ELEKTROTECHNIKA - TEORIE -...

Tento studijn materil vznikl za finann podpory Evropskho socilnho fondu (ESF) a rozpotu esk republiky v rmci een projektu:CZ.1.07/2.2.00/15.0463, MODERNIZACE VUKOVCH MATERIL A DIDAKTICKCH METOD

VYSOK KOLA BSK TECHNICK UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA STROJN

ELEKTROTECHNIKA - TEORIE

Zklady polovodiov techniky

Ing. Jan Vau Ph.D. Ing. Roman Hrb Ph.D. Ing. Tom Mlk Ph.D.

Ostrava 2013

Ing. Jan Vau Ph.D., Ing. Roman Hrb Ph.D., Ing. Tom Mlk Ph.D. Vysok kola bsk Technick univerzita Ostrava ISBN 978-80-248-3049-0

MODERNIZACE VUKOVCH MATERIL A DIDAKTICKCH METOD CZ.1.07/2.2.00/15.0463

2

OBSAH

7 ELEKTRICK MEN ............................................................................................ 3

7.1 vod ........................................................................................................................ 5

7.2 Funkce a vlastnosti polovodiovch prvk .......................................................... 5

7.3 Polovodiov diody ................................................................................................. 6

7.3.1 Usmrovac diody ................................................................................................ 6

7.3.2 Zenerovy diody ...................................................................................................... 8

7.3.3 Kapacitn diody - Varikapy .................................................................................. 9

7.3.4 Fotodiody a svtiv diody .................................................................................... 10

7.4 Tyristory ............................................................................................................... 12

7.5 Triaky .................................................................................................................... 13

7.6 Tranzistory ........................................................................................................... 15

7.6.1 Bipolrn tranzistor ............................................................................................. 15

7.6.2 Unipolrn tranzistor........................................................................................... 20

7.7 Literatura .............................................................................................................. 25


3 Elektrick men

7 ELEKTRICK MEN

OBSAH KAPITOLY:

vod

Funkce a vlastnosti polovodiovch prvk

Polovodiov diody

Tyristory

Triaky

Tranzistory

MOTIVACE:

Polovodiov prvky, mezi kter napklad pat diody, tyristory, triaky a tranzistory, nahradily dky svm pednostem dve pouvan elektronky. Mezi hlavn pednost tchto soustek pat ni spoteba energie, vy spolehlivost, ivotnost, odolnost a pedevm men rozmry. Pro vrobu polovodiovch prvk se pouvaj pedevm materily, jakou jsou germanium a kemk, dle tak selen a telur. Pro charakteristick polovodiov vlastnosti se v poslednch desetiletch znan rozvinula vroba germania a istho kemku. V dnen dob jsou polovodiov prvky nedlnou soust vech modernch pstroj a zazen.

Audio7.1 Motivace

CL:

Rozdl mezi vodiem, polovodiem a izolantem.

Jak jsou typick materily pro vrobu polovodiovch soustek?

Vlastn a nevlastn vodivost polovodi.

Vodivost typu N a vodivost typu P.

Druhy polovodiovch diod, jejich vlastnosti a skuten Voltamprov charakteristika.

Princip funkce tyristoru, jeho schematick znaka a pouit v praxi.

Princip funkce triaku, jeho schematick znaka a pouit v praxi.


4 Elektrick men

Zapojen bipolrnho tranzistoru se spolenm emitorem, se spolenm kolektorem a se spolenou bz. Vstupn a vstupn odpor a vstupn a vstupn proud tchto zapojen.

Princi funkce unipolrnho tranzistoru JFET a MOSFET, zkladn zapojen.


5 Elektrick men

7.1 VOD

Polovodiov technika se zaala intenzivn rozvjet jako samostatn obor od roku 1949 a pronikla do vech oblast elektrotechniky. Polovodiov prvky, dky svm pednostem (ni spoteba energie, vy spolehlivost, ivotnost, odolnost, men rozmry) nahradily dve pouvan elektronky. Jedinm dosud bn pevajcm druhem elektronek jsou obrazovky. V nsledujcm textu bude uveden princip polovodiovho jevu, konstrukce zkladnch polo-vodiovch soustek a jejich vyuit zejmna v silnoproud elektrotechnice. Krom diskrtnch polovodiovch soustek, mezi kter pat napklad diody, tranzistory, tyristory a triaky, jsou od sedmdestch let 20. stolet stle vznamnj takzvan integrovan obvody. Integrovan obvod je soustka, kter m v sob umstn cel obvod sestvajc se z nkolika destek, ale tak nkolika milion soustek (tranzistor, diod a rezistor), velmi malch rozmr. Pouit integrovanch obvod pineslo dal miniaturizaci, zlevnn a zven spolehlivosti elektronickch zazen.

