 V m 6 Ω ( 6 V 0 m, 6 Ω). 6

27 olovodičové diody Na ob..7 j kázáno, ž stjné změny napětí (t) v závěné oblasti nvyvolají téměř žádný pod diodo. (t) t Ob..7: Zobazní časového půběh pod i (t) při změně napětí (t) v okolí pacovního bod v závěné oblasti ifnční odpo d v závěném smě dosahj hodnot dsítk MΩ. Tnto ozdíl v hodnotě d můžm vyžít při konstkci diodových spínačů malých signálů viz příklad. ob..8. malý vstp. signál výstp 0 kω 0 kω Ob..8: incip spínání signál (diodový spínač) říklad. řdpokládjm, ž oddělovací kapacity jso volny tak vlké, ž j lz zandbat. o 0 V bd potékat diodo stjnosměný pod ( ) 0,6 V 0kΩ 0kΩ 0,5 m Tom odpovídá difnční odpo d 6 V 0,5 m 5 Ω. o malé signály potom platí náhadní (signálové) schéma na ob..9a (idální zdoj napětí přdstavj po signál zkat). 7

28 olovodičové diody 5 Ω > 0 MΩ 0 kω 0 kω 0 kω 0 kω a) b) Ob..9: ignálové schéma obvod z ob..8 po a) + 0 V b) - 0 V Z náhadního schémat čím, ž po + 0 V j 0kΩ 5 + 0kΩ o - 0 V diodo npotéká pod, clé napětí - 0 V j pakticky na diodě, tzn. - 0 V. ifnční odpo diody j větší nž 0 MΩ viz signálové schéma na ob..9b a platí 0kΩ 0MΩ + 0kΩ 0 pciální případ nastan, j-li pacovní bod diody v počátk (nbo v jho blízkosti) a signál zasahj do popstné i npopstné oblasti (v čas) ob..0, kd část signál j potlačována a část popštěna. Hovořím o směňovacím jv (o směňování). Tímto způsobm s přvádí střídavé napětí z skndáního vintí tansfomáto na stjnosměné napětí. Jdnocstný směňovač j zobazn na ob... řipojný lktolytický kondnzáto vyhladí zvlnění směněného napětí. i t (t) Ob..0: Kvalitativní zobazní směňovacího jv t 8

29 olovodičové diody a) T b) T i T T (t) i (t) T + - Z c) t T/ i (t) (t) (t) t Ob..: a) Jdnocstný směňovač; b) ůběh napětí T (t) na skndáním vintí tansfomáto a pod i (t) nní-li připojna kapacita c) přšovaná čáa j sktčný půběh napětí bz kondnzáto (t), plná čáa pak s připojným kondnzátom (t) říklad. Nní-li připojn kondnzáto diodo pochází v kladné půlvlně pod omzný jho vlikostí odpo ob..b. J-li kondnzáto připojn plná čáa na ob..c j sitac složitější. ioda spíná poz v intval, kdy napětí na skndání staně vintí j větší nž napětí (t) v ob..c vyšafovaná oblast. od diodo tď nní omzn odpom, nabíjí kapacit, j spíš omzn jn odpom vintí tansfomáto a diody msí být dostatčně dimnzovány po tnto implsní povoz. Napětí má čito střdní hodnot s zvlněním. řibližně platí, ž kondnzáto s po dob půl piody (T/) až piod (T) vybíjí podm /. J m poto přibližně odbíán náboj Q očasně msí platit T T j fkvnc Q a msí platit ovnost (změny náboj) ( f ). f o dané, f a a požadované tdy potřbjm kondnzáto f f výst. f 9

