FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK II. Elektrotechnika 5. előadás

Átírás

1 FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK II. Elektrotechnika 5. előadás

2 A tranzisztor felfedezése A tranzisztor kifejlesztését a Lucent Technologies kutatóintézetében, a Bell Laboratóriumban végezték el. A laboratóriumban három kutató Walter Brattain, John Bardeen, William Shockley, 1934 óta kísérletezett különféle anyagokkal, amelyek kutatása során két olyan anyagot találtak, amelyek félvezető tulajdonságot mutattak. Ez a két anyag a germánium és a szilícium volt. Az első megépített tranzisztort germánium és aranylemez összepréseléséből hozta létre Walter Brattain december 16-án. Ezt kísérletképpen egy korabeli csöves erősítő egyik elektroncsövének helyébe építették be. Az új eszközt június 17-én szabadalmaztatták. A tranzisztor nevet a távközlési részleg vezetője, John Pierce adta az alkatrésznek. Walter Brattain és John Bardeen munkásságát később elismerték, és ban Nobel-díjat kaptak a találmányukért.

3 A bipoláris tranzisztorok kivitele A bipoláris tranzisztorok félvezető alkatrészek, amelyek három különbözőképp szennyezett félvezető tartományból állnak. ELMÉLETI KÉRDÉS 65 és 66 NPN tranzisztor PNP tranzisztor A tranzisztorokat n-p-n vagy p-n-p sorrendű tartományokkal készítik, így megkülönböztetünk npn, ill. pnp tranzisztorokat.

4 A tranzisztor áramai és feszültségei A tranzisztorokon három feszültség lép fel, és három áram adódik. Az áramok elnevezése I C kollektoráram, I B bázisáram, és I E emitteráram I E =I C +I B U CE =U CB +U BE Az U CE feszültséget kollektor emitter feszültségnek -, az U BE feszültséget bázis emitter feszültségnek -, az U CB feszültséget kollektor bázis feszültségnek nevezzük.

5 A tranzisztor működése 1. A tranzisztort az I B bázisáram ás az U BE bázis-emitter feszültség vezérli. Ha az U BE feszültség 0,7 V fölé emelkedik (Si tranzisztornál), akkor megindul a I B bázisáram. A U BE feszültség és az I B bázisáram növekedésével a tranzisztor kivezérlődik, azaz csökken a kollektor-emitter szakasz ellenállása. Az U BE és I B -hez tartozó áramkört bemeneti, vagy vezérlő áramkörnek nevezzük. A kollektor-emitter szakaszt kimeneti, vagy terhelő áramkörnek nevezzük.

6 A tranzisztor működése 2. A kimeneti áramkörben a nagy ellenállás-változásnak megfelelően, nagy áramváltozások adódnak. Ha a kimeneti áramkörbe egy R C ellenállást kapcsolunk, akkor azon az áramváltozással arányos feszültség-változások adódnak. A tranzisztor tehát alkalmas arra, hogy a bemeneti körben ható kis jelfeszültségeket és áramokat felerősítse. A felerősített áram és feszültségértékek a kimeneti áramkörről vehetők le.

7 Bemeneti jelleggörbe A I B bázisáramot és a U BE bázis-emitter feszültséget bemeneti mennyiségeknek nevezzük. A bemeneti jelleggörbe az U BE és az I B közötti összefüggést adja meg. 66. Szilicium tranzisztor bemeneti jelleggörbéje A bázis és az emitter között PN-átmenet van ezért hasonlít a dióda karakterisztikához

8 Kimeneti jelleggörbe A kimeneti mennyiségek az I C kollektoráram és az U CE kollektoremitter feszültség A kimeneti jelleggörbék az I C és az U CE kollektor-emitter feszültség közötti összefüggést adják meg különböző bázisáramoknál. 65. Tranzisztor kimeneti jelleggörbéi

9 Földelt emitteres erősítő kapcsolás R B, R C : munkapont-beállító ellenállások C 1, C 2 : csatoló kondenzátorok

10 Földelt emitteres erősítő kapcsolás Emitter-kapcsolású erősítőfokozat munkapont-stabilizációval

11 Földelt bázisú erősítő kapcsolás 69. Bázis-kapcsolású erősítőfokozat

12 Földelt kollektoros erősítő kapcsolás Kollektor-kapcsolású erősítőfokozat

13 Térvezérlésű tranzisztorok A térvezérlésű tranzisztorokat FET (Field Effect Tranzistor) n csatornás és p csatornás kivitelben készítik. n csatornás rajzjel p csatornás 70. n csatornás kiürítéses (J)FET Az elektronok számára áramlási útként egyedül a csatorna áll rendelkezésre Minél negatívabb az U GS feszültség, annál szélesebbek a zárórétegek, annál kisebb a csatorna keresztmetszet. Az I D áramot az U GS feszültség kis teljesítménnyel vezérli

14 FET jelleggörbéi Az n csatornás JFET I D U DS jelleggörbéje I D U GS jelleggörbéje 70.

15 MOS tranzisztorok A térvezérlésű tranzisztorok e csoportjának elnevezése felépítésükkel függ össze: MOS fém-oxid-félvezető (Metal-Oxid-Semiconductor) A source-hoz és a szubsztráthoz képest pozitív gate-feszültség esetén a source és a drain között n vezető híd keletkezik. A híd vezetőképessége az U GS feszültséggel szabályozható A drain áram kis teljesítményfelvétellel vezérelhető.

16 71. MOS tranzisztorok típusai Növekményes típusú (önzáró) MOSFET: 0V feszültség vagy nyitott gate esetén esetén a tranzisztor magától lezár. Híd csak akkor keletkezik, ha pozitív gate feszültséget kap. Kiürítéses típusú (önvezető) MOSFET: A source és a drain között már akkor is vezetőképes, ha a gate-re nem kapcsolunk feszültséget. Az önvezető MOSFET mind negatív, mind pozitív gate-feszültséggel vezérelhető. n csatornás p csatornás növekményes kiürítéses növekményes kiürítéses

17 72. TIRISZTOR A tirisztorok négy vagy több vezetési típusú rétegből álló félvezető alkatrészek Két stabil üzemállapotuk van: egy kis és egy nagy ellenállású állapot. A tirisztorok kapcsoló tulajdonságokkal rendelkező, vezérelhető alkatrészek. p vezérelt (katódoldalról vezérelhető) tirisztor felépítése n vezérelt (anódoldalról vezérelhető) tirisztor felépítése

18 Tirisztor jelleggörbéi Nullátmeneti billenőfeszültség az a feszültség, amikor a tirisztor kis ellenállású állapotba billen át. 72.

19 Alkalmazási példa 73. Tirisztoros vezérelt egyenirányító

20 DIAK (Diode alternating current switch) Váltakozóáramú kapcsolódióda A diak kifejezetten kapcsolási tulajdonságokkal rendelkező félvezető alkatrész. Két négyrétegű dióda ellenparalel kapcsolásban. Minkét irányban azonosan viselkedik. Előnyösen alkalmazható triak vezérlésére, mert mindkét irányban képes gyújtó impulzust szolgáltatni. 74.

21 TRIAK A triak úgy működik mint két antiparalel kapcsolt tirisztor, ezért a váltakozóáram mindkét félhullámát vezérli, a vezérlés egyetlen vezérlőelektródával megy végbe. 75.