7.2 FUNKCE A VLASTNOSTI POLOVODIOVCH PRVK

Funkce a vlastnosti polovodiovch prvk jsou dny vlastnostmi ltek zvanch polovodie. Rozdl mezi vodiem, polovodiem a izolantem spov v pevnosti vazby valennch elektron na jdra atom. U vodi je tato vazba velmi slab a po pipojen elektrickho napt se voln elektrony pohybuj ve smru elektrickho pole, co znamen, e elektrick odpor vodi je mal. U polovodi a izolant je vazba valennch elektron s jdry natolik siln, e za normlnch podmnek se tyto elektrony neuvoln, a proto po piloen elektrickho napt proud netee. Situace se zmn, dodv-li se elektronm energie prostednictvm tepla nebo jinho zen. Zvyuje-li se napklad teplota polovodie nebo izolantu, odtrhnou se nkter valenn elektrony od jdra atomu a zv tm vodivost materilu. Rozdl mezi polovodiem a izolantem se udv pomrem jejich vodivost za pokojov teploty. Elektrick vodivost izolant je asi 1015 krt men ne vodivost polovodi. Typickmi polovodivmi materily je germanium a kemk. Atom tchto prvk m tyi valenn elektrony, take kad atom je se sousednm atomem spojen tymi vazbami. Pokud se zv jeho teplota, vznikne pr, kter pedstavuje voln elektron a dra. Drou je nazvna mezera ve struktue po uvolnnm elektronu. Tato dvojice se potom me vlivem vnjho elektrickho pole pohybovat a vznik vodivost zvan vlastn vodivost polovodi. Tato vodivost je siln zvisl na teplot materilu. Druhm typem vodivosti je vodivost nevlastn pmsov. Vznikne tm, e do istho tymocnho kemku je pimchno urit mnostv ptimocnho nebo tmocnho prvku (As, In). U kadho atomu ptimocnho prvku zstane jeden pebyten voln elektron a vznikl vodivost je vodivost typu N (negativn). Naopak u trojmocn pmsi bude jeden valenn elektron chybt, vznikne dra a tm vodivost typu P (pozitivn). Takto vznikl voln elektron i dra jsou snadno pohybliv a vrazn zvyuj vodivost materilu, viz Obr. 2.1.


6 Elektrick men

valenn

pebyten chybjc

elektron Ge Ge

Ge Ge

Ge

Ge Ge

Ge Ge

As

Ge Ge

Ge Ge

In

valenn elektron

valenn elektron

(a) (b) (c) Obr. 2.1 Typy vodivosti v polovodii: (a) vlastn, (b) pmsov N, (c) pmsov P

Spoj-li se dva polovodie rznch typ tak, e jejich krystalov mky tsn na sebe navazuj, vznik na styku obou polovodi tzv. pechod PN. Pokud je vnj piloen napt orientovno tak, e na sti N je zporn pl zdroje, je pechod polarizovn v propustnm smru. Pi opan orientaci vnjho napt je pechod polarizovn v zvrnm smru. V zvrnm smru tee pechodem jen velmi mal proud, nazvan zbytkov, jen je zpsoben pedevm nedostaten istou vrobou.

7.3 POLOVODIOV DIODY

Polovodiov diody jsou prvky, kter vyuvaj vlastnost polovodiovho pechodu PN. Jejich nejzkladnj vlastnost je, e vedou proud pouze v jednom smru. Podle oblasti pouit je meme rozdlit do nkolika zkladnch skupin:

a) Usmrovac diody b) Zenerovy diody c) Tunelov diody d) Schottkyho diody e) Varikapy f) Svteln diody a fotodiody

7.3.1 Usmrovac diody Usmrovac diody tvo nejpoetnj skupinu diod vyuvajc usmrovacch ink PN pechod k usmrovn stdavch proud. Schematick znaka diody je na Obr. 3.1 (c). Dioda m dv elektrody, anodu A a katodu K. Vede proud pouze jednm smrem, a to od elektrody oznaen psmenem A k elektrod K. Pokud je anoda kladnj ne katoda, je dioda zapojena v propustnm smru a diodou tee proud. V opanm ppad, pokud na katod je kladnj napt ne na anod, je dioda orientovna v zmrnm smru a proud diodou netee. Hydraulickou analogii diody je zptn ventil, viz Obr. 3.1 (a) a (b). Jedn se o ventil, jeho kuelka k je pitlaovna pruinou p. Psob-li tlak ve smru ipky, kuelka dosed do sedla a kapalina neproud. V opanm ppad bude kuelka nadzvedvna proti sle pruiny ze sedla a kapalina bude ventilem proudit.


7 Elektrick men

p

k

K

A

zvrn smr propustn smr schematick

znaka

(a) (b) (c)

Obr. 3.1 Hydraulick analogie diody: (a) zvrn smr, (b) propustn smr, (c) schematick znaka

Ideln dioda m v propustnm smru nulov odpor a v zvrnm smru nulovou vodivost. Vlastnosti diody popisuje jej voltamprov charakteristika, viz Obr. 3.2 (a). Je to zvislost velikosti proudu diodou na velikosti napt mezi anodou a katodou. V-A charakteristika popisuje zkladn statick vlastnosti diody. Jej tvar, jen je znzornn na Obr. 3.2 (b), lze zskat menm pomoc zapojen na Obr. 3.3. Pi zvyovn napt v propustnm smru roste proud diodou pozvolna a do hodnoty prahovho napt Up. U germania je jeho hodnota piblin 0,4 V, u kemku kolem 0,6 V. Pi dalm zvyovn proud diodou poroste daleko rychleji. V zvrnm smru je proud velmi mal, a to a do vysokch hodnot zvrnho napt UBR. Pi hodnot UBR, nazvan prrazn napt (breaking), se velikost proudu zane prudce zvyovat. Tuto hodnotu by napt v zvrnm smru nemlo pekroit, protoe dochz k prrazu diody, a tm k jejmu znien. Hodnota prraznho napt je jednm z omezujcch faktor a udv, jak velk napt me dioda usmrovat. Druhm omezujcm faktorem je velikost proudu v propustnm smru. Pi prchodu proudu diodou vznikaj tepeln ztrty a teplo je nutno odvdt. Schopnost odvodu tepla je zvisl na konstrukci diody a jejm vnjm chlazen.

