Elektronika Dr. Lovassy Rita Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet lovassy.rita@kvk.uni-obuda.hu C 311. IRODALOM Zsom Gyula: Elektronikus áramkörök I. A. Budapest, 1991, (KKMF 1040). Molnár Ferenc-Zsom Gyula: Elektronikus áramkörök II. A. I-II.Kötet, Budapest, 1991, (KKMF1044). 1 2 AZ ELŐADÁSOK ÉS A TANANYAG Vezetési tulajdonságok (elektromos szempontból a szilárd testek három csoportja szobahőmérsékleten mért fajlagos elektromos vezetés értéke alapján) Az előadások Zsom Gyula: Elektronikus áramkörök I. A. Molnár Ferenc-Zsom Gyula: Elektronikus áramkörök II. A. Dr. Valkó I., Dr. Tarnay K., Dr. Székely V., Elektronikus eszközök I 92-99, 106, 149, 206-219, 235-237, 253-258 Vezetők (Fémek) Vezetési sáv (energiasáv) Vegyértéksáv Szigetelők Vezetési sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Félvezetők Vezetési sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv c. könyvein alapulnak. 3 A vezetési sáv tele elektronokkal Vegyértékelektronok A vezetési sáv üres Kevés elektron a vezetési sávban 4 Elektromos töltéshordozók 1. FÉLVEZETŐK Tiszta félvezetők Szabad töltéshordozó áramvezetésre alkalmas Szobahőmérsékleten a tiszta szilícium rossz villamos vezető. Tiszta szó itt nem a vegytisztaságot jelenti, hanem a nagyfokú szennyezés mentességet. germánium Ge; szilícium négy vegyértékű gallium-arzenid GaAs; indium-antimonid InSb Gyártáshoz nagytisztaságú monokristályos (egykristályos) anyagot használnak 5 Jelenlegi technikában a legtöbb félvezető alapú A szennyezett (doped) félvezetők alapanyaga a nagymértékben tiszta félvezető, melyet jól irányított technológiai folyamattal előre meghatározott mennyiségű és minőségű szennyezőt jutattunk, elérve a kívánt villamos tulajdonságokat. 6 1
Szennyezett, adalékolt (n-típus) P + + P donor atom B Adalékolt (p-típus) B + + + Akceptor atom + + P Többségi töltéshordozók az elektronok 7 + + Többségi töltéshordozók a lyukak B + 8 n p = n p i i n i és p i a tiszta félvezetőben n és p a szennyezett félvezetőben az elektron ill. lyuksűrűség Az össztöltés a teljes kristályban zérus, az anyag villamos szempontból semleges állapotban van. Szennyező anyag: n-típusú félvezetőknél P foszfor As arzén Sb antimon p-típusú félvezetőknél B - bór In - indium Al aluminium Pl. erős szennyezés esetén 10 4 atomra jut 1 szennyező atom; gyengén szennyezés esetén 10 7 atomra jut 1 szennyező atom 9 10 Áramok a félvezetőben Diffuziós áram A töltéshordozók a nagyobb sűrűségű helyről a kisebb sűrűségű hely felé áramlanak. Drift (sodrodási áram) Külső villamos térben a töltéshordozókra erő hat, ennek hatására sodródnak. Pl. a pozitív lyukak mozgásiránya megegyezik a villamos tér irányával. v töltéshordozók sebessége Amennyiben a félvezetőben töltéshordozó koncentráció különbség van, Külső erőtér nélkül is folyik áram; a töltéshordozók a semleges villamos állapotra törekednek. Az anyag egészében nézve elektromos szempontból semleges marad. 11 A félvezetőkben a villamos tér hatására létrejövő áramot nevezzük drift áramnak. 12 2
PN átmenet Diffúzios áram többségi töltéshordozók árama, amelyek elegendő nagy energiájuk folytán átjutnak a potenciálfalon. (p n) Drift áram kisebbségi töltéshordozók árama, melyet a diffúziós potenciál hoz létre. (jellemzően n p) Külső feszültség hatása A külső feszültség pozitív mérőiránya a p-réteg felől az n-réteg felé mutat. A feszültség hatására folyó I áram p-n mérőirányú. Külső feszültség nélkül A két oldal közötti teljes potenciálkülönbséget diffúziós potenciálnak nevezzük. 