Diszkrét aktív alkatrészek

Átírás

1 Aktív alkatrészek Az aktív alkatrészek képesek kapcsolási és erősítési feladatokat ellátni. A digitális elektronika és a teljesítményelektronika gyors kapcsolókra épül, az analóg technikában elsősorban erősítőket alkalmazunk. 1

2 Az elektronika első ötven éve elektroncsövekre alapult, azóta különböző tranzisztorokkal oldjuk meg a kapcsolást és az erősítést. A diódák nem vezérelhetők külön áramkörből, hanem a rajtuk megjelenő feszültségtől függően vezetnek, vagy nem vezetnek. Az esetek többségében nem egy diszkrét aktív alkatrészre van szükségünk egy funkció megvalósításához, hanem többre. Célszerű ezeket integrálni egy félvezető lapra így kapjuk az integrált áramköröket. 2

3 Diszkrét aktív alkatrészek A diszkrét aktív alkatrészek közé a különböző diódák és tranzisztorok tartoznak. A közönséges, PN átmenetet tartalmazó diódán kívül létezik fém-félvezető átmenetet tartalmazó Schottky dióda. A felhasználás szempontjából léteznek lassú egyenirányító diódák gyors kapcsolódiódák kapacitásdiódák világító diódák (LED) fotodiódák 3

4 Diódát felépítő félvezető egy-kristályok n típusú félvezető kristály n p típusú félvezető kristály p germánium szilícium szabad elektronok szabad lyukak donorok akceptorok Villamos szempontból semleges töltésűek 4

5 Elektron diffúzió és a töltéshordozók rekombinációja n Töltéshordozók rekombinálódása többségi töltéshordozó p rétegben kisebbségi töltéshordozó n rétegben többségi töltéshordozó n rétegben p A pn átmenet kialakulásakor elektron diffúziós áramlás jön létre. Az n rétegből diffúziós módon elektronok kerülnek át a p rétegbe ahol rekombinálódnak az ott jelenlévő többségi töltéshordozó lyukakkal, valamint a p rétegből úgyszintén diffúziós úton lyukak kerülnek át az n rétegbe, ahol a szabad elektronokkal szintén rekombinálódnak. kisebbségi töltéshordozó p rétegben 5

6 Elektron diffúzió és a töltéshordozók rekombinációjának eredménye Az n rétegben a határréteg környezetéből eltűnnek a szabad elektronok, mivel vagy átléptek a p rétegbe vagy rekombinálódtak a p rétegből érkező szabad lyukakkal. A p rétegben a határréteg környezetéből eltűnnek a szabad lyukak, mivel vagy átléptek az n rétegbe vagy rekombinálódtak az n rétegből érkező szabad elektronokkal. Az n réteg, amely eddig elektromosan semleges volt pozitív töltésűvé válik a határréteg környezetében, mivel a szabad elektronok vagy átléptek a p rétegbe vagy rekombinálódtak. A p réteg, amely eddig elektromosan semleges volt negatív töltésűvé válik a határréteg környezetében, mivel a szabad lyukak vagy átléptek az n rétegbe vagy rekombinálódtak, az n rétegből érkező szabad elektronokkal. 6

7 n Kiürített réteg p Villamos szempontból pozitív töltésű Villamos szempontból negatív töltésű A rekombináció eredménye A rekombinációs folyamat eredményeként egy úgynevezett kiürített réteg jön létre, amelynek hatására már nem lesz villamosan semleges töltésű a dióda két oldala. U Potenciálgát Potenciálgát nagysága Germánium: V Szilícium: V 7

8 Dióda záró irányú kapcsolása n Kiürített réteg p A záró kapcsolás során kialakuló potenciálgát U Alapállapotbeli potenciálgát 8

9 Dióda nyitó irányú kapcsolása I Elektronok áramlásának iránya n p I I A határrétegen átlépett kisebbségi töltéshordozók U A nyitó kapcsolás során eltűnik a potenciálgát 9

10 Tranzisztorok Legegyszerűbb módon a tranzisztor egy olyan speciális ellenállásnak fogható fel, amelynek ellenállás értéke villamos úton változtatható, azaz nem mechanikusan mint egy pontenciométer esetében. Működésük lényege, hogy a bemenő körben alkalmazott vezérlőjel (áram, feszültség) hatására változtatják a kimenő körben a vezetőképességüket. A tranzisztorokból három fajtát különböztetünk meg: Bipoláris tranzisztorok JFET-ek MOSFET-ek 10

11 Bipoláris tranzisztorok Történeti szempontból nézve az első bipoláris tranzisztort 1947-ben építették meg és 1948-ban szabadalmaztatták, amely Walter Brattain, John Bardeen és William Shockley munkásságának köszönhető. Találmányukért 1956-ban Nobel díjat kaptak. A bipoláris tranzisztornak két alaptípusa van: NPN és a PNP tranzisztor A két szélső réteget Emitternek és Kollektornak a középső jóval vékonyabb réteget Bázisnak nevezik. A bipoláris tranzisztoroknak három kivezetése van. 11