I

0 U

A

K

(+)

(-)

Propustn vtev

UBR

UP

I [A]

A

(+))

(-)

K Zvrn

vtev

U [V]

(a) (b)

Obr. 3.2 Voltamprov charakteristika diody: (a) ideln, (b) skuten

Podle proveden PN pechodu dlme diody na hrotov a plon.


8 Elektrick men

U hrotovch diod je PN pechod vytvoen na styku destiky polovodie s hrotem wolframovho drtku. Pouvaj se pro usmrovn malch proud a do vysokch kmitot. U plonch diod je pechod vytvoen na daleko vt ploe, napklad difuz par pms prvk do zkladn polovodiov destiky. Plon diody se vyuvaj pro usmrovn vtch proud. Jejich pouit je omezeno na ni kmitoty. K ochran ped vlivy okol je vlastn pechod zapouzden do sklennch, kovovch nebo plastovch pouzder. Pouzdra vkonovch diod jsou konstruovna tak, aby je bylo mono upevnit na vnj chladi. V souasn dob se rovn pouzdra vyrb tak, aby bylo mon do jednoho pouzdra umstit nkolik vzjemn propojench diod. Vytvo se tak integrovan celek, nap. usmrova. Usmrovac diody se vyrbj pro proudy a do velikosti kA a napt do kV v zvrnm smru.

I R

U Uz

A

V

Obr. 3.3 Schma zapojen pro men VA charakteristiky diody

7.3.2 Zenerovy diody Vhodnou technologi vroby pechodu PN lze u charakteristiky kemkov plon diody doshnout v zvrn oblasti strmho zlomu (nedestruktivnho prrazu). Zvrn proud se po pekroen napt Uz (tzv. Zenerova napt) rychle linern zvyuje, jak je vidt na Obr. 3.4. Velikost Zenerova napt je zvisl na mrnm odporu vchozho polovodiovho materilu. Zenerova dioda se pouv v obvodech stabiliztor a omezova napt. Pi provozu se nesm pekroit maximln proud Iz max, kter je pro dan typ uren maximln vkonovou ztrtou Pmax. Vyrbj se diody pro Pmax od 0,1 do 10 W. Dleitm parametrem diod je diferenciln odpor Rd = u/i, kter uruje innost stabilizace.


9 Elektrick men

I

U

Uz

0

Iz max

Pmax

-U

-I

A

(+)

(-)

K

Obr. 3.4 Voltamprov charakteristika Zenerovy

7.3.3 Kapacitn diody - Varikapy Varikap je speciln plon polovodiov dioda slouc jako naptm zen kondenztor. Jsou vyrbn z kemku nebo z arzenidu galia technologickm postupem, kter je uren poadovanou zvislost kapacity diody na piloenm napt. Prbhy zvislosti koncentrace pms na vzdlenosti od pechodu mohou mt kapacitn diody pro rzn ely bu linern zvislost kapacity na napt, nebo zvislost nelinern. Kapacitn dioda je zapojena v zvrnm smru. Se zvyujcm se naptm se zvtuje vzdlenost mezi obma vodivostmi (potencilov barira) a tm dochz ke sniovn kapacity varikapu. Napt pro ovldn se pohybuje v rozmez 0 30 V. Pro sv mal geometrick rozmry, malou hmotnost a snadn ovldn jsou varikapy pouvny v ladnch rezonannch obvodech jako nhrada za promnn kondenztory, napklad se pouv jako ladicch prvk pro automatick dolaovn obvod rozhlasovch a televiznch pijma. Geometrick prava PN pechodu kapacitn diody je zobrazena na Obr. 3.5.