30 olovodičové diody Nbo můžm z daných hodnot čit zvlnění výst f.3 Lavinový jv, Znův jv ostocím závěným napětím s ochzná vstva ozšiřj. Má vlký odpo a j na ní ozložno clé přiložné napětí. ntnzita lktického pol naůstá, lktony začínají být z vazb vythávány. ři napětí (ak down) j jíž lktonům dělna taková ychlost (ngi), ž jso schopny vyazit z vazby další lktony (v ochzné oblasti) hovořím o náazové ionizaci lavinovém jv. Nní-li pod omzn séiovým odpom v vnějším obvod diody, ost pod nad všchny mz, dioda j znična. Hodnota j fnkcí koncntac příměsi v polovodiči. ůstm koncntací příměsí hodnota klsá, potož ochzná oblast s zžj a intnzita lktického pol v ní ost. ři dostatčně malé šířc ochzného pásma již moho vyažné lktony poltět do oblasti N, aniž stačí na kátké dáz vyvolat lavinový jv. Hovořím o Znově jv nbo tnlovém jv. Lavinový jv -8-6 TK > 0 řvládá Znův jv TK < 0 TK 0 Ob..: mpévoltová chaaktistika diody s vyznačním Znova a lavinového jv Lavinový jv dominj po větší nž 8 V. Jho tplotní koficint j kladný - s ůstm tploty naůstá (ost ozkmit atomové mřížky a to bzdí ychlné lktony a tdy omzj vznik lavinového jv). Znova jv již nní lavinový jv tak důlžitý. ozhodjící j, ž s ostocí tploto j třba k vytžní lktonů z vazby mnší ngi (lktického pol). Znovo napětí poto s ůstm tploty klsá, má záponý tplotní koficint (po mnší nž asi 8 V) TK. 30

31 olovodičové diody o napětí 6 V působí oba jvy sočasně a jjich tplotní vlastnosti s pávě kompnzjí. Toto j vlmi výhodné při konstkci stabilizačních diod (Znových). mpévoltová chaaktistika diody (přchod -N) s vážním pávě popsaných jvů j na ob... okd dojd při půaz i k tplotním přtížní byť j někté části přchod, zvyšj s intisická vodivost, chaaktistika s hotí přšovaná čáa v ob.. dochází k zniční přchod. okd j dioda vhodně konstovaná a ztátový výkon j omzn vhodně volným odpom, můžm napětí vyžít k stabilizaci (paallní) napětí. iodě s přidělil symbol podl ob..3a a zvolí s šipková konvnc zd vdná Znova dioda. Napětí Z j fnkcí pod Z a můžm j popsat vztahm (po Z > Z min ) 0 + (.6) Z Z d Z v okolí Z0 j napěťové kolno diody (po Z < ZMN již nstabilizj), význam d j zřjmý z ob..3b. Z d (.7) Z o mnší hodnoty Z s d pohybj v oblasti jdnotk Ω. Z Z Z Z0 a) kolno Zmin Z b) Zmax Z Ob..3: a) ymbol a šipková konvnc po Znov (stabilizační) diod b) ozkslná V chaaktistika v závěném smě ožití: Znova dioda má šioko oblast požití. Njčastěji s vyžívá v stabilizátoch napětí, omzovačích, při ochaně lktických obvodů poti přpětí, v gnátoch nhamonických napětí, atd. 3

32 olovodičové diody 3 říklad.3 nalyzjt zapojní lmntáního paallního stabilizáto napětí na ob..4. ovnici (.6) odpovídá lktický modl na ob..5. dální dioda přdstavj nlový odpo po Z > Z0 a nkončný odpo po Z < Z0. dální zdoj napětí má nlový vnitřní odpo (nní již fnkcí Z ) Závislost Z na Z j dána odpom d. Z aplikac Ohmova zákona a Kichhoffových zákonů získám vztahy (přsné): Z d Z Z 0 (Ohmův zákon a. KZ) Z Z d Z Z Z Z + 0 (Ohmův zákon) Z Z (. KZ) Z Z d Z Z d Z Z Z Z d Z Z Z d Z Z Z Z Z Z d d Z Z Z d d Z Z d Z Z Z Z d Z 0 Z Z Z d 0 0 Z Z Z 0 0 řdpokládjm, ž d «, Z. otom platí, ž pod zátěží j (Ohmův zákon, přibližné vztahy): Z 6 V d 5 Ω ZMN 0,5 m ZMX 50 m (nsmí být přkočn) Ob..4: aallní stabilizáto napětí s Znovo diodo Z Z Z Z Z

