ELEMENTY PÓAPRZEWODNIKOWE
1. Omówić rodzaje modeli elementów półprzewodnikowych.
W zależności od zakresu amplitud :
- wielkosygnałowe (globalne, lokalne)
- małosygnałowe
W zależności od zakresu częstotliwości :
- stało-prądowe (D.C.) (sterowanie niezmienne w czasie)
- quasi-stałoprądowe ( sterowanie zmienne w czasie, ale sygnał odp. nadąża za syg. pobudzenia)
- zmienno-prÄ…dowe (A.C.)
2. Co to jest punkt pracy elementu i prosta robocza.
Prosta robocza mając dany układ możemy narysować
charakterystykÄ™ i = f(u ), wyznaczajÄ…c z prawa
A AB
Kirchhoffa zależność i od u i przeprowadzić prostą
A AB
pomocniczą (roboczą), która określi nam punkt pracy
elementu.
Punkt pracy jest to określenie punktu spoczynkowego
(I ,U ), czyli określenie wartości prądu i napięcia
0 0
płynącego przez element w stanie spoczynku.
3. Wyjaśnić zasadę tworzenia modelu małosygnałowego elementów półprzewodnikowych.
Sposób tworzenia małosygnałowych modeli liniowych dla m.cz. na podstawie charakterystyk statycznych:
Dla małych przyrostów dla dwójnika możemy zapisać :
diD
" iD = |P *" uD
duD
pochodna liczona jest w punkcie spoczynkowym (pracy) P o współrzędnych I ,U . Pochodna ta ma sens
D D
konduktancji różniczkowej elementu. Skończone przyrosty ze wzoru można zastąpić małymi amplitudami
przebiegu harmonicznego.
Inną metodą jest rozwinięcie funkcji opisującej model statyczny w szereg Taylora i ograniczenie tego
rozwinięcie do dwóch pierwszych wyrazów.
Podobny sposób jest słuszny dla czwórnika elektrycznego (tranzystor), można korzystać z pojęcia różniczki
zupełnej funkcji opisujących charakterystyki statyczne czwórnika, lub rozwinięcia tych funkcji w szereg
Taylora.
Modele małosygnałowe dla w.cz. tworzy się uzupełniając modele małosygnałowe dla m.cz. elementami
inercyjnymi tzn. pojemnościami, które modelują wpływ napięcia na ładunek elektryczny w danym elemencie.
4. Co to jest półprzewodnik samoistny i domieszkowany
Półprzewodnik samoistny półprzewodnik czysty , nie zawierający żadnych zanieczyszczeń
(domieszek).W półprzewodniku takim znajdującym się w temperaturze różnej od 0 K, należy oczekiwać
pojawienia się swobodnych nośników ładunku, gdyż niektóre elektrony z pasma podstawowego mogą zyskać
energię termiczną umożliwiającą przejście do pasma przewodnictwa. Powstały w ten sposób brak elektronu
interpretuje się jako pojawienie w paśmie podstawowym swobodnego nośnika ładunku dodatniego (dziury).
1
Pod wpływem wzrostu temperatury pojawiają się elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie
podstawowym jest to proces generacji termicznej par elektron-dziura. Jednocześnie występuje zjawisko
odwrotne wyłapywanie elektronów przez dziury, tzw. rekombinacja. W stanie równowagi termicznej
procesy te mają zrównoważone szybkości. Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa jest równa
koncentracji dziur w paśmie podstawowym (n = p ). Półprzewodnik samoistny nie ma dodatkowych poziomów
i i
energetycznych w paśmie zabronionym.
Półprzewodnik domieszkowany powstaje poprzez wprowadzenie atomów innych pierwiastków do
przewodnika (domieszkowanie). Rozróżniamy domieszki:
akceptorowe (III-wartościowe : bor, gal, glin), dająca dodatkowe dziury
donorowe (V-wartościowe : fosfor, arsen, antymon), dająca dodatkowe elektrony
Wprowadzenie domieszki powoduje generację pary ruchomy nośnik - nieruchomy jon, oraz generację
termiczną par nośników samoistnych. Występuje też rekombinacja.
5. Co wiesz na temat koncentracji nośników samoistnych, mniejszościowych i większościowych w
materiale półprzewodnikowym.
Koncentracja nośników samoistnych n to ilość nośników generowanych termicznie w jednostce objętości.
i
W danej temperaturze, z dwóch różnych półprzewodników w półprzewodniku o mniejszej wartości
szerokości przerwy energetycznej, wartość koncentracji samoistnej n jest większa. Koncentracja bardzo silnie
i
rośnie przy wzroście temperatury.
