ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY VZORY OTÁZEK A PŘÍKLADŮ K TUTORIÁLU 1 1. a) Co jsou polovodiče nevlastní. b) Proč je používáme. 2. Co jsou polovodiče vlastní. 3. a) Co jsou polovodiče nevlastní. b) Jakým způsobem se vyrábějí? 4. Vysvětlete podstatu elektronové vodivostí u pevných látek. 5. Vysvětlete podstatu děrové vodivostí u pevných látek. 6. Dva vzorky stejného polovodiče (Si), jeden typu P a jeden typu N jsou homogenně dotovány příměsemi, tak že platí N D = N A. Který vzorek má větší měrný odpor? Zdůvodněte! 7. Jak u polovodičů závisí poloha Fermiho energie na typu a koncentraci příměsí? 8. Jak u polovodičů závisí poloha Fermiho energie na teplotě? 9. a) Nakreslete typickou teplotní závislost koncentrace nosičů (t.j děr i elektronů) pro polovodič typu N s koncentrací příměsí N D >> n i. Rozmezí teplot volte tak, aby se uplatnily příslušné aktivační energie. 10. Jak se u polovodičů projevují příměsi cizích atomů a poruchy krystalové mříže? 11. Vyjmenuje druhy průrazů u polovodičových přechodů a stručně je charakterizujte. 12. a) Jaké jsou podmínky pro lavinový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jaká je jeho teplotní závislost? 13. a) Co je povrchový průraz u polovodičových přechodů? b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jak lze zvýšit odolnost proti povrchovému průrazu? 14. a) Co je tepelný průraz u polovodičových přechodů? b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jak lze zvýšit odolnost proti tepelnému průrazu 15 a) Jaké jsou podmínky pro tunelový průraz přechodu PN. b) U jakých součástek se vyskytuje? c) Jaká je jeho teplotní závislost? 16. a) Načrtněte, jak se změní energetický pásový diagram PN přechodu (Si) při přiložení závěrného napětí (3 V). b) Vyznačte do pásového diagramu velikost difúzního a závěrného napětí. 17. a) Načrtněte, jak se změní energetický pásový diagram PN přechodu (Si) při přiložení závěrného napětí (0,6 V). b) Vyznačte do pásového diagramu velikost difúzního a závěrného napětí. 18. a) Načrtněte, jak se změní energetický pásový diagram PN přechodu (Si) při přiložení závěrného napětí (3 V). Jakým směrem působí závěrné a difúzní napětí na PN přechodu? 19.a) Načrtněte, jak se změní energetický pásový diagram PN přechodu (Si) při přiložení závěrného napětí (0,6 V). b) Jakým směrem působí závěrné a difúzní napětí na PN přechodu? 20. a) Načrtněte, jak se změní energetický pásový diagram PN přechodu (Si) při přiložení napětí v propustném směru (0,6 V). 21. Dvě křemíkové diody se liší pouze plochou PN přechodu. Dioda D 1 má plochu přechodu dvakrát větší, než dioda D 2. V jakém poměru budou jejich diferenciální odpory, jestliže na obou diodách bude přiloženo stejné napětí v propustném směru. Stručně vysvětlete. 22. Dvě křemíkové diody se liší pouze plochou PN přechodu. Dioda D 1 má plochu přechodu dvakrát větší, než dioda D 2. Která dioda bude mít při proudu v propustném směru 1 ma větší úbytek napětí. Stručně vysvětlete. 23. Křemíková dioda D 1 má koncentraci příměsí N D = 10 16 cm -3, N A = 10 16 cm -3, dioda D 2 má koncentraci příměsí N D = 10 16 cm -3, N A = 10 14 cm -3. Uveďte alespoň 4 parametry přechodu které se podle teorie budou u těchto diod odlišovat. Uveďte u které diody bude příslušný parametr větší a krátce zdůvodněte.