Obr. 3.5 Geometrick prava PN pechodu kapacitn diody


10 Elektrick men

7.3.4 Fotodiody a svtiv diody Mme-li konstruovn PN pechod tak, e na nj me dopadat svtlo, meme takto konstruovanou diodu vyut jako fotocitliv prvek. Abychom si kvalitativn vysvtlili fyzikln princip tohoto efektu, vrame se k vlastnmu polovodii. Pokud jej neozaujeme, je excitace elektron z valennho do vodivostnho psu zpsobena vhradn tepelnou energi. Do vodivostnho psu mohou bt excitovny elektrony z vysokoenergetickho chvostu rozdlovac funkce. Uvaujeme-li ozen, me excitace elektronu z valennho do vodivostnho psu probhnout i tak, e elektron ve valennm psu absorbuje foton dopadajcho zen, kter mu ped energii dostatenou k pekonn zakzanho psu. Pi ozen polovodie zvme tedy jeho vlastn vodivost tm, e zvme koncentraci elektron ve vodivostnm a koncentraci dr ve valennm psu. Tomuto jevu se k vnitn fotoefekt, nebo elektrony excitovan do vodivostnho psu neopoutj polovodi (na rozdl od vnjho fotoefektu, kdy dopadajc foton dod elektronu energii dostatenou k pekonn tzv. vstupn prce a elektron opust ltku a pejde do vakua ltku obklopujc). Tento efekt je vrazn u polovodi, jejich vlastn vodivost je pro znanou ku zakzanho psu velmi mal, nap. CdS se kou zakzanho psu 2,45 eV. Na vnitnm fotoefektu je zaloena funkce fotoodpor, kter jsou soust mi expozice u ady fotografickch pstroj. Dleit je si uvdomit, e ozenm se zvyuje vlastn vodivost polovodie, tedy koncentrace nosi obou polarit a tedy po pimchn pmsi se bude ozenm zvyovat koncentrace minoritnch nosi. Fotodioda je polovodiov, nejastji kemkov, dioda s pechodem PN zapouzden tak, aby na pechod mohlo dopadat svtlo. Fotodioda m oknko nebo plastickou oku, kter sousteuje svtlo do oblasti pechodu PN. Dioda je zapojen v zvrnm smru s takovm naptm, aby nedolo k prrazu lavinovm nebo Zenerovm efektem. Nen-li tedy pechod PN ozen, tee diodou jen velmi mal zvrn proud, u kemkovch diod se jedn o proudy v du destek nA. Jedn se o proud tvoen minoritnmi nosii, tedy nosii, kter vznikly termickou excitac elektron z valennho do vodivostnho psu. Tento proud je pmo mrn koncentraci minoritnch nosi. Ozme-li nyn pechod PN, vytvome dodatenou koncentraci minoritnch nosi, kter budou pispvat ke zven proudu fotodiodou v zvrnm smru - proud fotodiodou se zv a zven bude zvisl na intenzit dopadajcho zen. Je-li v srii s fotodiodou zapojen odpor, dojde na nm k bytku napt prchodem proudu a tento bytek meme vyut ke men intenzity zen. Typickm pkladem aplikace fotodiody byly teky drn psky, kde pod kadou pozic monho otvoru v drn psce byla umstna fotodioda, indikujc ptomnost otvoru v psce. adu aplikac fotodiody dnes pevzaly fototranzistory. Nezamniteln msto maj speciln fotodiody, kterch se pouv ke konverzi energie zen na energii elektrickou. Fyzikln princip funkce nejlpe vysvtlme, pedstavme-li si fotodiodu nezapojenou do obvodu. Nen-li ozena, je vytvoena PN pechodem difuzn potencilov barira vysok tak, aby omezila proud majoritnch nosi na prv takovou velikost, aby proud majoritnch nosi kad polarity pes pechod PN byl prv kompenzovn proudem minoritnch nosi stejn polarity pes pechod opanm smrem. Ozme-li nyn fotodiodu, zvme koncentraci minoritnch nosi v polovodich obou typ vodivost a v dsledku toho stoupne proud minoritnch nosi pes PN pechod. Vzhledem k tomu, e jsme pedpokldali diodu nezapojenou do obvodu, mus bt celkov proud pes pechod roven nule prv tak jako v ppad bez ozen. To je mon jenom tak, e klesne potencilov barira v blzkosti pechodu PN a umon tak zven proudu majoritnch nosi pes pechod. Krystal vak tak pestv bt v rovnovze, fermiho hladina se deformuje, a rozdl mezi pvodn velikost difuznho potencilu a velikost tto bariry po ozen se objev na svorkch diody jako napt; na anod fotodiody bude kladn pl a na katod zporn pl.


11 Elektrick men

Uzaveme-li nyn elektrick obvod tm, e k fotodiod pipojme rezistor jako spotebi, bude obvodem protkat elektrick proud - fotodioda bude fungovat jako slunen lnek. LED dioda je elektronick polovodiovsoustka obsahujc pechod PN. Na rozdl od klasickch diod, LED vyzauje viditeln svtlo, infra ppadn UV v zkm spektru barev a pouv se v irok ad aplikac. Na Obr. 3.6 (a) je uvedena schematick znaka LED diody. Obr. 3.6 (b) a Obr. 3.7ukazuj nkolik z mnoha typ LED pouzder. Prochz-li pechodem elektrick proud v propustnm smru, pechod vyzauje (emituje) nekoherentn svtlo s zkm spektrem. Me emitovat i jin druhy zen. Tento jev je zpsoben elektroluminiscenc. Psmo spektra zen diody je zvisl na chemickm sloen pouitho polovodie. LED jsou vyrbny s psmy vyzaovn od ultrafialovch, pes rzn barvy viditelnho spektra, a po infraerven psmo. Pomrn dlouho trval vvoj modr LED, na nj ekal jeden z projekt ploch barevn televizn obrazovky.

K

A

(a) (b)

Obr. 3.6 LED: (a) Schematick znaka, (b) Rzn typy LED pouzder

Obr. 3.7 Rzn typy pouzder vkonovch LED diod

Z principu funkce LED vyplv, e nelze pmo emitovat bl svtlo - star ble zc diody vtinou obsahuj trojici ip vybranch tak, aby bylo aditivnm menm v rozptylnm materilu vrchlku obalu diody dosaeno vjemu blho svtla. Protoe nen mon pmo emitovat bl svtlo, prav bl LED vyuvaj luminoforu. Nkter bl LED emituj modr svtlo, st tohoto svtla je pmo na ipu luminoforem transformovna na lut svtlo a dky msen tchto barev vznik bl. Jin typy blch LED emituj ultrafialov zen, to je pmo na ipu luminoforem transformovno na bl svtlo. Se zkracujc se vlnovou dlkou

