Elektronika I Dr. Istók Róbert

Átírás

1 Elektronika I Dr. Istók Róbert

2 Történeti {ttekintés Tekercs Kondenz{tor Elektroncső 1948 Bell Labs

3 Intel nov. 15. Intel 4004 mikroprocesszor 2300 tranzisztor 10 µ𝑚 (mikron) technológia Jelenleg több mind tranzisztor 32nm (nanométer)

4 Félvezetők Félvezetőknek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek fajlagos ellenállása a vezetők és a szigetelők közé esik. A félvezetők ellenállása a hőmérséklettel exponenciálisan csökken

5 Félvezetők fizikai alapjai A félvezetőknél a vegyértéksáv és a vezetési sáv közötti tiltott sáv mindössze pár elektronvolt (a germánium esetében 0,7 ev, a szilícium esetében 1,1 ev). Így a vezetési sávban az elektronok, a vegyértéksávban pedig a lyukak keletkeznek. A töltéshordozók kialakulása révén az anyag vezeti az elektromos áramot.

6 Elemi, szil{rd oldatok, vegyület félvezetők Elemi félvezető anyagok: germánium (GE); szilicíum (Si) szelén (Se) Szilárd oldat típusú félvezetők: gallium-arzenid (GaAs); gallium-aluminiumarzenid (GaAlAs); indium-antimonid (InSb), Vegyület félvezető: ólom-szulfid (PbS); titán-oxid (TiO 2 )

7 P,N félvezető A félvezető ellenállásának csökkentése érdekében a félvezetőt adalékolják. Az alkalmazott adalékatomnak eggyel több vagy kevesebb elektronja van, mint a félvezetőnek. Ha eggyel több, akkor negatív (N) típusú félvezetőről beszélünk (az adalék atomokat pedig donornak nevezik), ellenkező esetben pozitív (P) típusúról (az adalékatomokat pedig akceptoroknak nevezik).

8 P-N {tmenet a kétféle p és n típusú félvezetõ közti határréteget nevezzük p-n átmenetnek töltött zóna alakul ki a határréteg két oldalán, a p típusú rétegben a negatív ionok miatt negatív töltés, az n típusú rétegben a pozitív donoratomok miatt pozitív töltés lesz jelen A töltéshordozók hiánya miatt kiürített rétegnek nevezzük a határréteget.

9 Félvezető dióda A dióda két kivezetéssel ellátott, egy p-n átmenetet tartalmazó félvezető eszköz, amely egyenirányításra alkalmas.

10 Vezető-Lez{rt {llapot A p rétegre pozitív, az n rétegre negatív feszültséget kapcsolva: Elektronok lépnek át a p típusú rétegbe Lyukak lépnek át az n típusú rétegbe. A dióda vezet, már kis nyitófeszültség hatására. Si dióda nyitófeszültsége U 0 =0,6V A p rétegre negatív, az n rétegre pozitív feszültséget kapcsolva: A kissebségi töltéshordozók szállítják az áramot. A kissebségi töltéshordozók száma nagyon kicsi. A dióda lezárt állapotba kerül

11 Dióda karakterisztika Nyitóirányú karakterisztika IS szaturációs áram (Si dióda 10pA) m 1 2 tapasztalati érték 𝑈𝑇 termikus feszültség szobahőmérsékletnél 26mV k=1,38*10-23j/k, Boltzman állandó T abszolút hőmérséklet (Kelvin fok) q=1,6*10-19 elemi töltés Záróirányú karakterisztika Alig változó záróirányú áramérték mellet követi a feszültség növekedést

12 Különböző típusú diód{k

13 Bipol{ris Tranzisztor Felépítése Három, eltérően adalékolt tartományból áll. NPN-tranzisztor két N-típusú tartomány között egy vékony P-típusú réteg van. PNP-tranzisztor két P-típusú réteg közé kerül egy vékony N-típusú tartomány. A két szélső réteget kollektornak (C), illetve emitternek (E) nevezik, a középső réteget bázisnak (B) hívják.

14 Működési tartom{nyok helyettesítő kapcsol{s tartom{ny BE BC alkalmaz{s Norm{l NY Z Line{ris üzem lez{rt Z Z Kapcsoló üzem nyitott NY NY Kapcsoló üzem Inverz aktív Z NY ritk{n

15 Bipol{ris tranzisztor {ramai B - egyenáramú áramerősítési tényező Váltakozó áramú jelek esetén kis i betűt használunk. B helyet β-t használunk

16 Bipol{ris tranzisztor karakterisztik{i Emitter földelve Bemenet a bázisra Kimenet a kollektorra

17 Négypólus H paraméterek i 1 -et, vagy u 2 null{v{ téve kifejezzük az adott H paramétert

18 Népólus H paraméteres helyettesítő képe

19 Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe Hibrid vagy Giacolleto-modell