W półprzewodniku silnie domieszkowanym typu n nośnikami większościowymi są elektrony, a
mniejszościowymi dziury. Koncentracja nośników większościowych w półprzewodniku typu n to n , a
n
mniejszościowych p . Ponieważ N >>n , więc:
n D-N
A i
W półprzewodniku silnie domieszkowanym typu p nośnikami większościowymi są dziury, a
mniejszościowymi elektrony. Koncentracje dziur oznacza się jako p , a elektronów n . Ponieważ
p p
N - N >>n , więc:
A D i
6. Wymień i omów parametry materiałowe
Do opisu zachowania się mniejszościowych nośników nadmiarowych służą czas życia i długość drogi
dyfuzji.
Czas życia Ä : jest to czas jaki upÅ‚ywa od chwili wyÅ‚Ä…czenia czynnika generujÄ…cego, po którym
p
nadmiarowa koncentracja nośników maleje e-krotnie (średni odstęp czasu między generacją i rekombinacją
nośnika). Dla krzemu współczynnik ten wynosi od 10-9s do 10-5s.
Średnia droga dyfuzji nośników L to odległość po przejściu której koncentracja nadmiarowych nośników
p
maleje e-krotnie w stosunku do wartości na oświetlanej powierzchni (średnia droga przebyta przez nośnik
między jego generacją a rekombinacją). Typowa wartość dla Si w 300K: od 10-5cm do 10-3cm. Między czasem
życia a Å›redniÄ… drogÄ… dyfuzji zachodzi zwiÄ…zek: L=(D*Ä)1/2
2
7. Omów temperaturowe zależności konduktywności materiału półprzewodnikowego.
Konduktywność półprzewodnika samoistnego opisuje wzór:
We wzorze tym od temperatury zależy koncentracja samoistna n oraz ruchliwość µ (µ ~ T-3/2). RoÅ›nie ona
i
exponencjalnie przy wzroście temperatury, praktycznie identycznie jak n , gdyż czynnik potęgowy T3/2 w
i
funkcji n (T) jest znacznie mniej istotny niż czynnik wykładniczy. Temperaturowy współczynnik względnych
i
zmian konduktywności krzemu samoistnego wyraża się wzorem:
Wg 0
1 dÃ
i
=
2
à dT 2kT
i
Konduktywność półprzewodnika silnie domieszkowanego wyraża się zależnością:
We wzorze tym od temperatury zależy tylko ruchliwość µ (µ ~ T-3/2). Konduktywność materiaÅ‚u silnie
domieszkowanego maleje, przy wzroście temperatury, lecz wyraża się zależnością potęgową, znacznie słabszą
od zależności wykładniczej dla materiału samoistnego.
dÃ
1 1,5
= -
à dT T
W szerokim zakresie temperatur zależność konduktywności półprzewodnika silnie domieszkowanego od
temperatury wygląda następująco:
8. Wyjaśnij pojęcie niski poziom wprowadzania nośników
Jest to taki stan, w którym koncentracja nośników nadmiarowych jest dużo mniejsza od koncentracji
równowagowej nośników większościowych. Aby efekt zakłócenia był widoczny, koncentracja nośników
nadmiarowych, musi przewyższać koncentrację równowagową nośników mniejszościowych. Przy niskim
poziomie wprowadzania koncentracja nośników większościowych nie ulega zmianie, ale zmienia się
koncentracja nośników mniejszościowych.
3
9. Omów zasadę działania złącza nie spolaryzowanego oraz pojęcia: złącze metalurgiczne, napięcia
kontaktowe, obszar Å‚adunku przestrzennego
Zetknięcie dwóch obszarów n i p, powoduje powstanie gradientów koncentracji nośników i przepływ
prądów dyfuzyjnych. Elektrony przemieszczają się z obszaru n do p, a dziury z p do n. Przepływ nośników
powoduje zachwianie równowagi elektrycznej, w sąsiedztwie złącza metalurgicznego tworzy się warstwa, w
której powstaje pole elektryczne. Przeciwdziałające dyfuzji nośników. Istnienie pola powoduje przepływ
prądów unoszenia obu rodzajów nośników. Prądy te mają przeciwny zwrot i identyczną wartość bezwzględną
w stosunku do odpowiadających im prądów dyfuzji przy braku polaryzacji suma prądów dyfuzji i unoszenia
zarówno dla elektronów i dziur musi być równa 0 [zero].
Złącze metalurgiczne płaszczyzna między obszarem p i n, na której koncentracje obu rodzajów domieszek
są równe (x = x ). Położenie tego złącza, mierzone w głąb podłoża, zależy od temperatury i czasu dyfuzji.
j
Napięcie kontaktowe(dyfuzyjne, bariery, wbudowane) różnica potencjałów między obszarami p i n,
spowodowana istnieniem pola elektrycznego w warstwie zaporowej. Dla Si w 300K ~ 600 800mV.
Dla złącza skokowego wyraża się wzorem:
Napięcie U zależy od koncentracji domieszek i temperatury. Wyższy potencjał występuje w obszarze
B
typu n.
