Elektronika I Dr. Istók Róbert

Történeti {ttekintés Tekercs Kondenz{tor Elektroncső 1948 Bell Labs

Intel 4004 1971. nov. 15. Intel 4004 mikroprocesszor 2300 tranzisztor 10 µ𝑚 (mikron) technológia Jelenleg több mind 2500000000 tranzisztor 32nm (nanométer)

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

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.

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 )

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).

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.

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

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

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

Különböző típusú diód{k

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.

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

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

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

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

Népólus H paraméteres helyettesítő képe

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

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

Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe B, 𝛃 bázisáramra vonatkoztatott áramerősítési tényező Kisfrekvenciás, kisteljesítménű (100mA) 50-500 Kisfrekvenci{s, nagyteljesítménű (több A) 20-50 Nagyfrekvenci{s (tranzit hat{rfrekvencia legal{bb 1GHz) 50-100 Szuper β tranzisztorok 1000-5000

Bipol{ris tranzisztor fizikai helyettesítő képe µ - feszültség-visszahat{si tényező. 10 4 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. 10-500mS, munkaponti adatok függvénye

Bipol{ris tranzisztor h paraméterei

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

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)

J-FET Karakterisztik{k

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

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

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

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

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

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

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

Térvezérlésű tranzisztorok munkapont be{llít{sa feszültségosztóval

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.

Irodalomjegyzék Borbély Gábor Dr.: Elektronika I. Győr : Széchenyi István Egyetem, 2006. 201 p. [elektronikus jegyzet (pdf) U.tietze-Ch. Schenk: Analog és Digitális Áramkörök Hainzmann- Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök. Tankönyvkiadó, Budapest, 1992 http://wiki.ham.hu/index.php/kateg%c3%b3ria:f%c3%a9lvezet%c5%91k