33 olovodičové diody Z Z0 Z od odpom j (Ohmův zákon a. KZ) Z Z0 Z Z Z Z Z Z0 d Z 5 Ω 6 V Z Z a) b) Ob..5: a) lktický modl Znovy diody b) ignálový modl obvod z ob..4 od diodo j (. KZ) Z Z Z0 Z0 Z Tnto pod vyvolá na odpo d úbytk napětí Z, ktý dfinj změny napětí Z jako fnkci d,, Z, (poovnj s přdchozím postpm): Z d Z d Z0 Z0 Z Z Z0 + Z Msí platit, ž Z Zmin. Mějm: 00 Ω a 8 V až 0 V. o Z (bz zátěž) j Z až 0 m až 40 m Mzní diodový pod (ztátový výkon) nní přkočn. Odpovídající změny napětí jso 3 3 Z d Z 5 00 až mv až 00mV (poti hodnotě Z 6 V). odpo Z ři minimálním napětí 8 V potéká diodo pod 0 m. řipojím-li zatěžovací 33

34 olovodičové diody Z Z0 6 V 300 Ω 0 m Z nzbd žádný pod po diod ( Z < Zmin ). oto za daných poměů můžm připojit až zátěž větší nž 300 Ω. řipojím-li Z 500 Ω, pak po napětí 8 V až 0 V čím Z Z až Z 8 m až 8 m ( 0 ) m až ( 40 ) m řipojním zátěž s snížil pod Z diodo a změny napětí jso nyní 3 3 Z d Z 58 0 až mv až 40mV oblém na ob..4 můžm vyřšit i gaficky. Výhodné j ozdělit si obvod na část linání (,, Z ) a nlinání (Znova dioda popsaná V chaaktistiko) ob..6. Linání část nahadím pomocí Thévninovy věty (viz. kap. ), dál řším gaficko počtní mtodo (viz. kap. ). linání část nlinání část i i Z Z Z Z Z 0 Z Z a) b) Ob..6: a) řkslní sitac z ob..4 b) Náhadní schéma po řšní nlinání části obvod omocí Thévninovy věty čím náhadní pvky lináního obvod napětí náhadního zdoj 0 a hodnot séiového odpo i ( zkatový pod K ) 0 Z + Z i Z K 0 i + Z hování linání části obvod j dfinováno zatěžovací přímko i Z ( ) 0 i ři Z 0 j 0 : K i 34

35 olovodičové diody 0 0 Z bod na ob..7 + Z ři 0 j : i K K bod na ob..7 Z 0 Z Z ( ) ( Z ) Z K gomtické místo všch možných hodnot napětí a podů po linání část obvod Ob..7: Gafické řšní paallního stabilizáto Nikd jind s nmůž vyskytnot napětí (ani pod) linání části obvod (,, Z ). Nlinání část obvod zd Znova dioda j popsána V chaaktistiko. řitom msí být v obvod splněna podmínka Z. Tato podmínka j splněna v pacovním bodě ( Z ), kd sočasně platí zatěžovací přímka i V chaaktistika stabilizační diody. o Z j 0, stál platí K viz pacovní bod ( ). o příliš malé hodnoty Z hodnota 0 klsá, pacovní bod s blíží koln v V chaaktistic Znovy diody. Toto nní vhodný pacovní bod po stabilizaci napětí. Klsnli hodnota napětí 0 pod napětí Z0, npotéká stabilizační diodo žádný pod. Obvod nstabilizj. Napětí na zátěži j dáno poz děličm s, Z tdy přímo 0. 35