Obszar ładunku przestrzennego (opróżniony, przejściowy, warstwa zaporowa) warstwa nieobojętna
elektrycznie, w pobliżu złącza metalurgicznego, pozbawiona nośników swobodnych, o której ładunku
przestrzennym decydują jony domieszek. Pozostała część złącza, to obszary neutralne elektrycznie. Obszar
opróżniony wnika głębiej w obszar słabiej domieszkowany.
10. Przedstaw i omów charakterystykę i(u) złącza idealnego (hasło: potencjał termiczny, prąd
nasycenia):
Założenia upraszczające dla złącza idealnego:
- złącze skokowe
- jednowymiarowy charakter zjawisk w złączu
- niski poziom wprowadzania
- pole elektryczne występuje tylko w warstwie zaporowej
- pominięta rezystywność obszarów neutralnych
- brak procesów generacji rekombinacji w obszarze zaporowym
- nie występują efekty przebicia
Wzór na statyczną charakterystykę i (u)złącza idealnego ma postać:
4
Postać graficzna modelu (skala log lin) ch-ka odcinkowo liniowa:
W charakterystyce odcinkowo liniowej pomija się przepływ prądu dla napięć zaporowych i przewodzących do
wartości napięcia U . Dla Si U wynosi od 600-800mV.
p p
Założenia upraszczające:
Potencjał termiczny (U ) parametr, którego wartość zależy od wartości temperatury, jego wartość dla
T
300K wynosi 25,8mV:
Prąd nasycenia parametr, którego wartość zależy od temperatury, wartość zawiera się w przedziale :
11. Omów model małosygnałowy złącza idealnego
Mały przyrost prądu I diody opisanej wzorem i =f(u ) wokół punktu pracy o współrzędnych (I ; U ) jest
a A AB 0 0
równy różniczce funkcji opisującej zależność i od u:
gdzie przewodność dyfuzyjna:
Rezystancja dyfuzyjna (dla małych sygnałów przyrostowa, dynamiczna)
5
Dla kierunku przewodzenia można w liczniku pominąć I wobec prądu polaryzującego. Dla polaryzacji
S
zaporowej, gdy i = -I rezystancja różniczkowa jest nieskończenie duża.
S
Dla małych amplitud sygnałów harmonicznych m.cz. można zapisać dla złącza idealnego:
Schemat zastępczy dla modelu małosygnałowego m.cz. to rezystor, którego wartość rezystancji zależy od
punktu pracy (składowej stałej).
Dla dużych częstotliwości należy uwzględnić elementy inercyjne (pojemność dyfuzyjną i bariery):
Y= g + jÉ (C + C )
d d j
I = I + I = Y * U
t a dj ab
2
|I | = [ g + É2 ( C + C )2]1/2 * U
t d d j ab
12. Zdefiniować pojęcia: pojemność złączowa, pojemność dyfuzyjna złącza.
Poj. dyfuzyjna Cd reprezentuje zależność nośników mniejszościowych na brzegu obszarów neutralnych od
wielkości napięcia na złączu
i + Is
Cd = Ä Å"
czyli Cd ~ i prÄ…d dyfuzyjny
U
T
Ä ma sens czasu przelotu noÅ›ników mniejszoÅ›ciowych przez bazÄ™ zÅ‚Ä…cza (baza krótka) zaÅ› dla bazy dÅ‚ugiej
jest czasem życia noÅ›ników mniejszoÅ›ciowych(Ä Ä )
n p
czyli Cd ~ Io istnieje praktycznie dla kierunków przewodzenia
Poj. złączowa jest związana z ładunkiem nie skompresowanych jonów domieszek domieszek obszarze
opóznionym złączu. Formalnie można przypisać tej wartości pojemność identyczną jak dla kondensatora
płaskiego o odległości między okładkami różnej d.
Cjo
Cj =
U Cj= C(U=0)
Cj ~ Ns
1-
UB
µ Å" µ o Å" S
Cj =
Ns koncentracja domieszek domieszek obszarze słabiej domieszkowanym
d(U )
Zależność graficzna pojemności od napięcia na złączu
13. Omówić właściwości diod rzeczywistych.
6
Złącze liniowe w diodzie idealnej występował skokowy rozkład koncentracji domieszek. W
rzeczywistych złączach rozkład ten jest opisany zazwyczaj funkcją exponencjalną. Takie złącze (liniowe)
różni się od skokowego inną zależnością szerokości warstwy ładunku przestrzennego i pojemności
zÅ‚Ä…czowej od napiÄ™cia (wystÄ™pujÄ… wykÅ‚adnik potÄ™gowy 1/3 a nie ½):
Wysoki poziom wprowadzania dla dużych gęstości prądu koncentracja mniejszościowych nośników
nadmiarowych w bazie diody, staje się porównywalna z równowagową koncentracją nopśników
większościowych i przestaje być słuszne założenie, o niskim poziomie wprowadzania. Należy
zmodyfikować charakterystyki statyczne:
Inny stosowany opis to:
Rezystancja szeregowa diody składa się na nią rezystancja obszarów neutralnych półprzewodnika,
głównie bazy, rezystancja styków metal półprzewodnik, oraz doprowadzeń metalowych. Największą
wartość przyjmuje rezystancja półprzewodnika. Rezystancję szeregową należy uwzględnić w
charakterystykach statycznych i modelu małosygnałowym:
Dla przypadku stałoprądowego: dla małego sygnału:
Procesy generacji i rekombinacji w warstwie zaporowej w złączu idealnym założono, że w warstwie
ładunku przestrzennego nie występuje generacja i rekombinacja. W rzeczywistości przy polaryzacji
zaporowej duże znaczenie ma generacja nośników w warstwie zaporowej. Powstaje prąd generacyjny i ,
G
dla Si jest on znacznie większy niż I ( dla 300K i H" 103 I ). Prąd generacyjny decyduje o prądzie
S G S
wstecznym diody i zależy od napięcia tak jak szerokość warstwy zaporowej d(u). Zależy
też od koncentracji samoistnej n
i
!! !!