12 Bipoláris NPN tranzisztor felépítése Lényegében a tranzisztor felfogható két egymással szembe fordított diódaként is. Minden bipoláris tranzisztornak két pn vagy np átmenete van. n p p n Kiürített réteg Emitter dióda Kiürített réteg Kollektor dióda 12

13 Bipoláris NPN tranzisztor felépítése n Kiürített réteg < 25 µm p Kiürített réteg n E C B 13

14 Bipoláris NPN tranzisztor működési elve A tranzisztor működéséhez szükséges, hogy az Emitter oldali dióda nyitó irányban, a Kollektor oldali dióda záró irányban legyen előfeszítve A bázisra az emitterhez képest nyitó irányú feszültséget kell kapcsolni. Ennek hatására az emitter-bázis átmenetnél megszűnik a kiürített réteg és a potenciálgát eltűnik, ezért a többségi töltéshordozók (az n rétegben a szabad elektronok) a határrétegen képesek áthaladni. A határrétegen átlépett szabad elektronok a p rétegben kisebbségi töltéshordozókká válnak a továbbiakban. 14

15 Bipoláris NPN tranzisztor működési elve A kollektor oldali dióda záró irányban van előfeszítve, ezért a bázis-kollektor határrétegnél a megnövekedett kiürített réteg és potenciálgát van jelen. A potenciálgát elektrosztatikus hatásánál fogva megakadályozza a többségi töltéshordozóknak a báziskollektor határrétegen való átjutását. Ezzel szemben az ellentétes töltésű kisebbségi töltéshordozóknak a határrétegen áthaladását segíti. Az emitterből a bázisba érkező nagy mennyiségű szabad elektron a p rétegben mint kisebbségi töltéshordozók könnyen átjutnak a kollektor oldali potenciálgáton. 15

16 Bipoláris NPN tranzisztor működési elve Az Emitter oldali határrétegen átlépett kisebbségi töltéshordozók Szabad elektronok áramlásának iránya n p Kiürített réteg n E C 95-99% I E 100 % I B 1-5% I C U BE B U CB 16

17 Bipoláris NPN tranzisztor működési elve A bázisréteget általában nagyon vékonyra készítik, általában kevesebb mint 25 µm, hogy a bázis-kollektor határrétegben kialakult potenciálgát a bázisba érkezett elektronok minél nagyobb részét húzza át a kollektorba. Ezért az emitterből érkező elektronok (emitteráram) döntő hányada a kollektoron át távozik. I E = I C + I B A tranzisztorok fontos technikai paramétere az áramátviteli tényező (α), aminek értéke általban között változik. 17

18 JFET Junction Field-Effect Transistor Működési, fizikai modell 18

19 Furatokba szerelhető tokozás 19

20 MOS-FET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Működési, fizikai modell Furatokba szerelhető tokozás 20

21 Integrált áramkörök A diszkrét alkatrészekből történő áramkörépítés lehetőségei eléggé korlátozottak. Már az 1960-as évektől kezdődően gyártanak integrált áramköröket. Ezeknél számos aktív és passzív alkatrészt valósítanak meg egy félvezető lapon a kívánt kötésben. Az így kialakított áramkör vagy önmagában, vagy néhány külső alkatrész hozzáadásával, működőképes egységet alkot. 21

22 DIL (dual in line) tokozás Kezdetben az integrált áramköröket úgynevezett DIL (dual in line) tokozásokba-, esetleg kör alakú tokozásokba építették. A kivezetések furatokba szerelendők. A DIL tokozásnál az egy sorban levő kivezetések egymástól való távolsága 0,1 hüvelyk, a sorok távolsága általában 0,3 hüvelyk vagy 0,6 hüvelyk. 22

23 A miniatürizálás érdekében a gyártók szerették volna a méreteket csökkenteni, de különböző mechanikai korlátokba ütköztek: nehézkes a kis átmérőjű furatok készítése, a kivezetések nagyon törékenyek, a forrasztási felületek könnyen leválnak, ha kicsik. 23

24 Felületre szerelhető (SM surface mount) alkatrészek Ezeknél első lépésként a kivezetések egymástól mért távolságát megfelezték (0,05 hüvelyk). Később bevezették a 0,025 hüvelykes és a 0,5mm-es lábtávolságot és csökkentették a többi méretet is. Az SM alkatrészeknél nincs gond a kis átmérőjű furatokkal, mivel a szereléshez nem kellenek furatok, 24

25 Tokozási megoldások Sirályszárny alakú kivezetésekkel megoldott tokozás SO, SOP, TSSOP QFP tokozás 25

26 Legbonyolultabb integrált áramköröket (több száz vagy akár ezer feletti csatlakozási ponttal) BGA tokozásba építik. Ennél a tokozásnál nincsenek hagyományos értelemben vett kivezetések (lábak). A csatlakozási pontok a műanyag vagy kerámia tokozás alján mátrixszerűen elhelyezett-, vezető anyagból kiképezett szigetek, amelyeket a nyomtatott huzalozású lapon levő ón-gömbökre forrasztanak. 26