13 - Záróirányú előfeszítés (U<0) - Nyitóirányú előfeszítés (U>0) 14 Záróirányú előfeszítés (U<0) A külső feszültség a valóságban a mérőiránnyal ellentétes polaritású. Vastagítjuk a kiürített réteget határfeszültség Záróirányú karakterisztika Diffuziós áram lecsökken (elhanyagolható) Drift áram nem változik, az összes újonnan keletkező kisebbségi töltéshordozó átsodródik 15 I 0 drift áram kisebbségi töltéshordozók árama. 16 Nyitóirányú előfeszítés (U>0) Feszültség-áram karakterisztika A külső feszültség a valóságban a mérőiránnyal megegyező polaritású. Kis nyitóirányú feszültség hatására már igen nagy diffúziós áram indul meg (a külső feszültség egyenletes növekedésével az áram exponenciálisan növekedik) U U UT UT 0 ( 1) 0 0 I = I e = I e I Diffúziós komponens Drift komponens U T kt = q Termikus feszültség 17 U T =26 mv szobahőmérsékleten MEGJEGYEZNI! k Boltzmann állandó T kristály hőmérséklete q egységnyi töltés 18 3
A valóságos PN átmenet; a dióda A valóságos PN átmenet helyettesítő képe Rp idegen szennyeződés, kristályszerkezeti hiba miatt Dióda rajzjele A PN átmenet és a kivezetések közé mindig beiktatódik mindkét oldalon egy-egy félvezető darab, melyek az áramot viszonylag rosszul vezetik. RS nagysága a szennyezéstől, technológiától függ A nyitóáram akkor indul meg, ha az ANÓD nyitófeszültségnyivel POZITÍVABB a katódnál 19 egyenirányító hatása van Az ideális és a valóságos PN átmenet 20 A pn átmenet struktúrája karakterisztikája Parazita ellenállások miatt A pn átmenet ma szokásos struktúrája az ún. planáris technológiával, diffúzióval készült félvezető dióda. 21 A pn átmenet-egydimenziós vizsgálat 22 Statikus ellenállás Statikus, v. egyenáramú ellenállás egyenáramúlag helyettesíti a nemlineáris kétpólust. Ugyanakkora munkaponti feszültség hatására, ugyanakkora munkaponti áramot hoz létre. R= UM IM Nem ad felvilágosítást arról, hogy ha a munkaponti feszültség megváltozik, hogyan változik az áram. 23 24 4
Dinamikus (differenciális) ellenállás Dinamikus ellenállás A munkapontban a dinamikus ellenállás az egészen kis elemi feszültségváltozás és a hozzá tartozó elemi áramváltozás hányadosa határozza meg. du U r= di I UM, IM M Dinamikus, v. váltakozóáramú ellenállás a nemlineáris elemet a munkapont körüli, a karakterisztika mentén történő feszültségés áram változás esetére jellemzi. r = U I T M Kisjelű váltakozóáramú ellenállás 25 26 A záróirányú áram hőmérsékletfüggése A nyitóirányú feszültség hőmérsékletfüggése Ugyanakkora nyitóirányú áram eléréséhez kisebb nyitófeszültség szüksége, ha a hőmérséklet növekszik. U 2 mv / C T Befolyásoló tényezők: a környezeti hőmérséklet növekedése PN átmeneten átfolyó áram hatása MEGJEGYEZNI! 27 28 Alapvető alkalmazási példák Egyenirányítók - folytatás 1. Egyenirányítók Hálózati tápegység feladata, hogy a szinuszos, 50 Hz-es váltakozó feszültségből egyenfeszültséget állítson elő. Graetz egyenirányító, közepes teljesítményekig egyetlen tokban is kapható: 80V 5-20A, 250V 1A 29 30 5
Felhasználási területek: Zener dióda Teljesítmény egyenirányító; Váltakozó feszültség mérése - méréstechnika; Amplitudómodulált jelek demodulálása híradástechnika, AM rádióadás, TV kép; Elvárások: a dióda nyitóirányú feszültsége a lehető Alkalmazás: legkisebb legyen és a nyitóirányú karakterisztika Feszültség stabilizátor minél egyenesebb legyen. 31 Referencia feszültség forrás Feszültség eltolás Feszültség határolás Zener feszültség: 1,5 120V 32 Zener dióda folytatás 2. A bipoláris tranzisztor A stabilizáló hatás annál jobb, minél meredekebb a zárótartományú karakterisztika, azaz minél kisebb az r Z = U I Rétegtranzisztor szerkezete, működése Jelerősítés folyamata differenciális belső ellenállás. Villamos jellemzők, karakterisztikák Z-dióda áramköri jelölése Erősítő alapkapcsolások 33 34 Tranzisztorok A bipoláris tranzisztor struktúrája A legfontosabb félvezetőeszközök, alkalmazásuk: áram/feszültség erősítő áramkörök» analóg áramkörökben kapcsoló áramkörök» digitális áramkörökben A bipoláris tranzisztor két pn átmenetből álló félvezető szerkezet. - Feszültség ill. áram stabilizálás Típusai: Bipoláris tranzisztor ( Bipolar Junction Transistor ) Áram által vezérelt» Röviden: áramvezérelt ( current-amplifying ) - FET Térvezérlésű tranzisztor ( Field Effect Transistor ) Elektromos tér által vezérelt» Röviden: térvezérelt ( field effect ) 35 36 6