24. Křemíková dioda D 1 má koncentraci příměsí N D = 10 16 cm -3, N A = 10 16 cm -3, dioda D 2 má koncentraci příměsí N D = 10 16 cm -3, N A = 10 14 cm -3. V jakém poměru budou podle teorie bariérové kapacity obou přechodů? Krátce zdůvodněte. (Uvažujte strmý přechod PN.) 25. Dvě křemíkové diody se liší pouze koncentrací příměsí. Dioda D 1 má koncentraci příměsí N D = 10 16 cm -3, N A = 10 16 cm -3, dioda D 2 má koncentraci příměsí N D = 10 16 cm -3, N A = 10 14 cm -3. Uveďte v jakém poměru budou podle teorie jejich saturační proudy. Stručně vysvětlete. (Uvažujte strmý přechod PN.) 26. Na čem závisí saturační proud diody a jak? 27. Jaká je závislost saturačního proudu diody na kvalitě polovodičového materiálu? 28. Jaká je závislost saturačního proudu diody na teplotě? 29. Jaká je závislost saturačního proudu diody na koncentraci příměsí? 30. Jaká je závislost saturačního proudu diody na typu (Ge, Si, GaAs...) polovodiče? 31. a) Vysvětlete pojem "difúzní kapacita diody". b) Na čem závisí difúzní kapacita diody? 32. a) Vysvětlete pojem "difúzní kapacita diody". b) Jak se projevuje u reálných součástek? 32. a) Vysvětlete pojem "bariérová kapacita diody". b) Na čem závisí bariérová kapacita diody. 34. a) Vysvětlete pojem "bariérová kapacita diody". b) Jak se projevuje u reálných součástek? 35. a) Na jakém principu je založena kapacitní dioda. b) Jak se využívá v elektronice? 36. a)vysvětlete princip fotodiody. 37. a)načrtněte charakteristiku fotodiody. bvysvětlete její činnost v hradlovém režimu. 38. a)načrtněte charakteristiku fotodiody. b) Vysvětlete její činnost v odporovém režimu. 39. Vysvětlete výhody použití struktury PIN pro fotodiodu. 40. Uveďte alespoň 3 příklady na použití fotodiody. 41. a) Vysvětlete princip epitaxně-planární technologie. b) uveďte alespoň dvě její výhody. e) Stručně (!) zdůvodněte proč se rychlé a spínací diody liší od běžných diod s jinak obdobnými parametry (závěrným napětím a maximálním proudem diody). 42. Stabilizační dioda má parametry: U Z = 7V, I Zmax = 200mA (bez chlazení), I Zmin = 0,1 I Zmax. Dioda je zapojena v paralelním stabilizátoru. Vstupní napětí je U 0 = 50V, změna vstupního napětí U 0 = +/- 5V a odpor R S = 200 Ω. 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. Pro jednoduchost uvažujte r Z = 0. b) Určete maximální ztrátový výkon diody.
VZORY OTÁZEK A PŘÍKLADŮ K TUTORIÁLU 2 1. Jaké zásady musí být dodrženy pro návrh a výrobu struktury bipolárního tranzistoru, aby byla zaručena správná funkce této struktury? 2. Dva zcela shodné tranzistory se liší pouze šířkou báze T 1 má šířku báze dvakrát větší. Jak se budou lišit oba tranzistory. Vysvětlete. 3. Dva zcela shodné tranzistory se liší pouze koncentrací příměsí v kolektoru. T 1 má koncentraci větší. Jak se budou lišit oba tranzistory. Vysvětlete. 4. Uveďte a vysvětlete vlastnosti bipolárního tranzistoru zapojeného v inverzním zapojení. 5. Jaké je použití bipolárního tranzistoru v inverzním zapojení? Vysvětlete. 6. a) Stručně (!) vysvětlete Earlyho jev. b) Jak je definováno Earlyho napětí? 7. a) Stručně (!) vysvětlete Earlyho jev. b) Jak pomocí Earlyho napětí určíme výstupní odpor tranzistoru? 8 a) Co je druhý průraz u bipolárního tranzistoru b) U jakých tranzistorů se vyskytuje? 9. a) Co je druhý průraz u bipolárního tranzistoru b) Jak lze zvýšit odolnost proti druhému průrazu 10 a) Proč je průrazné napětí uzavřeného bipolárního tranzistoru v zapojení SE závislé na obvodovém zapojení. Vysvětlete. 11. Jak dosáhneme zvýšení průrazného napětí uzavřeného bipolárního tranzistoru v zapojení SE? 12. Uveďte alespoň tři opatření pro zrychlení vypnutí spínače s bipolárním tranzistorem. Vysvětlete. 