Dla kierunku przewodzenia w obszarze bariery, część przelatujących nośników rekombinuje. Powstaje
dodatkowa składowa prądu, tzw. prąd rekombinacyjny ( m należy <1;2>):
7
Składnik ten odgrywa dużą rolę przy małych napięciach polaryzujących złącze przewodząco (uA)
Przebicie złącza zwiększanie napięcia wstecznego na diodzie (zwiększanie natężenia pola elektrycznego
w warstwie bariery) powoduje wzrost prądu wstecznego. Przy pewnej wartości napięcia wstecznego
niewielkie zmiany napięcia powodują znaczny wzrost prądu obszar (zakres) przebicia złącza.
" Zjawisko Zenera ma miejsce w złączach o silnie domieszkowanej bazie, zachodzi przy
natężeniu pola elektrycznego EH"106V/ cm oraz małej grubości warsty opróżnionej (typowo
poniżej 4V). Zachodzi bezpośrednie przechodzenie nośników, np. dziur z pasma
podstawiowego w obszarze n do pasma przewodnictwa w obszarze p, przez barierÄ™
energetyczną, którą jest warstwa zaporowa. Jest to tzw. efekt tunelowy.
" zjawisko jonizacji zderzeniowej występuje dla złącz słabiej domieszkowanych, zachodzi
przy mniejszych natężeniach pola ale grubszych warstwach opróżnionych,( typowo zachodzi
powyżej 10V). Dla odpowiednio dużego napięcia przechodzi w powielanie lawinowe.
i
W- prÄ…d wsteczny w zakresie powielania lawinowego
i prÄ…d przy braku powielania
0
M współczynnik powielania lawinowego
U napięcie przebicia, przy którym prąd dąży do nieskończoności
Z
· - należy od 2 do 6
Napięcie przebicia zależy od domieszkowania złącza. Dla przebicia lawinowego, dla złącz skokowych jest
odwrotnie proporcjonalne do koncentracji domieszek w bazie diody, a dla złącza liniowego odwrotnie
proporcjonalne do gradientu koncentracji domieszek.
PODSUMOWANIE:
" kierunek zaporowy - Iu prąd upływu
" kierunek przewodzenia -
" model małosygnałowy dla w.cz.
8
14. Omówić wpływ temperatury na właściwości diody
UZ(T ) = UZ 0[1+ ² Z(T - T 0)]
- charakterystyka wsteczna
² <0 ef. Zenera; ²Z>0 ef. Lawinowy; ²ZH"0 dla u = 4÷6V
Z
1 diG Wg 0
Å‚ iG = Å" =
2 H"8%K-1
iG dT
iS
2kT
1 diG Wg 0
Å‚ iS = Å" =
2 H"16%k-1
iG
iS dT
kT
- kierunek przewodzenia
u i
T>T0
u - UG0
i = Aexp T
UT T0
kT i
i3
u = ln + UG0
i2
q A
i1
T u
Dopuszczalna temperatura złącza:
Tj = Ta + Rth Å" P
Tj max- Ta
P max =
Rth
15. Omówić zakresy i konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego (BJT).
Zakresy pracy:
" aktywny normalny złącze emiterowe spolaryzowane przewodząco, a kolektorowe zaporowo
" nasycenia oba złącza spolaryzowane przewodząco
" odcięcia oba złącza spolaryzowane zaporowo
" aktywny inwersyjny - złącze kolektorowe spolaryzowane przewodząco, a emiterowe zaporowo
Konfiguracje pracy jednoznacznie definiują sposób połączenia końcówek z układami zewnętrznymi:
wejściowym (sterującym) i wyjściowym (sterowanym). W nazwie konfiguracji jest informacja o końcówce
wspólnej dla wejścia i wyjścia. Znaki napięć są określone przez typ tranzystora (npn, pnp).
16. Omówić zasadę działania idealnego BJT w zakresie aktywnym normalnym.
Zakres aktywny normalny złącze emiterowe spolaryzowane przewodząco, kolektorowe zaporowo.