A tranzisztorműködés feltétele 1. Legalább az egyik szélső réteg ( az emitter) nagyságrendekkel erősebben adalékolt legyen, mint a középső; 2. A középső réteg (bázis) sokkal vékonyabb legyen, mint a kisebbségi töltéshordozóinak diffúziós hossza. A bipoláris tranzisztor Két egymással szoros kapcsolatban lévő pn átmenetből áll, a középső réteg közös Az npn és a pnp kialakítás egyaránt elképzelhető Az npn tranzisztor gyorsabb, ezért ez a gyakoribb Áramköri szimbólumok: npn tranzisztor pnp tranzisztor 37 A három kivezetés elnevezése: E emitter, B bázis, C kollektor (emitter, base, collector). 38 A PNP és NPN tranzisztor A tranzisztor hatás Minél nagyobb az áthaladó elektronáram komponens a rekombinálódóhoz képest, annál jobb a tranzisztorhatás. Az elektronok átmenő forgalma. Normál aktív beállítás: az emitter oldali pn átmenet nyitva, a másik zárva. 39 Emitter; emisszió = kibocsátás; Kollektor = összegyűjtő; Bázis a középső réteg volt az előállítás kiindulásául szolgáló alaplemez 40 Az áramerősítési tényező A bipoláris tranzisztor áramai Aktív beállítás: EB átmenet nyitva, CB zárva A I I Cn = = E A kollektor oldalra átsodródó elektronok árama A teljes emitter áram PNP A<1; a bipoláris tranzisztor egyenáramú (földelt bázisú) áramerősítési tényező, értéke közel állandó és a MP.-tól csak kis mértékben függ; Megmutatja, hogy az eredetileg elindult emitteráram hányszorosa I = A I + I C E CB0 érkezik meg a kollektorba. I = AI + I C E CB 0 41 I CB0 - a kollektor-bázis dióda visszárama, I E = 0 I = I + I E C B 42 7
A bipoláris tranzisztor üzemmódjai Alapkapcsolások EB átmenet CB átmenet Normál aktív nyitott (U BE >0) zárt (U BC <0) Inverz aktív zárt (U BE <0) nyitott (U BC >0) Telítéses nyitott (U BE >0) nyitott (U BC >0) Lezárt zárt (U BE <0) zárt (U BC <0) i be Telítésben mind a két dióda nyitott, ezek együttes maradék ellenállását a rajtuk eső U CES telítéses kollektoremitter feszültséggel vesszük figyelembe. 43 44 Földelt emitterű karakterisztikák Határértékek Legnagyobb megengedett zárófeszültségek: U CB0, U CE0, U EB0 Legnagyobb megengedett áramok: I Cmax, I CM, I Bmax Legnagyobb megengedett hőmérsékletek: T j Legnagyobb megengedett veszteségi teljesítmény Ptot = UCE IC + U BE IB UCE IC 45 46 A hőmérséklet befolyása Megfelelő stabilitás biztosítása a cél B-E dióda hőmérsékletfüggése Erősítőfokozatok munkapont-beállítása Bázisköri feszültségosztóval B0 I 0 I0 I 0 I U táp I0 R + R 1 2 (5 10) B U T BE mv 2 o C 47 R2 U B0 = I0 R2 Utáp R + R 1 2 U = U I R U I R C 0 táp C0 C táp E0 C U = U U = I R E 0 B0 BE0 E0 E U = U + I R U + I R B0 BE0 E0 E BE0 C 0 E 48 8
Munkapontbeállítás módja Adatok: U T =10V I C =1mA U CE =4V 4V RC = = 4kΩ 1mA 3. Térvezérlésű (unipoláris) tranzisztorok FET- Field Effect Transistor 1. Záróréteges FET (Junction-FET, JFET) 2. Szigetelt vezérlőelektródás FET ( MOS-Metall-Oxid- Semiconductor, MOS FET) 2V RE = = 2kΩ 1mA 2.6V R1 = = 2,6kΩ 1mA ( 10 2.6) V R2 = = 7.4kΩ 1mA 49 50 Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET) Szerkezet, működési elv 51 52 Szigetelt vezérlőelektródás FET Metall-fém vezérlő elektród Oxid-szigetelés Semiconductor-félvezető Elzáródásmentes tartomány (U DS U k ) Digitális áramkörökben kapcsoló üzemben működnek. 1. Növekményes típusú Elzáródásos tartomány (U DS > U k ) U k könyökfeszültség; U o elzáródási feszültség; I DSS szaturációs áram I DS U GS = I DSS 1 U0 53 2 2. Kiürítéses típusú 54 9