13. a) Nakreslete příklad zapojení tranzistorového zesilovače a tranzistorového spínače (obojí v zapojení SE). b) Stručně vysvětlete rozdíl ve volbě pracovního bodu. 14. a) Jak určíme admitanční parametry bipolárního tranzistoru? b) Jaké mechanismy jednotlivé parametry popisují?. c) Jaká je jejich vzájemná souvislost a jejich souvislost s hybridními parametry? 15. a) Jak určíme hybridní parametry bipolárního tranzistoru? b) Jaké mechanismy jednotlivé parametry popisují?. c) Jaká je jejich vzájemná souvislost a jejich souvislost s hybridními parametry? 16. Jaká je jejich vzájemná souvislost a jejich souvislost s hybridními parametry? 17. Jak pomocí hybridních parametrů stanovíme napěťové zesílení, vstupní a výstupní odpor zesilovače s bipolárním tranzistorem? 18. Jak pomocí parametrů stanovíme napěťové zesílení, vstupní a výstupní odpor zesilovače s bipolárním tranzistorem? 19. Zesilovač s křemíkovým bipolárním tranzistorem je zapojen podle schématu, kde U cc = 10V, (R B =560k, R C = 4k, R E1 =330, R E2 =1k, h 21E = β = 100.) V uvažovaném kmitočtovém rozsahu je impedance všech kondenzátorů zanedbatelná. Výstupní vodivost tranzistoru neuvažujte. Určete: a) pracovní bod tranzistoru, b) vstupní odpor zesilovače, c) výstupní odpor zesilovače naprázdno, d) napěťové zesílení naprázdno.
20. Tranzistor je zapojen podle schématu. 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 je U E = 55 V. Napájecí napětí U n = 15 V 21. Proud báze tranzistoru T 1 je nastaven odporem R B tak, aby úbytek na kolektorovém odporu R C byl ½ U CC. Odpovězte na následující otázky a své odpovědi stručně zdůvodněte. Jak se změní: a) U CE - zmenšíme li odpor R B. b) I C a U CE - při zmenšení hodnoty proudového zesilovacího činitele beta. c) I C - zmenšíme li U CC. d) U BE a U CE zdvojnásobíme-li hodnotu odporu R B. 22 Nakreslete průběhy u BE, i B, i C a u CE jestliže je na vstup spínače podle schématu připojen obdélníkový signál (f= 500 Hz) s amplitudou: a) u VST = +/- 1V b) u VST = +/- 5V. Pro oba případy do grafů vyznačte, v jakém režimu tranzistor pracuje. U N = 10V, R B = 1k Ω, R 2 = 100 Ω. V uvažované pracovní oblasti je proudový zesilovací činitel tranzistoru h 21E = 100. a) Tranzistorový spínač má napájecí napětí U N = 10V, R B = 1k Ω, R C = 100 Ω. Na vstup je připojen obdélníkový signál (f= 500 Hz) s amplitudou: u VST1 = +/- 1V nebo s amplitudou u VST2 = +/- 5V. V uvažované pracovní oblasti je proudový zesilovací činitel tranzistoru h 21E = 100. Na základě výpočtu rozhodněte v jakém režimu tranzistor při vstupním signálu u VST1 a při vstupním signálu u VST2 pracuje. 23. Zátěž s jmenovitým napájecím napětím 24V a odporem vinutí R S = 60 Ω má být spínána bipolárním tranzistorem (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) a) Navrhněte schéma zapojení spínače. b) Určete velikost I B pro sepnutí zátěže. c) Určete velikost proudů a napětí v obvodu 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. 24. Bipolární tranzistor NPN (h 21E = 35 až 125) má spínat zátěž se jmenovitým napájecím napětím 15V a odporem vinutí R S = 50 Ω. Řídící napětí je U B = 5V. Navrhněte schéma zapojení spínače. b) Pro spínač ad a) určete velikost R B pro spolehlivé sepnutí zátěže. c) Pro spínač ad a) určete ztrátový výkon na tranzistoru při sepnutí pro U CES 0,5V. 25. Zesilovač s křemíkovým bipolárním tranzistorem je zapojen podle schématu (U cc = 10V, R B =820k, R C = 2k2, h 21E = β = 100). V uvažovaném kmitočtovém rozsahu je impedance všech kondenzátorů zanedbatelná. Výstupní vodivost tranzistoru neuvažujte. Určete: a1) pracovní bod tranzistoru, a2) vstupní odpor zesilovače, a3) výstupní odpor zesilovače naprázdno, a4) napěťové zesílení naprázdno.