http://cs.wikipedia.org/wiki/Polovodi%C4%8Dhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Polovodi%C4%8Dhttp://cs.wikipedia.org/wiki/P%C5%99echod_P-Nhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Viditeln%C3%A9_sv%C4%9Btlohttp://cs.wikipedia.org/wiki/Infra%C4%8Derven%C3%A9_z%C3%A1%C5%99en%C3%ADhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Ultrafialov%C3%A9_z%C3%A1%C5%99en%C3%ADhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Barevn%C3%A9_spektrumhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrick%C3%BD_proudhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Koherencehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Elektroluminiscencehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Chemiehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Polovodi%C4%8Dhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Ultrafialov%C3%A9_z%C3%A1%C5%99en%C3%ADhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Infra%C4%8Derven%C3%A9_z%C3%A1%C5%99en%C3%ADhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Modr%C3%A1_barvahttp://cs.wikipedia.org/wiki/Televizehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Obrazovkahttp://cs.wikipedia.org/wiki/B%C3%ADl%C3%A1_barvahttp://cs.wikipedia.org/wiki/Luminoforhttp://cs.wikipedia.org/wiki/%C4%8Ciphttp://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BDlut%C3%A1_barvahttp://cs.wikipedia.org/wiki/Vlnov%C3%A1_d%C3%A9lka


12 Elektrick men

emitovanho svtla roste velikost potebnho elektrickho proudu a z toho vyplvajcho napt. U kemkov diody je toto napt asi 0,6 V, u zelen LED z GaP 1,7 V a u modr z SiC ji 2,5 V. Zkladn monokrystaly diod bvaj pekryty kulovmi vrchlky z epoxidov pryskyice nebo akrylovho polyesteru. Materily, z nich se LED vyrbj, toti maj pomrn vysok index lomu a velk st vyzaovanho svtla by se odrela totlnm odrazem zpt na rovinnm rozhran se vzduchem. Oproti jinm elektrickm zdrojm svtla (rovka, vbojka, doutnavka) maj LED tu vhodu, e pracuj s pomrn malmi hodnotami proudu a napt. Z toho vyplv jejich uit v displejch (ve tvaru cifer a psmen). Kombinac LED zkladnch barev (erven, zelen, modr) je mono zskat i barevn obrazovky. Konstrukn pedstavuj LED soustku, v n je kontaktovan ip (nebo kombinace ip) zastknut materilem s poadovanmi optickmi vlastnostmi (LED se vyrbj v bodovm i rozptylnm proveden, s rznm vyzaovacm hlem). Kontakty mohou bt v proveden pro povrchovou mont (SMD) nebo ve tvaru ohebnch i poddajnch pvod. Sestavy vce LED, pouzden spolen mohou mt samostatn vyveden kad ip, spolenou anodu i katodu nebo jin systm kontaktovn dle zamlenho uit (napklad dvojbarevn diody).

7.4 TYRISTORY

Tyristor je tyvrstv polovodiov prvek, kter mimo hlavnch elektrod (katody a anody) m jet dal, dic elektrodu (G). Z hlediska funkce je tyristor zen usmrovac dioda a me pracovat jako spna. Tyristor lze sepnout proudovm impulzem aplikovanm do dic elektrody G a vypne se peruenm proudu mezi anodou a katodou (bn tyristor se nedoke vypnout sm, vypne se a po peruen proudu). Vlastnosti tyristoru popisuje Voltamprov charakteristika, kter je uvedena na Obr. 4.1. Charakteristiku je mono rozdlit na ti sti: zvrnou, blokovac a propustnou. Vlastnosti tyristoru v oblasti zvrn sti jsou vcemn shodn se zvrnou oblast diody. Tyristorem protk jen mal proud, a to a do prrazn hodnoty zvrnho napt UBR. Prbh proudu mezi anodou a katodou v blokovac sti charakteristiky je zvisl na velikosti proudu dic elektrodou IG. Je-li IG = 0, dochz se zvyovnm napt na tyristoru k pomalmu nrstu proudu mezi anodou a katodou, prakticky je tyristor uzaven. Pi pekroen uritho napt mezi anodou a katodou (dov stovky a tisce V) by dolo k nedoucmu samovolnmu sepnut tyristoru - vyznaeno na Obr. 4.1 rkovan, pracovn bod pejde skokem propustnou st charakteristiky. Tento dj nesm v praxi nastat. Propustn st charakteristiky tyristoru je shodn s prbhem charakteristiky usmrovac diody. Tyristor je sepnut dostaten velkm proudem IG (dov stovky mA). Od okamiku sepnut nem proud dic elektrodou na innost tyristoru ji dn vliv. Z tohoto dvodu nen nutn dodvat proud do dic elektrody tyristoru po celou dobu, ale pouze jen po dobu, pi kter dojde k jeho bezpenmu sepnut. Tyristor se uzavr jen v ppad, kdy proud mezi anodou a katodou poklesne pod hodnotu vratnho proudu IH, jeho hodnota se v praxi pokld za velmi blzkou nule.

http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrick%C3%A9_nap%C4%9Bt%C3%ADhttp://cs.wikipedia.org/wiki/K%C5%99em%C3%ADkhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Volthttp://cs.wikipedia.org/wiki/Zelen%C3%A1_barvahttp://cs.wikipedia.org/wiki/Epoxidov%C3%A1_prysky%C5%99icehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Epoxidov%C3%A1_prysky%C5%99icehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Polyesterhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Index_lomuhttp://cs.wikipedia.org/wiki/SMT


13 Elektrick men

U [V] U [V]

UBR

A

K

(+)

(-)

A

K

G(+)

G(+)

IG

(+)

(-)

IG

zvrn st

blokovac st

propustn st

IG = 0 IG >> 0

IL

I [A]

I [A]

Obr. 4.1 Voltamprov charakteristika tyristoru

Funkci tyristoru lze objasnit na jeho hydraulick analogii zobrazen na Obr. 4.2 (a) a (b). Podobn jako u diody jde o zptn ventil, kter je doplnn blokovac zpadkou oznaenou z. Pokud je zpadka vysunuta, chov se ventil jako zptn, tzn., e v jednom smru propout a v druhm je uzaven. Pokud se zpadka zasune nad kuelku ventilu, a to je mon jen pi uzavenm ventilu, pak bude ventil uzaven bez ohledu na smr psoben tlaku.