MOS TRANZISZTORPÁR: CMOS MOS tranzisztorok rajzjele CMOS inverter 55 56 Differenciálerősítők A műveleti (és egyenáramú) erősítők bemeneti fokozatai az eredő áram- és feszültség drift lehetőleg kis szinten tartására a bementen differenciálfokozatokat alkalmaznak. 57 Felépítésben és tulajdonságaiban szimmetrikus kapcsolás. 58 A bipoláris és térvezérlésű tranzisztorok hőmérséklet driftje 2 3 mv/ C Olyan megoldást kell találni, ami ezt csökkenti. Azonban adott technológiával készült tranzisztorok driftje nem csökkenthető, ezért az áramköri felépítésben kell változtatni. Olyan áramköri felépítés szükséges, melynek kimenetén a bementi feszültség különbsége jelenik meg, ez a differenciálerősítő. Méréstechnikában gyakran használt, mivel ez egy olyan erősítő, mely a hasznos jelet erősíti és a zavarójelet elnyomja. Tehát: a differenciálerősítőben a hőokozta ΔU BE változás hatását minden más megoldásnál jobban kompenzáljuk, hiszen gyakorlatilag egyforma tranzisztorok bázis-emitter diódáját kapcsoljuk szembe. A differenciálerősítő alapvetően DC erősítő, tehát egyenfeszültség erősítésére alkalmas, a működéshez nincs szükség csatoló és hidegítő kondenzátorokra. A bementi 0V a kimeneti pontok között is 0V ot hoz létre. 59 60 10
Differenciálerősítők vezérlése A differenciálerősítők vezérlése kétféle lehet a bementi jel alkalmazásának függvényében: 1. Differenciális (szimmetrikus ) vezérlése: ilyenkor a két bázis, ill. vezérlőelektródát a földhöz képest különböző jelek vezérlik; 2. Közös módusú vezérlés: a vezérlő jel közös, tehát szimmetrikus összetevőt nem tartalmaz. Ilyenkor a két bázist, ill. vezérlőelektródát a földhöz képest azonos nagyságú és azonos fázishelyzetű jel vezérli. 4. Műveleti erősítők (ME) A ME k különleges tulajdonsággal rendelkező, sokoldalúan használható erősítő. Széleskörű elterjedése és felhasználási területük bővülése. Felhasználási területek: elektronika, híradástechnika, szabályozástechnika, számítástechnika szinte minden területén. Gyakorlatilag minden olyan helyen használják, ahol DC vagy AC jeleket kell erősíteni, kis kimeneti teljesítmény esetén. 61 62 Egyenáramú erősítők Az egyenáramú erősítők jellemzője, hogy az AC erősítőkkel szemben az igen kis frekvenciájú, lassan változó egyenfeszültségű jelek erősítésére is alkalmas. Az egyenáramú erősítők fontos adata a legkisebb jelszint, melyen erősítést lehet még elérni, valamint a MP eltolódása, melyet nullpont-vándorlásnak (driftnek) is neveznek. A legkisebb jelszint a tranzisztor zajától függ. Integrált műveleti erősítők A bementi fokozatban elhelyezkedő differenciálerősítő nagy érzékenységet és feszültségerősítést biztosít. A fázisösszegző áramkör a diff.erősítő szimmetrikus kimeneti jelét aszimmetrikussá alakítja, amelyet szintillesztés után egy újabb feszültségerősítő fokozat erősít megfelelő szintre. A végerősítő egy újabb szinteltoló fokozaton keresztül kapja a vezérlőjelet. A nullpont-vándorlás az a jelenség, melynek során a tápfeszültség vagy a környezeti hőmérséklet megváltozása következtében az erősítőeszközök MP eltolódik és így a paraméterei is megváltoznak. 63 64 Az ideális műveleti erősítő Műveleti erősítő rajzjele U = A ( U U ) = A U ki u0 + u0 D 1. Nyílthurkú feszültségerősítés: 2. Bemeneti ellenállás: 3. Kimeneti ellenállás: 4. Közös módusú erősítés: A u0 = R be R ki A uk = = 0 = 0 U = A ( U U ) = A U ki u0 + u0 D A u0 a differenciális nyílthurkú erősítés 65 66 11