W tranzystorze npn spolaryzowanym przewodząco złącze emiterowe wstrzykuje do bazy nadmiarowe
elektrony, te przemieszczają się w stronę złącza kolektorowego i po przejściu przez warstwę zaporową
docierają do kolektora. Baza jest linią transmisyjną , przez którą płyną nośniki. Aby ten przepływ był
związany z możliwie małymi stratami na rekombinację, obszar bazy powinien być krótki w sensie
używanym dla złącza pn.
9
17. Co to jest model Ebersa-Molla (postać i przeznaczenie)
Model ten jest słuszny dla dowolnego zakresu pracy. Umożliwia uzyskanie charakterystyk statycznych dla
dowolnego zakresu pracy.
W pierwszej wersji modelu (injekcyjny) zakłada się, że prąd każdego złącza stanowi superpozycję prądu
własnego oraz prądu zbieranego, wstrzykniętego przez drugie złącze.
i , i prądy własne
EW CW
Ä…N
zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla zakresu aktywnego
normalnego
Ä…I
- zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla zakresu aktywnego
inwersyjnego
Pełna postać modelu:
Druga wersja modelu może być zapisana, jako równania admitancyjne, w których prąd emitera i kolektora
uzależnione są od napięć na złączach:
Z równania i =... wynika postać charakterystyki przenoszenia:
C
18. Omówić małosygnałowy model BJT dla m.cz. w konfiguracji WB iWE.
Modele te dotyczą zakresu aktywnego normalnego, są słuszne dla m.cz.:
Konfiguracja WB:
Dla obwodu wejściowego
Ie = geb Å" Ueb , gdzie Ie ,Ueb - amplitudy prÄ…rÄ…demitera i napiÄ™api B - E
geb - konduktancja wejśwejśc zdefiniowana jako :
diE uBE - iE
geb = , iE = - I (exp - 1) , więi geb =
ES
duEB UT UT
Prąd emitera w zakresie jest ujemny, więc konduktancja g jest dodatnia.
eb
Z charakterystyki przenoszenia i (i )= -ą i +I wynika, że w obwodzie wejściowym występuje
C E E CB0
generator prądowy o wydajności ą sterowany prądem wejściowym :
I = - Ä… I
c e
Prąd wyjściowy można powiązać z napięciem wyjściowym korzystając z charakterystyki statycznej
uBE
iC (uBE ) = A21 Å" exp
UT
,więc I =-g * U
c m eb
10
Oznacza to że w obwodzie wyjściowym generator prądowy o wydajności g sterowany napięciem wejściowym.
m
diC iC
gm = =
Transkonduktancja g jest zdefiniowana jako
m
duBE UT
Między g i g zachodzi zależność : g =g * ą
m eb m be
Schemat zastępczy :
Konfiguracja WE:
Dla obwodu wejściowego I = g * U .
b be be
konduktancja wejściowa g jest zdefiniowana
be
diB uBE iB
gbe = iB (uBE ) = I Å" (exp - 1) Ò! gbe =
BS
duBE UT UT
iC (iB ) = ² Å" iB + ICE0 Ò! Ic = ² Å" Ib
uBE
Dla obwodu wyjściowego :
iC (uBE ) = A21 Å" exp Ò! Ic = gm Å" Ube
UT
Transkonduktancja g zdefiniowana jest tak jak dla ukÅ‚adu WB. Zachodzi zwiÄ…zek : g =² * g
m m be
Schemat zastępczy :
19. Wymień i omów częstotliwościowe parametry graniczne BJT.
WB:
Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowej zmiennej o małej amplitudzie: h :
fb
Ä…
Ic gm Ä… geb
hfb =
hfb = - = = gdzie fÄ… =
2
f
Ie Ucb = 0 geb + jÉ (Cde + C ) 2 (Cde + C )
ëÅ‚ öÅ‚
f
je je
1+ j Å"
ìÅ‚ ÷Å‚
1+
ìÅ‚ ÷Å‚
fÄ…
fÄ…
íÅ‚ Å‚Å‚
Częstotliwość fą to tak, dla której moduł współczynnika h maleje 21/2 krotne (3dB) w porównaniu z wartością
fb
tego współczynnika dla małych częstotliwości.
Zależność modułu współczynnika h od częstotliwości:
fb
WE:
11
Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowej zmiennej h :
fe
Ic ² gm
hfe = = gdzie f² =
Ib Uce = 0 1+ j f 2 (Cde + C + C )
je jc
f²
CzÄ™stotliwość charakterystyczna f² to taka, dla której moduÅ‚ współczynnika h maleje 21/2-krotnie w
fe
porównaniu z wartością tego współczynnika przy małych częstotliwościach.