I

p

k

K

A

zvrn smr propustn smr schematick

znaka

z ig G

(a) (b) (c)

Obr. 4.2 Hydraulick analogie tyristoru: (a) zvrn smr, (b) propustn smr, (c) schematick znaka

7.5 TRIAKY

Podstatnou nevhodou tyristoru je jeho schopnost vst proud pouze jednm smrem. Proto byl vyvinut dal polovodiov prvek triak. Je to ptivrstv bistabiln spnac prvek schopn vst elektrick proud obma smry. Triak m vlastnosti piblin odpovdajc vlastnostem dvou antiparaleln zapojench tyristor, jak uvd Obr. 5.1 (b). dic elektrody jsou vhodn propojeny, tak aby tvoily pouze jedinou dic elektoru triaku.


14 Elektrick men

I

I

z

A1

G A2

(a) (b) (c)

Obr. 5.1 Analogie triaku: a) hydraulick, b) pomoc dvou tyristor, c) schematick znaka

Vlastnosti triaku popisuje voltamprov charakteristika zobrazena na Obr. 5.2. V prvnm i tetm kvadrantu se nachz blokovac a propustn st charakteristiky tyristoru. Vnj funkci triaku lze rozdlit na tyi sti:

triak sepne, pokud je mezi hlavnmi elektrodami dostaten velk napt a do dc elektrody se pivede proudov impuls o velikosti schopn k jeho sepnut,

triak vede, pokud proud mezi hlavnmi elektrodami neklesne pod hodnotu vratnho proudu (v okol nuly),

triak se uzave, klesne-li proud pod hodnotu vratnho proudu (nezle na velikosti proudu IG),

triak je uzaven (rozepnut), pokud jim netee proud a proud IG m hodnotu men ne spnac (nezle na hodnot napt mezi hlavnmi elektrodami).

U [V] U [V]

A1 (+)

G(+)

IG

blokovac st

propustn st

IG = 0 IG >> 0

IST

I [A]

I [A]

A2 (-)

A1 (-)

G(+)

IG A2 (+)

propustn st

blokovac st

Obr. 5.2 Voltamprov charakteristika triaku

Funkci triaku dokresluje jeho hydraulick analogie na Obr. 5.1 (a). Je to antiparalern (protismrn) spojen dvou zench zptnch ventil, jejich blokovac zpadky jsou spojeny pkou tak, aby byly ovldny souasn. Oblasti pouit triak jsou v podstat shodn s tyristory. Jejich aplikace je v ad ppad jednodu.


15 Elektrick men

7.6 TRANZISTORY

Tranzistorov jev (efekt) byl objeven a tranzistor vynalezen 16. prosince 1947 v Bellovch laboratoch tmem ve sloen William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Za tento objev jim byla roku 1956 udlena Nobelova cena za fyziku, jednalo se o velmi vznamn objev, kter vedl k faktickmu vdeckotechnickmu pevratu v oblasti aplikovan elektrotechniky. Tm byl zrove potvrzen dosavadn stl trend miniaturizace jednotlivch a pozdji integrovanch soustek, shrnut Mooreovm zkonem jako v ase konstantn proces koncentrace polovodiovch soustek. Tranzistor je prvek, kter me pracovat jako zesilova nebo spna. Na rozdl od tyristoru, kter zstane sepnut i po zniku proudu na dc elektrod (hradlu), je tranzistor sepnut pouze po dobu, kdy tee do dc (bze) elektrody proud. Podle principu funkce dlme tranzistory na bipolrn a unipolrn (zen elektrickm polem).

7.6.1 Bipolrn tranzistor Bipolrn tranzistor (dle jen tranzistor) byl objeven v roce 1947 jako vsledek sil nahradit vakuov elektronky polovodiovm zesilovacm prvkem.

a) Popis struktury a funkce

Struktura tranzistoru se skld se t oblast typu P a N, je jsou za sebou azeny bu ve sledu PNP, tj. tranzistor typu PNP, nebo NPN, tj. tranzistor typu NPN, jak je naznaeno na Obr. 6.1. Vvody z jednotlivch oblast se oznauj jako emitor E, bze B, kolektor C. Emitor vysl (emituje) pohybliv nosie nboj do prostoru bze, odkud je pejm (sbr) kolektor.