36 olovodičové diody.4 Fotodioda (fotojv) Fotodioda j polovodičová dioda, ktá j navžná tak, aby na -N přchod dopadalo světlo. Jjí V chaaktistiky jso zobazny na ob.. 9 v. kvadant jso V chaaktistiky "zhštěné", nboť dioda v popstném žim málo agj na osvětlní. V bodě fotodioda nagj na světlní vůbc poto s dioda v tomto kvadant npožívá. Fotolktický jv s pojvj v závěném smě a po malá napětí v popstném smě. a V. kvadant viz ob.. 9. řchod -N j spořádán tak, aby absoboval zářní 3), jhož ngi (kvanta) j W g h ν (.8) kd h 6, J s ν [s - ] j fkvnc zářní j lanckova konstanta itac j schématicky znázoněna na ob..8. okd j ngi zářní dostatčná, gnj v ochzné oblasti pá lkton-día viz ob..8. lktické pol v ochzné vstvě ychlj lkton do oblasti N a dí do oblasti. N pá lkton día ( ) ( K ) h ν h ν Ob..8: Kvalitativní zobazní fotojv J-li dioda ozpojna (zapojna napázdno), vzniká na ní měřitlné napětí napázdno 0, kté závisí na intnzitě zářní logaitmicky (navíc j tplotně závislé). Tnto žim poto nní vhodný po fotomtické účly [5]. Jli dioda zapojna nakátko, obvodm potéká pod K, ktý j v šiokém ozsah přímo úměný intnzitě zářní. Tnto žim j poto vhodný po fotomtické účly. od směřj od K k (j tdy záponý podl šipkové konvnc diody). Mzi stavm napázdno a nakátko pacj přchod v tzv. fotovoltaickém žim. V obvod přchod nní zapojn žádný zdoj napětí ani pod, chová s jako zdoj (slnční články) viz ob..9. Zatěžovací zisto s volí tak, aby fotočlánk dodával maximální výkon viz OT. otož výkon j dán sočinm napětí a pod, odpovídá maximálním výkon maximální plocha viz vyšafovaná oblast nálžjící k pacovním bod. 3) V všch přdchozích případch s snažím zajistit opak. Nní žádocí, aby jvy v přchodch -N byly ovlivněny zářním. oto, pokd j to možné, s požívají po zářní npopstná pozda. 36

37 olovodičové diody OT V fotovoltaickém žim j ochzná vstva úzká a má vlko kapacit, poto i špatné fkvnční vlastnosti. Tto kapacit lz snížit ozšířním ochzné oblasti přiložním záponého napětí hovořím o fotovodivostním žim. Fkvnční vlastnosti jso zd lpší a pod stál lináně odpovídá intnzitě dopadajícího zářní. okd na fotodiod ndopadá zářní, chová s jako běžná dioda viz ob..9. kvadant. opstný smě bz zářní (nomální dioda) žim napázdno 0 ntnzita zářní (mw/cm ) OT žim nakátko K 3. kvadant < 0, < 0 4. kvadant > 0, < 0 fotovodivostní žim (odpoový žim) fotovoltaický žim (hadlový, zdojový žim) Z FOTO 0 h ν OT h ν FOTO Ob.. 9: V chaaktistika fotodiody 37

38 olovodičové diody ožití: Někté fotodiody pacjí v odpoovém (fotovodivostním) i hadlovém (fotovoltaickém) žim poz v fotovodivostním žim poz v fotovoltaickém žim a) poz fotovodivostním žim zvkový snímač po optický záznam zvk b) poz v fotovoltaickém žim měřič lktického osvětlní atomatické ovládání světla xpozimty lxmty.5 hy diod odl tchnologi výoby j dělím na: lošné diody dělím na a) ifúzní dstička typ N s vloží do postřdí, kté obsahj volné akcptoy (v plynném stav). ři vysokých tplotách (po i 000 až 350, po G 700 až 800 ) ponikají akcptoy do základní dstičky (difndjí) a vytváří pod povchm oblast typ vzniká -N přchod. b) litinové na gmaniovo dstičk typ N s přiloží matiál s vlastnostmi akcpto např. indim (n). o zahřátí na 630 s G a n slijí vzniká -N přchod. ři homadné výobě j dstička typ N maskována a v masc jso otvoy poz v místch, kd má vznikat přchod -N. o zahřátí (na 630 ) s msí maska odlptat. Hotové diody na základní dstičk (i) typ N s přitlačí wolfamový hot. odovým implsm s stykové místo oztaví, čímž vznikn miniatní oblast typ s vlmi malo kapacito. Jso vhodné po vysokofkvnční obvody. o G s požívá hot z platiny lgované indim. ál j dělím na: miniatní diody s pacovním podm do 00 m střdovýkonové diody s pacovním podm do 38

39 olovodičové diody výkonové diody s pacovním podm nad odl požití dělím diody na: všobcné diody po vícúčlové vyžití s obcnými paamty směňovací diody čny po zpacování přvážně skndáního napětí síťových T spínací diody po počítačovo tchnik; logické obvody směšovací diody po vf tchnik, tlviz, ádia a podob. dtkční diody v pásm GHz; satlity a podob. Ob..0: dhy diod a) směňovací, b) hotová, c) miniatní, d,) výkonové, f) gmaniová 3 Tanzistoy 3. ipolání tanzistoy Jso dva typy bipoláního tanzisto N a NN Tanzisto j spávně zapojn když j přchod báz () mito () otvřn přchod báz () kolkto () zavřn 39