26. Nakreslete příklad zapojení zesilovače (SE, tř.a) a spínače pro bipolární tranzistor (NPN). 27. Uveďte jak se vysokofrekvenční bipolární tranzistory (BT) liší od běžných BT s jinak obdobnými parametry (závěrným napětím a maximální kolektorovou ztrátou) a stručně (!) zdůvodněte. 28. Jak určíme diferenciální odpor emitoru r E bipolárního tranzistoru?. 29. Jaká je souvislost r E se vstupním odporem samotného tranzistoru v zapojení SE?. 30. Jaká je souvislost r E se zesílením tranzistorového zesilovače v zapojení SE. 31. Jaká je souvislost r E s admitančními parametry tranzistorového zesilovače v zapojení SE 32. Uveďte jak se spínací bipolární tranzistory (BT) liší od běžných BT s jinak obdobnými parametry (se stejným závěrným napětím a maximální kolektorovou ztrátou) a stručně (!) zdůvodněte.
VZORY OTÁZEK A PŘÍKLADŮ K TUTORIÁLU 3 1. a) Načrtněte strukturu tranzistoru J-FET s kanálem N. b) Stručně vysvětlete jeho činnost. c) Nakreslete síť jeho výstupních charakteristik. 2 a) Načrtněte strukturu tranzistoru IG-FET s kanálem N. b) Stručně vysvětlete jeho činnost. c) Nakreslete síť jeho výstupních charakteristik. 3. a) Vysvětlete rozdíl mezi tranzistorem IGFET s indukovaným kanálem a tranzistorem IGFET s trvalým kanálem. b) definujte prahové napětí pro oba typy tranzistorů. c) nakreslete jejich převodní charakteristiky (pro kanál N i P). 4. Definujte aktivní režim tranzistoru FET. Jaké je typické použití tranzistoru FET v aktivním režimu? 5. Definujte saturační režim tranzistoru FET. Jaké je typické použití tranzistoru FET v saturačním režimu? 6. Definujte triodový režim tranzistoru FET. Jaké je typické použití tranzistoru FET v triodovém režimu? 7. Vysvětlete princip funkce CCD struktury. Jaké jsou požadavky na materiál pro její výrobu. 8. Vyjmenujte alespoň dva příklady použití struktrury CCD. Na čem je založena její funkce? 9. Čím je určena rychlost sepnutí a vypnutí spínače s tranzistorem FET.? 10. Jakých vlastností tranzistorů FET se využívá u paměťových obvodů? 11. Jaké jsou průrazy u tranzistoru FET? b) Jaký je jejich mechanismus? 12. Nakreslete typické zapojení pro nastavení pracovního bodu: a) Bipolárního tranzistoru NPN b)tranzistoru J-FET s kanálem typu N. 13. Nakreslete typické zapojení pro nastavení pracovního bodu: a)tranzistoru JFET s kanálem typu N. b) Tranzistoru IGFET s indukovaným kanálem typu N 14. Porovnejte vlastnosti zesilovače s bipolárním tranzistorem a tranzistorem FET. 15. Porovnejte vlastnosti spínače s bipolárním tranzistorem a tranzistorem FET. 16. Načrtněte strukturu tranzistoru IGBT a její náhradní schéma. 17. Jaké výhody a nevýhody má tranzistor IGBT oproti tranzistorům IGFET. 18. Jaké výhody a nevýhody má tranzistor IGBT bipolárním tranzistorům. 19. Jaké typy IGBT se vyrábí? Vysvětlete. 20. Jaké jsou požadavky na řídící obvod hradla u tranzistorů IGBT a IGFET. 21. Tranzistor v obvodu podle schématu má typické hodnoty I DSS = 12mA, U P = - 4V. Napájecí napětí je U DD = U n = 30 V, velikost R G = 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?