P P N

EMITOR KOLEKTOR BZE C

E

B PNP - TRANZISTOR

(E) (B) (C)

(a)

N N P

C

E

B NPN - TRANZISTOR

EMITOR KOLEKTOR BZE (E) (B) (C)

(b)

Obr. 6.1 Tranzistor: a) PNP, b) NPN

Tranzistor PNP vyuv dvou pechod PN, jeden je mezi emitorem a bz, druh mezi kolektorem a bz. Tranzistor si lze pedstavit sloen ze dvou diod, emitorov a kolektorov, je jsou zapojeny proti sob. Pilo-li se mezi kolektor a emitor napt, neprochz proud, protoe pi obou monch polaritch vnjho napt je vdy jedna z diod polarizovna zvrn. Funkci tranzistoru nelze vysvtlovat pomoc zapojen dvou diod, protoe vechny ti oblasti vzjemn spolupracuj pedevm dky mal ce stedn oblasti, bze, na kterou se tak pikld vnj napt. Je-li napt vnjho zdroje U pipojeno na tranzistor typu PNP tak, e kladn pl je spojen s emitorem, zporn s kolektorem a st tohoto potencilnho rozdlu je pivedena na bzi, je bze oproti kolektoru kladn a oproti emitoru zporn. Pro typ NPN jsou polarity opan. Pokud by psobilo pouze napt uveden polarity mezi emitorem a bz, prochzel by


16 Elektrick men

emitorovm pechodem velk proud, protoe by se pohyboval znan poet dr z emitoru do bze, pop. velk poet elektron z bze do emitoru. Kolektor je vak pipojen na zporn napt. Nosie kladnch nboj (dry) pechzej vlivem malho napt mezi emitorem a bz pes prvn pechod do prostoru bze, odtud jsou vak psobenm znanho napt mezi kolektorem a bz hnny pes druh pechod a pravou oblast typu P ke kolektorovmu vvodu. Proud, vychzejc z emitoru, se tedy dl do dvou sloek: prvn sloka smuje k bzi, druh ke kolektoru. Snahou vroby je takov konstrukce tranzistoru, aby co mon nejvt st emitorovho proudu pechzela do kolektoru a jen minimln zbytek do bze. U modernch tranzistor in proud bze jen nkolik setin i tiscin proudu emitoru. Emitorov proud IE je tedy vdy vt, ne kterkoliv z obou zbvajcch proud a je roven soutu proudu bze IB a kolektoru IC.

b) Zkladn zapojen tranzistoru Tranzistor m ti vvody: emitor, bzi, kolektor. Je-li zapojen jako zesilova, mus mt dv svorky na vstupn stran a dv na vstupn stran. Kad ze t vvod tranzistor me bt vstupem i vstupem zesilovae, a proto existuj ti zkladn zapojen tranzistoru nazvan zapojen se spolenm emitorem (Obr. 6.2), se spolenou bz, se spolenm kolektorem. Chovn tranzistoru znan zvis na tom, kter z uvedench zapojen je pouito.

Mal vstupn odpor Rvst

C

E

B Mal proud IB

Velk proud IC Ve

lk

vs

tupn

od

por

R vs

t

Vstup Vstup Rg

Uvst

Obr. 6.2 Zapojen tranzistoru se spolenm emitorem

V technick praxi se nejastji vyskytuje zapojen tranzistoru se spolenm emitorem. Vstupn signl se u nj pivd mezi bzi a emitor, vstupn signl se odebr v obvodu z kolektoru a emitoru. Protoe dioda bze emitor je polarizovna v propustnm smru, vstupn odpor tranzistoru Rvst je mal. Ve vstupnm obvodu je v srii se zatovacm odporem zapojena dioda bze kolektor, polarizovan zvrn, take vstupn odpor Rvst je velk. Tranzistor je polovodiov prvek, kter slou pedevm k zesilovn elektrickch signl. Pracuje tak, e mal vstupn proud (proud bze Ig) vyvol velk vstupn proud kolektoru IC nebo-li mal zmna vstupnho proudu vyvol velkou zmnu vstupnho proudu. Protoe proud bze bv u modernch tranzistor 100 a 1000 krt men ne proud emitoru, je stejnosmrn proudov zesilovac initel takovch tranzistor dn vztahem (1).

B

C21E I

Ih = (1)

c) Zkladn parametry tranzistoru Jak ji bylo uvedeno, proudov zesilovac initel h21E udv zesilovac schopnost tranzistoru. Pro mal zmny proud je astji definovn jako jejich podl:

B

C21E i

ih

= (2)

Ppustn vkonov zaten tranzistoru je omezeno maximln kolektorovou ztrtou, CCECmax IUP = (3)


17 Elektrick men

kter je dleitm dajem pro provoz tranzistor, stejn jako maximln ppustn hodnoty napt a proud jednotlivch elektrod. Ppustn kolektorov ztrta je urena konstrukc a pohybuje se v mezch stovek mW u tranzistor s malm vkonem a stovek W u vkonovch tranzistor. Druhm nejpouvanjm zapojenm je zapojen se spolenm kolektorem, tzv. emitorov sledova, viz Obr. 6.3 (a). Toto zapojen je typick svm vysokm vstupnm odporem, piblin jednotkovm napovm zeslenm a velkm zeslenm proudovm. Pouv se pedevm do vstupnch dl zazen, u kterch vyadujeme vysok vstupn odpor. Vstupn signl pichz do bze a spolen elektrody, kterou je kolektor. Vstupn signl se odebr z emitoru proti kolektoru. Nutno podotknout, e pro praktick pouit je takov zapojen znan nepohodln, a proto je v pvodn podob ve schmatech asi neuvidte. Osvdilo se upraven zapojen, kter se navenek dost li, avak po elektrick strnce rovnocenn. dicm proudem je proud bze. Ten jak vme, je mnohonsobn men ne vstupn proud emitoru, proto proudov zeslen je velmi dobr. Hor je to s napovm zeslenm, kter je men ne 1, a tak vstupn napt na emitoru je vdy men ne pivdn vstupn napt. Pesto se zapojen se spolenm kolektorem obas pouv z dvod, e poskytuje jednu neocenitelnou vhodu, a tou je velk vstupn odpor. Z Ohmova zkona meme vyjdit vztah (4).