20 Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe r BB bázis-hozzávezetési ellenállás 5-50Ω. Nagy frekvenciás áramkörökben zavaróminél kisebb r e bázis emitter dióda dinamikus ellenállása U T termikus feszültség

21 Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe B, 𝛃 bázisáramra vonatkoztatott áramerősítési tényező Kisfrekvenciás, kisteljesítménű (100mA) Kisfrekvenci{s, nagyteljesítménű (több A) Nagyfrekvenci{s (tranzit hat{rfrekvencia legal{bb 1GHz) Szuper β tranzisztorok

22 Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe µ - feszültség-visszahat{si tényező Kollektor-emitter feszültség v{ltoz{sa milyen mértékben hat vissza a b{zis-emitter dióda feszültségére 𝑔𝑚 meredekség. B{zis-emitter feszültség v{ltoz{sa milyen mértékben v{ltoztatja meg a kollektor{ramot mS, munkaponti adatok függvénye

23 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

24 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

25 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

26 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

27 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

28 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

29 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

30 Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

31 Térvezérlésű tranzisztorok Bemenő áramuk közel 0 Kis teljesítményigény Kis helyigény A többségi töltéshordozók árama határozza meg a működést kisebb hőmérséklefüggés Szimetrikus eszközök, a kapcsok felcserélhetőek unipoláris tranzisztor

32 Z{róréteges j-fet (field effect transistor) A source és drain elektródák közötti többségi töltéshordozó áramot a gate elektródára kapcsolt feszültséggel tudjuk változtatni azáltal, hogy változtatjuk a záróirányba előfeszített pn átmenet feszültséget váltazik a kiürített réteg vastagsága az áramvezetésre alkalmas csatorna keresztmetszetje. Legfontosabb paraméter 𝑉𝑝 elzáródási feszültség ( amikor akiürített réteg teljesen elzárja a csatornát)

33 J-FET Karakterisztik{k

34 Kiürítéses MOSFET n típusú sziliciumréteg erősen szennyezett n csatorna vékony és gyengén szennyezet A gate-ra negatív feszültséget kapcsolunk, az elektromos tér, a n csatornából az elektronokat taszítja, kikinszeriti a csatarnaból. Ha a negatív feszültség eléri a lezárófeszültséget a csatorna teljesen kiürül, lezáródik és rajta az áram nem folyikfeszültség

35 Kiürítéses MOS FET karakterisztik{i Pozitív vezérlő feszültség esetén is működőképes marad a tranzisztor Pozitív feszültség növeli a töltés hordozók számát a csatornában

36 Növekményes MOS FET Két erősen szennyezet n típusú üreg, n csatorna nincs Gate-ra pozitív feszültséget kapcsolunk. Az erőtér taszítja a lyukakat és vonzza az elektronokat. Kis pozitív gate feszültség először a p típusú szubsztrát gate alatti részéből távoznak a lyukak, és kiürített réteg alakul ki. Gatefeszültség növeléssel az elektromos tér source üregből elektronokat vonz és létrehozza a csatornát

37 Növekményes MOS FET karakterisztik{i Uk küszöbfeszültség(2-4v) ahol a csatorna létrejön A MOS-FET-ek előnyös tulajdonsága a JFET-hez képest, hogy míg utóbbi gate-jén folyik valamennyi záróáram, a MOS FET gate-je el van szigetelve, tehát az tökéletes szakadásként viselkedik

38 FET helyettesítő kép g m meredekség, kisebb mint bipoláris tranzisztor esetén g DS drain és source között fellépő vezetés

39 Munkapont be{llít{sa b{zisköri feszültségosztóval 𝑅𝐸 stabilizálja a munkapontot a hőmérséklet ellenében 𝐶𝑒 váltokozó áramú szempontból rövidre zárja 𝑅𝐸 A feszültségosztó állandó 𝑈𝐵0 bázis-feszültséget szolgáltat, a bázisáram változásaitól függetlenül

40 Munkapont be{llít{sa b{zis{rammal Hátrány, B egyenáramú áramerősítési tényező gyártási során nagyon nagy.

41 Térvezérlésű tranzisztorok munkapont be{llít{sa feszültségosztóval

42 Térvezérlésű tranzisztorok munkapont be{llít{sa source-ellen{ll{ssal 𝑅𝐺 max 1MΩ A gate-ellenálláson nem folyik áram. 𝐼𝐺 =0. Feladata, hogy a gate potenciált 0V-on tartsa.

43 Irodalomjegyzék Borbély Gábor Dr.: Elektronika I. Győr : Széchenyi István Egyetem, p. [elektronikus jegyzet (pdf) U.tietze-Ch. Schenk: Analog és Digitális Áramkörök Hainzmann- Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök. Tankönyvkiadó, Budapest,