40 ipolání tanzistoy odové zsílní β tanzisto j dfinováno poměm pod kolkto a pod báz β (typicky 30 až 500) latí, ž pody kolkto ( ) a mito ( ) jso si pakticky ovny 3. Tanzistoový jv a) b) N N intisická día Ob. 3.: Kvalitativní zobazní stkty tanzisto NN: a) zapojní s spolčno bází (dohodntý smě pod má smě poti pohyb lktonů histoická konvnc) b) symbol tanzisto NN Tanzisto NN s skládá z dvo oblastí typ N, mzi kté j vložna oblast typ (báz ) viz ob. 3.. áz msí být tnká. ři poměch vdných na ob. 3. (aktivní žim tanzisto) j přchod (báz) (mito) polaizován napětím ( > 0) v popstném smě. řchod (kolkto) j polaizován napětím ( > 0) v závěném smě. o křmíkovo stkt j napětí 0,4 až 0,8 V (podl vlikosti mitoového pod, běžně s važj s hodnoto 0,6 V). lktony z mito (N-typ) jso vstřikovány (mitovány) do oblasti typ do báz, stjně jako j tom běžné diody. okd j báz dostatčně tnká, poltí většina lktonů až k zavřném přchod -, kd jso zachycny intnzito pol ochzné oblasti viz ob. 3. a ponsny do oblasti kolkto () typ N. Tam s 40

41 ipolání tanzistoy stávají opět majoitními nosiči pod a jso sbíány (collct). Množství lktonů mitovaných z mito lz řídit podm (i napětím) přchod -. To j tanzistoový jv. Tanzisto nlz nahadit dvěmi jdnotlivými diodami tak, jak j zobazno na ob. 3.. ři takovém spořádání by nbyla splněna podmínka tnké báz, tanzistoový jv vůbc nvzniká. chéma na ob. 3. můžm požít poz po ověřní xistnc dvo npoškozných -N přchodů tanzisto. (N ) ( N) Ob. 3.: Nvhodný modl tanzisto NN čitá část lktonů z mito vytváří bázový pod (ndoazí k kolkto). Typicky platí 0, 0 J-li mitoový pod nastavn na nlovo hodnot, potéká zavřným přchodm - poz nasycný (intinsický) pod, zd pojmnovaný 0. o modní křmíkové tanzistoy lz v aktivním žim 0 zandbat a α (3.) α j podový zsilovací činitl v zapojní s spolčno bází () a psntj vlastně tanzistoový jv. Z. Kichhoffova zákona vyplývá tdy i + (3.) α + odtd dostanm α α j vždy mnší nž. (3.3) finjm (pojmnjm) i podový zsilovací činitl v zapojní s spolčným mitom () jako β (3.4) o dosazní získám β ( ) α 4 α (3.5)

42 a další úpavo ipolání tanzistoy β α (3.6) β + 0,99 J-li např. α 0,99, j β 99. 0,99 99 naopak, znám-li β 99, čím, ž α 0, opis a modl tanzisto (stjnosměný) V běžném aktivním žim platí po modní křmíkové tanzistoy (zjdnodšné bsovy Mollovy ovnic): kd ( ) T 0 (3.7) α T k T j tplotní napětí (6 mv při 300 K) α j podový zsilovací činitl v zapojní 0 j nasycný pod diody - j napětí na diodě - Vztah (3.7) popisj výstpní chaaktistiky v zapojní. kvivalntní (zjdnodšné) schéma, kté vyhovj po aktivní žim tanzisto j na ob α i b 0 Ob. 3.3: Zjdnodšné kvivalntní schéma tanzisto NN v zapojní (po aktivní žim) ntní báz tanzisto j označna symbolm i Odpo b (běžně 0 Ω až 50 Ω) modlj odpo bázové oblasti. Mzi intní bází i a mitom j zapojna v popstném smě dioda -. Mzi i a kolktom j připojna závěně polaizovaná dioda a řízný zdoj pod α, ktý pzntj tanzistoový jv (na ozdíl od ob. 3.). 4