²
hfe =
2
ëÅ‚ öÅ‚
Moduł współczynnika h wyraża się następująco :
fe f
ìÅ‚ ÷Å‚
1+
ìÅ‚ ÷Å‚
f²
íÅ‚ Å‚Å‚
Charakterystyka częstotliwościowa |h | :
fe
Dla maÅ‚ych czÄ™stotliwoÅ›ci |h | jest praktycznie równy współczynnikowi ² .
fe
Dla f >>f² jest odwrotnie proporcjonalny do czÄ™stotliwoÅ›ci.
Częstotliwość charakterystyczna f to taka, dla którj |h | = 1. Wartość rzędu kilkuset MHz.
T fe
fT = hfe( f ) Å" f fT H" ² Å" f² H" fÄ…
p p
20. Co wiesz na temat parametrów czwórnikowych BJT?
Impedancyjne mierzone w warunkach rozwarcia wejścia lub wyjścia.
Admitancyjne mierzone przy zwarciu wejścia lub wyjścia.
Hybrydowe mierzone przy rozwarciu wejścia lub zwarciu wyjścia
12
21. Co to jest tranzystor rzeczywisty?
W tranzystorze rzeczywistym uwzględnia się wpływ zjawisk drugorzędnych, nieuwzględnionych w analizie
tranzystora idealnego.
Rezystancje szeregowe.
Rezystywność obszarów neutralnych powoduje powstanie
rezystancji szeregowych (rozproszonych), które występują między
końcówkami tranzystora idealnego a rzeczywistego.
Największe znaczenie ma rezystancja szeregowa bazy r , która
b
zależy od szerokości bazy. Im mniejsza szerokość bazy tym większa
rezystancja. Nie jest liniowa. Wartości zawierają się w rzędzie od
kilkunastu kilkuset &!.
Rezystancja szeregowa kolektora (r ) jest określona przez
c
rezystywność obu warstw typu n, tworzących kolektor. Użycie warstwy n+ silnie domieszkowanej zamiast
warstwy n w pobliżu kontaktu kolektora zmniejsza tę rezystancję. Wartości są rzędu kilku &!.
Rezystancja szeregowa emitera przyjmuje najmniejsze wartości gdyż jest to obszar silnie domieszkowany o
niewielkiej grubości. Istotny wpływ ma rezystancja kontaktu i doprowadzeń. Wartość jest rzędu ułamka &!.
Małe gęstości prądu.
Występuje zjawisko rekombinacji w złaczu przewodzącym ( złącze E-B jak takie piwko).
1 1 C
= +
M
² ² iC
i
Duże gęstości prądu.
Przy wzroÅ›cie prÄ…du kolektora w zakresie dużych prÄ…dów maleje współczynnik ² oraz czÄ™stotliwość f
T
właściwości użytkowe stają się gorsze. Występuje :
- modulacja konduktywności bazy
- rozszerzanie bazy (efekt Kirke a)
- quasi nasycenie
- samo-nagrzewanie
- zagęszczanie prądu emitera (przepływ znacznego prądu bazy powoduje niejednakową
polaryzację poszczególnych części złącza emiterowego; części najbardziej oddalone
od kontaktu bazy są polaryzowane najmniejszym napięciem wskutek spadku napięcia
na rezystancji szeregowej bazy)
PrÄ…dy zerowe.
13
Są to prądy płynące przez tranzystor włączony w układzie dwójnika, tzn. przy polaryzacji 2 końcówek, bez
oddzielnej polaryzacji końcówki 3-ej.
Zjawiska przebić (patrz nastÄ™pne pytanie) Jð
Efekt napięciowej modulacji napięciowej bazy patrz pytanie 23.
22. Co wiesz na temat zjawisk przebicia w BJT?
Wartości napięcia przebicia obu złączy zależą od konfiguracji pracy, sposobu włączenia zacisku sterującego
oraz od wartości prądu sterującego. Najważniejsze katalogowe parametry charakterystyczne dotyczą rozwarcia
elektrody sterujÄ…cej.
Konfiguracja WB:
" i =0
E
dla złącza kolektorowego (przebicie lawinowe U - kilkadziesiąt kilkaset voltów)
CB0
dla złącza emiterowego (przebicie Zenera U do 10V)
EB0
" i `"0
E
1
IC = (Ä… Å" iE + ICB0 ) Å" M M =
· " (2,6)
uCB
1- ( )·
uCB0
M współczynnik powielania lawinowego
Wniosek: napięcie przebicia nie zależy od prądu emitera i U =U
BR CB0
Konfiguracja WE:
Napięcia przebicia w tej konfiguracji są mniejsze niż w WB
" dla rozwartej bazy: i =0
B
14
M Å" ICB0
ICE0 = (Ä… Å" ICE 0 + ICB0 ) Å" M Ò! ICE 0 =
1- Ä… Å" M
" dla i `"0
B
23. Wyjaśnić efekt Early ego.
Dla zakresu aktywnego normalnego ważna jest warstwa opróżniona złącza kolektorowego spolaryzowana
zaporowo. Wnika ona w słabiej domieszkowany obszar, a wnikając w nierównomiernie domieszkowany obszar
bazy, napotyka na półprzewodnik coraz silniej domieszkowany. Jest to tzw. zjawisko Early ego.