22. Zesilovač s tranzistorem n-jfet je zapojen podle schématu. 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 se zmenší b) R D se zmenší c) Napájecí napětí U n se zvětší. Odpovědi stručně zdůvodněte. 23. Načrtněte výstupní charakteristiky tranzistoru FET pro obě polarity napětí U DS (v 1 a 3 kvadrantu) a označte příslušné režimy tranzistoru.. 24. Nakreslete příklad zapojení zesilovače (uzemněná elektroda S, tř.a) a spínače a pro tranzistor IGFET s indukovaným kanálem typu N.
VZORY OTÁZEK A PŘÍKLADŮ K TUTORIÁLU 4 1. Vysvětlete mechanismus a význam rekombinace: u rychlých součástek.. 2. Vysvětlete mechanismus a význam rekombinace u luminiscenčních diod LED. 3. Vysvětlete mechanismus a význam rekombinace na povrchu polovodiče. 4. Jakým způsobem se dosáhne zvýšení rekombinace u polovodičových součástek. U jakých součástek je zvýšená rekombinace výhodná.vysvětlete. 5. Jakým způsobem se u polovodičových součástek dosáhne snížení rekombinace. U jakých součástek musí být rekombinace co nejnižší. Vysvětlete. 6. Vysvětlete jak účinnost optoelektronických součástek závisí na vlnové délce použitého záření. 7. Jaké opatření je nutné provést u fotodiody pro detekci UV záření. 8. Na čem závisí vlnová délka ( barva ) emitovaného záření u LED diod a Laserových diod? 9. Jaké je použití fotoodporu v optoelektronice. Vysvětlete. 10. Jaké jsou základní části optronu (uveďte alespoň dvě varianty)? Jaké je hlavní použití optronu? 11. Uveďte alespoň dva zdroje záření pro použití v optoelektronice. Uveďte jejich výhody a nevýhody. 12. Vysvětlete činnost luminiscenční diody LED. 13. Vysvětlete princip laseru. 14. Vysvětlete pojmy spontánní a stimulovaná emise. U jakých součástek se uplatňují? 15. Načrtněte uspořádání laserové diody a vysvětlete její funkci. 16. a) Nakreslete strukturu tyristoru a její náhradní schéma. 17. Jakými způsoby je možné převést tyristor z blokujícího do sepnutého stavu? 18. Nakreslete spínací charakteristiku tyristoru pro dvě různé teploty T 2 > T 1 19. a) Jak u tyristoru zvýšíme odolnost proti nežádoucímu sepnutí? b) Používá se obdobné řešení také u jiných součástek. Proč? 20. Co je vratný proud u tyristoru. Jaký má význam. 21. Nakreslete průběhy napětí na anodě tyristoru při 50% výkonu do zátěže a napájení ze střídavé sítě. Do grafu vyznačte kdy je tyristor sepnutý. 22. Nakreslete průběhy napětí na anodě tyristoru při 100% výkonu do zátěže a napájení ze střídavé sítě. Do grafu vyznačte kdy je tyristor sepnutý. 23. Nakreslete průběhy napětí na triaku (na elektrodě A 1 proti uzemněné A 2 ) při 50% výkonu do zátěže a napájení ze střídavé sítě.. Do grafu vyznačte kdy je triak sepnutý. 24. Jak lze při použití tyristoru v obvodech střídavého napětí dosáhnout celovlnné regulace? 25. Za jakých podmínek dojde k vypnutí tyristoru? 26. a) Nakreslete strukturu diaku a jeho AV charakteristiku. b) Vysvětlete jeho činnost a uveďte hlavní oblasti použití.