43 ipolání tanzistoy Výstpní chaaktistiky tanzisto NN v zapojní jso kvalitativně zobazny na ob a) b),88 + (m) dtail 3 V,88 µ 3 m m m (V) Ob. 3.4: a) Výstpní chaaktistiky f( ) tanzisto, j paamt b) dtail Zajímavé j, ž pod j (j po dané ) téměř konstantní, jště i po - 0,5 V. J to tím, ž tanzistoový jv zaniká až thdy, kdy s dostatčně otvř přchod - a to j křmík až při - 0,7 V. alší zajímavo vlastností j, ž pod kolkto s ůstm npatně naůstá viz dtail v ob. 3.4, 3 V, µ. Tom odpovídá difnční odpo (důlžité: při konst.) báz kolkto 3 V 3MΩ (3.8) µ Jdná s o alyho jv. ůstm napětí s ochzná vstva přchod - ozšiřj. Tím s vlastně zžj oblast báz a α s víc blíží hodnotě. odový zsilovací činitl α j tdy N N Ob. 3.5: incip zapojní tanzisto s spolčným mitom () 43

44 ipolání tanzistoy fnkcí (i když nijak výazno) napětí (i pod kolkto). oněkd jiná j sitac, zapojí-li s tntýž tanzisto NN s spolčným mitom () ob Z. Kichhoffova zákona platí, ž 0,7 V Z vztah vyplývá, ž již při 0 j - 0,7 V. Tanzistoový jv poto zaniká po 0 V. oto výstpní chaaktistiky v zapojní začínají až při > 0 viz ob aamtm j nyní konstantní pod do báz ( ). Když si vědomím, ž α ( α) můžm čit vstpní chaaktistiky v zapojní (ob. 3.6c): a) b) 00 µ (m) dtail 3 V 45 µ 30 µ 0 µ 5 µ (V) c) d) (µ) (m) (µ) (µ) (V) (V) (V) (V) Ob. 3.6: a) Výstpní chaaktistiky f( ) tanzisto v zapojní, j paamt b) tail c) Vstpní chaaktistiky f( ) tanzisto v zapojní d) Obvyklý způsob zobazní chaaktistik v zapojní 44

45 β T T ( ) ( ) ( ) 0 ( ) T ipolání tanzistoy α 0 (3.9) β + β + 0 zd s platňj alyho jv. ůstm napětí (a tdy i ) s zžj oblast báz. Nyní s platňj vůči konstantním pod báz, ktý j (β + )-kát mnší nž pod [ + + β ( + β ) ]. alyho jv má nyní (β + ) kát větší vliv nž v zapojní []. Jstliž bdm dfinovat difnciální odpo v zapojní jako (viz dtail ob. 3.6b) 3 V 30kΩ 00 µ potom přibližně platí (po stjný tanzisto jako v zapojní ) 3 MΩ 30 Ω β + 0 k (3.0) o podložním lináních (hoizontálních) částí závislosti výstpních chaaktistik v zapojní tanzisto [ f( ); j paamt] s tyto úsky potno přibližně v jdnom bodě na os [4] viz ob Tomto bod odpovídá čité napětí alyho napětí. ifnční (příůstkový) odpo mzi kolktom a mitom pak zjdnodšně čím po pacovní bod (, ) pomocí Ohmova zákona, + (3.) potož při daném zjdnodšní j vidět, ž tojúhlníky (, ) a (,, ) jso podobné. latí poto: + paamt Ob. 3.7: Znázonění alyho napětí V něktých katalozích s napětí dává, ozmí s tím hodnota po zapojní. Na základě dělaných kvalitativních úvah j možné odhadnot, ž po zapojní by s jdnalo o hodnot (β + ) kát větší. 45

46 ipolání tanzistoy Zandbám-li v aktivním žim pod 0 přchodm - (v závěném stav) a odpo, potom možné kvivalntní schéma tanzisto j na ob α i Ob. 3.8: Zjdnodšné náhadní schéma tanzisto NN (po 0 0, α konst) V této podobě j již α konstantní, závislost α na (alyho jv) j popsána zistom. latí, ž α + (3.) kd j většino v intval MΩ až 0 MΩ. 3.. hování tanzisto při malých (signálových) změnách b, i b, i signálový modl tanzisto o jdnodchost bdm přdpokládat, ž α i β mají stjné hodnoty po stjnosměné i dynamické hodnoty signál (po střídavé signály) v okolí zvolného (nastavného) pacovního bod. Z ob. 3.8 vyplývá, ž vlastně msím čit poz vztah mzi změno napětí ( b ) a změno pod ( i ). oměy v kolkto jso jdnoznačně čny řízným zdojm pod a odpom, tdy přičmž čln α + lz v většině paktických případů zandbat vůči čln α. haaktistika přchod - j na ob o vlmi malé změny v okolí pacovního bod (, ) lz xponnciál nahadit kvivalntní vodivostí g (viz kap. linaizac, vodivost dfinovaná tčno v bodě ). o odvozní g vyjdm z vztah (3.7). 46