Efekt ten powoduje, że w zależnosciach statycznych prÄ…d kolektora oraz bazy , jak również współczynnik ²
zależą od napięcia kolektor emiter. Statyczna charakterystyka wyjściowa z uwzględnieniem efektu
Early ego dla zakresu aktywnego normalnego (z pominięciem I ):
CE0
24. Omówić charakterystyki statyczne BJT.
Charakterystykami statycznymi nazywamy wykresy przedstawiające zależności między prądami i napięciami
na różnych elektrodach tranzystora uzyskane przy doprowadzeniu do elektrod regulowanych napięć stałych. W
zależności od tego które z napięć i prądów przyjmujemy jako zmienne niezależnie można otrzymać różnorodne
charakterystyki tranzystora :
15
Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami: I , I , I i napięciami: U U ,
E C B BE CE
U , stałymi lub wolnozmiennymi. Rozróżnia się charakterystyki: wyjściowe, wejściowe, prądowe
CB
(przejściowe) i sprzężenia zwrotnego.
Charakterystyki wyjściowe przedstawiają związek między I i U . Przebieg ich zależy od I , który jest
C CE B
parametrem rodziny krzywych. Na charakterystykach wyjściowych można wyróżnić kilka zakresów
związanych z polaryzacją złączy emiter-baza i kolektor-baza. Najczęściej wykorzystuje się zakres aktywny, w
którym złącze emiter-baza jest spolaryzowany w kierunku przewodzenia (potencjał bazy wyższy od potencjału
emitera), zaś złącze kolektor-baza w kierunku wstecznym (potencjał kolektora wyższy od potencjału bazy).
Tranzystor ma właściwości wzmacniające.
Prądy zerowe tranzystora wynikają z prądów wstecznych złączy kolektorowego i emiterowego. W
tranzystorach krzemowych małej mocy jest on rzędu nA.
25. Zdefiniować obszar bezpiecznej pracy BJT (SOA).
Jest to obszar wyróżniony przez dopuszczalne
parametry katalogowe:
- moc admisyjna P
a
- prÄ…d max. I
Cmax
- PrÄ…d zerowy I
CE0
- Napięcie max. U
CE0
- Napięcie nasycenia U
CESat
26. Omówić wpływ temperatury na właściwości BJT.
Temperatura wpływa na prądy zerowe:
" wpÅ‚yw temp. na współczynnik ² (od uÅ‚amka do ok. 1 %/ K ).
" wpływ temp na napięcie przebicia
16
27. Zdefiniować parametry związane z pracą wielkosygnałową dynamiczną BJT.
28. Przedstawić podział tranzystorów FET.
Podział ze względu na 3 parametry: sposób izolacji, rodzaj kanału, technologia kanału:
29. Podać zależności stanowiące model stałoprądowy MOS.
30. Wyjaśnić pojęcia: tranzystor z kanałem wbudowanym, tranzystor pracujący ze zubożaniem,
tranzystor normalnie wyłączony, tranzystor z kanałem n, napięcie progowe.
tranzystor z kanałem wbudowanym kanał istnieje w postaci wbudowanej warstwy półprzewodnika o
przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże;
tranzystor pracujący ze zubożaniem (depletion mode) płynie w nim prąd przy napięciu u =0; może to być
GS
tranzystor z kanałem wbudowanym lub indukowanym; DMOS
tranzystor normalnie wyłączony - nie płynie w nim prąd przy napięciu u =0; tranzystor pracujący ze
GS
wzbogacaniem ( enhancemnet mode); może to być tylko tranzystor z kanałem indukowanym; EMOS
tranzystor z kanałem n przewodnictwo typu n w kanale;
napięcie progowe (threshold voltage, U ) określa sytuację kiedy powstaje kanał i zaczyna płynąć prąd drenu;
p
napięcie bramka zródło (u ) przy którym koncentracja nośników mniejszościowych pod elektrodą bramki
GS
jest równa równowagowej koncentracji nośników większościowych w podłożu;
17
31. Narysować charakterystyki wyjściowe i przejściowe (przenoszenia) dla wybranego typu tranzystora
MOS.
1) wyjściowa i (u )
D DS
2) przejściowa i (u )
D GS
32. Omówić wpływ temperatury na charakterystyki tranzystora MOS.
Temperatura wpływa na parametr materiałowy B. Wynika to z zależności tego parametru od ruchliwości
µ(T). WpÅ‚ywa to wiÄ™c na charakterystyki wyjÅ›ciowe:
B ~ T- º º H" 1
Wartość º wynika z wpÅ‚ywu miÄ™dzypowierzchni na mechanizm rozpraszania noÅ›ników.