47 ipolání tanzistoy ( ) T 0 (m) tčna v pacovním bodě (V) Ob. 3.9: -V chaaktistika přchod - g d ( ) [ ( )] T d lim 0 d d 0 g T 0 T T T V aktivním žim platí T a 0 ( ) 0. otom signálová (difnční) vodivost (často označována jako stmost v m V j g (3.3) T a j čna poz podílm stjnosměného pod mito (pacovní bod) a tplotním napětí T (6 mv při 300 K). Toto j vlmi žitčný výsldk, potož po signálové změny v okolí pacovního bod pak zjdnodšně platí ( b, i ) i g (3.4a) b nbo i b i (3.4b) g kd (3.5) g j signálový odpo diody -. ignálový modl, ktý vyhovj vdným vztahům j na ob álný tanzisto T j modlován (popsán) pomocí odpoů a a idalizovaného tanzisto T i, ktý má nlové (signálové) napětí mzi bází a intním mitom i (na ktý si nlz sáhnot ). dální tanzisto T i j popsán vztahy i β ci i b 47

48 ipolání tanzistoy i i T i i ci i c 0 V i b b cb Ob. 3.0 ignálový modl tanzisto s idalizovaným tanzistom T i i ci β α i i (3.6) β + i i + i ci b Odpo lz většino zandbat potom platí i i. c ci Odpo zapojný mzi i a modlj pávě vlastnosti diody - v popstném smě vůči malosignálovým změnám. ři zvolné idalizaci platí tdy i c 0 i (3.7) b b b g Toto j v shodě s vztahy (3.4) a (3.5). ignálový modl na ob. 3.0 tdy sktčně vyhovj shoa vdném a lz jj požít po analýz obvodů s tanzistom NN, znám-li jho pacovní bod Tanzisto N a spolčný signálový modl po N a NN tanzisto Vš, co bylo řčno o tanzisto NN, lz zopakovat i po tanzisto N. V aktivním žim msí platit: přchod báz () mito () otvřný přchod báz () kolkto () zavřný Toto atomaticky čj spávno polait zdojů ob. 3. čjících pacovní bod tanzisto. latí tjnými úvahami dospějm k signálovém modl na ob. 3. ( zandbám). 48

49 ipolání tanzistoy a) b) N > 0 > 0 Ob. 3.: Kvalitativní zobazní stkty tanzisto N: a) zapojní s spolčno bází (šipky podů jso volny přiozně podl tok podů; +, α, β ) b) symbol tanzisto N i i T i i c 0 V i b b bc Ob. 3.: ignálový modl tanzisto N v aktivním žim kd i β β ; ic α i i β + c i b i b T atd. viz vztahy (3.) až (3.5). Z sovnání sitac na ob. 3. a 3.0 vyplývá, ž po tanzisto N i NN vystačím s jdním signálovým modlm. oz nastavní pacovního bod vd k opačným polaitám napětí a podů. ignálově msí vždy platit, ž i c a i potékají stjným směm, i b msí být ointováno tak, aby platilo i i c + i b. ál platí vztahy ic α i, ic β ib, α β ( β +), β α α. J-li tanzisto (ať N či NN) v spávném pacovním bodě, stačí shoa ( ) 49