Napięcie progowe zależy liniowo od temperatury:
dU dU
ëÅ‚ öÅ‚
p p
ìÅ‚ ÷Å‚
U (T) = U (T0 ) Å" 1+ Å" " T gdzie = - kilka mV/K
p p
ìÅ‚ ÷Å‚
dT dT
íÅ‚ Å‚Å‚
Wpływ temperatury na statyczną charakterystyke i (u ):
D GS
W zakresie małych prądów drenu przy ustalonym napięciu u prąd drenu rośnie przy wzroście temperatury,
GS
natomiast w zakresie dużych prądów maleje. Istnieje punkt autokompresji termicznej, w którym temperatura
18
nie wpływa na prąd drenu. Malenie prądu drenu przy wzroście temperatury widoczne dla dużych prądów, jest
bardzo korzystnÄ… cechÄ… tranzystora MOS.
33. Jakie dodatkowe efekty i w jaki sposób uwzględnia się w modelu rzeczywistego tranzystora MOS.
Modulacja ruchliwości nośników nośniki poruszające się w stronę drenu zderzają się z międzypowierzchnią
Si-SiO , co wpływa na ich ruchliwość; na częstość zderzeń wpływa napięcie u decydujące o polu
2 GS
elektrycznym poprzecznym do kanału; modyfikuje się charakterystyki statyczne poprzez zmianę parametru B
(zastÄ…pienie µ przez µ); uwzglÄ™dniajÄ…c wpÅ‚yw u na ruchliwość mamy (¸ - parametr modelu):
0 GS
Modulacja długości kanału (zakres pentodowy) w zakresie pentodowym w tranzystorze idealnym kanał jest
odcięty przy drenie; w tranzystorze rzeczywistym odcięcie nie jest punktowe przy wzroście napięcia u
DS
odcięcie kanału ma miejsce na coraz większym odcinku; występuje więc modulacja napięciowa długości
kanału w miarę wzrosty u maleje rezystancja kanału, więc prąd drenu rośnie (ł- parametr modelu, 1/ł- sens
DS
tak jak napięcie Early ego w BJT):
Praca w zakresie podprogowym (odcięcia) założono że w zakresie odcięcia prąd drenu nie płynie; w
rzeczywistości przy braku kanału między drenem i podłożem istnieje złącze pn spolaryzowane zaporowo
(drugie złącze podłoże zródło jest zwarte); płynie więc prąd drenu o wartości zbliżonej do prądu wstecznego
złącza; prąd ten silnie rośnie przy wzroście temperatury;
W tranzystorze rzeczywistym może wystąpić przebicie zaporowo spolaryzowanego złącza pn dren
podłoże.Z powodu charakteru domieszkowania podłoża przebicie ma charakter lawinowy. W katalogu określa
się to napięcie przy określonym napięciu bramki np. u =0.
GS
Przebicie między bramką a podłożem to przebicie warstwy izolatora, gdy natężenie pola elektrycznego
w izolatorze osiąga krytyczną wartość. Występuje przy kilkudziesięciu voltach, przeważnie niszczy strukturę(w
izolatorze powstają kanaliki zwierające bramkę i podłoże).
34. Omówić typową strukturę tranzystora MOS.
35. Jak tworzy się model małosygnałowy tranzystora MOS narysować taki model dla m.cz. sygnału.
W przypadku modelu m.cz, model małosygnałowy tranzystora MOS (sposób tworzenia w pytaniu 3) należy
uzupełnić o pojemności:
- pojemność bramki: Cg
- poj. Warstwy opróżnionej dren podłoże: Cdb
19
- pojemności pasożytnicze wynikające z nakładki powierzchni bramki nad zródło i dren: C , C
gse gde
36. Omówić zasadę działania tranzystora JFET.
37. Omówić zasadę działania właściwości i podstawowe zależności dla termistora.
38. Omówić charakterystyki i właściwości innych znanych ci półprzewodników bezzłączowych
elementów dwójnikowych.
39. Omówić dane katalogowe wybranego elementu półprzewodnikowego.
40. Co wiesz na temat modelu termicznego elementu półprzewodnikowego (hasła: temperatura wnętrza,
moc maksymalna, rezystancja oraz przejściowa impedancyjna termiczna).
20
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
lista pytan na egzamin magisterski ODPOWIEDZIZESTAWY PYTAN NA EGZAMIN Z PEDPrzykładowe propozycje pytań na Egzamin Dyplomowy InżynierskiKartografia opracowanie pytań na egzaminZestaw pytań na egzamintesty z javy na egzamin odpowiedziLista pytań na egzaminPytania na Egzamin odpowiedzi 1 07baza pytań na egzamin z biochemii 2010 wersja I (1)Zestaw pytan na egzamin dyplomowy kierunku Turystyka i Rekreacja40 pytan na stankelista pytan na egzaminzestaw pytan na egzamin z postepowania?ministracyjnegopytania egzaminacyjne z prawa administracyjnego opracowanie pytan na egzamininstalacje i oświetlenie elektryczne opracowanie pytań na egzaminwięcej podobnych podstron