50 ipolání tanzistoy vdná jdnodchá pavidla po analýz obvodů s tanzistoy NN i N a s modlm na ob. 3.3 (označní NN i N jso již nadbytčná). Nic s nstan, bdm-li šipky po příslšné tanzistoy vyznačovat. i i i T i i c 0 V i c i b ib T b bc Ob. 3.3: Obcné signálové schéma po tanzistoy NN i N a dvě spávné přípstné šipkové konvnc (vyznačné plně a přšovaně), vždy platí i i c + i b ; signálový mito 3..4 Mzní paamty bipoláních tanzistoů Napájcí napětí v obvod s tanzistom nsmí být větší nž půazné napětí přchod -. Základní sitac po zapojní s spolčno bází () j nakslna na ob. 3.4a. mito j ozpojn ( 0), závěný pod 0 diodo - potéká do spolčné svoky (viz přchod -N v závěném smě). ůazné napětí za této sitac označjm 0, j to njvyšší dosažitlné závěné napětí nž dojd k jho poškozní (víc tanzisto nikdy nvydží). J-li zmněn mito tanzisto zapojní s spolčným mitom () ob. 3.4b, j sitac hoší. a) b) c) β Ob. 3.4: ční zbytkových podů a půazných napětí tanzistoů: a) v zapojní s spolčno bází () b) v zapojní s spolčným mitom () c) v zapojní s odpom mzi bází a mitom 50

51 ipolání tanzistoy od 0 vstpj clý do báz a j zsilován β kát. Zbytkový pod označný jako 0 j njvětší zbytkový pod. K půaz tanzisto dochází (dsítky voltů) náazovo ionizací (viz kap...6). avděpodobnost náazové ionizac [5] ost s podovo hstoto nosičů náboj. ůazné napětí v tomto žim s označj 0 a j to většino njmnší půazné napětí tanzisto. pod (m) tykový půaz m napětí (V) Ob. 3.5: Kvalitativní znázonění poměů popisovaných ob Výjimko moho být tanzistoy s vlkým podovým zsilovacím činitlm β. Mají vlmi tnko bázi a zd můž dojít (dřív nž k půaz 0) k tzv. stykovém půaz. (pnch-thogh - již při až 3 V; [8]). Tnto stav nastan thdy, když s ochzná oblast zavřného přchod - ozšíří až k přchod -, tanzisto j vlastně zkatován a dojd k jho zniční. Tyto tzv. spbta tanzistoy s často požívají v intgovaných obvodch. polhlivo fnkci j třba zajistit přsně dfinovaným napětím mzi a. osldní disktovaná sitac j na ob. 3.4c. Mzi bází a mitom j zapojn odpo, pod 0 nvstpj do báz clý, část pod j odvdna. Zbytkový pod v tomto žim s označj a jho vlikost j v intval 0 (malé hodnoty ) až 0 (vlké hodnoty ). opsané sktčnosti jso kvalitativně znázoněny na ob Kolktoový pod nsmí přkočit maximální hodnot kolktoového pod MX ( diod MX ) dáno konkétní konstkcí tanzisto (diody). Výkonová ztáta tanzisto j dána sočinm napětí a pod kolktoová ztáta (výkon ozptýlný v přchod - j malý) (3.8) a mění s v tplo. ozdo tanzisto j schopno vyzářit poz čitý výkon MX (do okolí). okd j hodnota MX přkočna, polovodivá stkta s přhřj, můž dojít k dstkci (poškozní) polovodič. Haničním stav MX odpovídá v výstpních chaaktistikách paabola mzního výkon ob. 3.6 tčkovaná čáa. 5

52 ipolání tanzistoy MX MX 0 Ob. 3.6: Vyznační mzních paamtů MX, MX a 0 Když vynsm přšovanými čaami omzní MX chaaktistikách povolno pacovní oblast. a 0, dostanm v výstpních ioda - j modních tanzistoů silně dotována a poto j jjí půazné napětí 0 mnší nž cca 7 V (typicky 5 V). Také nsmí být přkočn mzní bázový pod MX. Na ob. 3.7 jso znázoněna opatřní poti přkoční mzních paamtů přchod - (vstpní chaaktistiky). Vhodně vybaný odpo (podl napěťových poměů v álném obvod) omzí pod báz pod hodnot MX (po > 0). Vnější dioda omzí napětí na přchod - v závěném smě na hodnot asi 0,7 V, v nomálním žim tanzisto j zavřna. Ob. 3.7: Ochana přchod - přd přtížním 3.3 Nastavní pacovního bod tanzisto (pincip) Nastavjm-li tanzisto do aktivního žim, platí základní pavidlo po oba tanzistoy NN i N: přchod báz mito msí být otvřný přchod báz kolkto msí být zavřný 5