B

vstvst I

UR = (4)

Ve jmenovateli je proud IB vyjden slem mnohem menm ne jedna, protoe proud bz je nepatrn. Hodnota zlomku je proto velk, vstupn odpor Rvst je znan velk. plnm opakem je hodnota vstupnho odporu. Ten je velmi mal. Snadno to pochopme, uvdomme-li si, e vstupn napt je men ne 1 a proud emitoru je pitom znan. Hodnota zlomku rovnice (5) je mal, vstupn odpor je znan mal.

E

vstvst I

UR = (5)

Zapojenm tranzistoru se spolenm kolektorem pouvme tehdy, jestlie se poaduje velk vstupn odpor tranzistoru. Ten je nutn k tomu, aby nezatoval zdroj vstupnho signlu, k nmu se tranzistor pipoj. Rovn mal vstupn odpor zesilovae je v mnoha ppadech vtan. Tak nap. jeho prostednictvm lze penet stdav signl (od mikrofonu) po dlouhm veden, ani by se signl znehodnotil naindukovanm ruivm naptm z okolnho prosted. Nejastji se ruen projevuje neodstranitelnm brumem.

Velk vstupn odpor Rvst

C

E B

Mal proud IB Velk proud IE

Mal

v

stu

pn

odpo

r R v

st

Rz

Mal vstupn odpor Rvst

C E

B

Velk proud IE Men proud IC

Velk

v

stup

n

odpo

r R v

st

(a) (b)

Obr. 6.3 Zapojen tranzistoru: (a) se spolenm emitorem, (b) se spolenou bz

Zapojen se spolenou bz se vyuv ve vjimench ppadech, kdy vyadujeme zvlt mal vstupn odpor a dobr frekvenn penos. Vstupn signl se pivd mezi emitor a bzi, kter je v tomto zapojen spolenou elektrodou bzi, viz Obr. 6.3 (b). Vstupn signl se odvd z kolektoru proti spolen elektrod


18 Elektrick men

bzi. Budcm proudem je tedy emitorov proud IE, o kterm vme, e je nejvtm proudem tranzistoru. Znamen to zrove, e vstupn kolektorov proud je vdy men ne vstupn. Je zmenen o proud bze, a proto nelze mluvit o proudovm zeslen. To je v kadm ppad men ne 1. Dle ns zajm vstupn odpor. Vme, e podle Ohmova zkona je odpor pmo mrn napt a nepmo mrn proudu. Potom meme napsat vztah:

E

EBvst I

UR = (6)

Vstupn napt UEB, kter dosadme do itatele zlomku, je stejn mal jako v zapojen se spolenm emitorem. Ve jmenovateli zlomku je vak proud emitoru IE, a ten je velk, mnohem vt ne proud bze v pedelm zapojen. Vsledn hodnota zlomku bude mal, protoe ve jmenovateli je velk slo. Vstupn odpor v zapojen se spolenou bz je velmi mal. Ve vstupnm obvodu je pechod C-B polarizovn v zvrnm smru, proto vstupn odpor je velk. Pouit zapojen se spolenou bz se nejvce pouvalo ve vysokofrekvennch obvodech se starmi tranzistory. Umonilo doshnout zvlt mal vstupn odpor, kter byl podmnkou ke stabiln innosti vysokofrekvennho zesilovae.

d) Strun pehled vlastnost zapojen bipolrnho tranzistoru Z Tab. 1 je zejm, e nejastji pouvanm zapojenm bipolrnho tranzistoru je zapojen se spolenm emitorem (SE). Cenn je to, e krom velkho proudovho zeslen vykazuje tak nejvt proudov zeslen. Ostatn zapojen (SB, SC) volme tehdy, potebujeme-li vyut nkterou z vraznch vlastnost tchto zapojen.

Veliina SE SB SC Vstupn odpor (Rvst) mal a stedn znan mal velmi velk

Vstupn odpor (Rvst) velk velmi velk velmi mal Napov zeslen velk znan velk < 1 Proudov zeslen velk < 1 velk Vkonov zeslen velk mal a stedn mal a stedn

Tab. 1 Strun pehled vlastnost zapojen bipolrnho tranzistoru

e) Konstrukce tranzistoru Vlastn systm tranzistoru vyrbn pedevm planrn technologi se umisuje do vhodnho kovovho nebo plastickho pouzdra. U vkonovch tranzistor se systm upevuje pro snadn odvod tepla na silnj zkladovou desku, kter souasn tvo vvod kolektoru a je konstruovna vtinou pro uchycen na vt kovovou plochu chladi. Na Obr. 6.4 jsou zobrazeny rzn typy pouzder tranzistor.


19 Elektrick men

Obr. 6.4 Rzn typy pouzder tranzistor

f) Teplotn stabilita tranzistoru Pokud tranzistor pracuje s vym naptm UCE, me bt teplotn nestabiln. Po pipojen napt m tranzistor urit ztrtov pkon, kter zvyuje teplotu pechodu tranzistoru nad teplotu okol, tm zv zbytkov proud (stoup exponenciln s teplotou), kter opt zv teplotu pechodu. Vznikne lavinovit efekt tepeln nestability, kter vede ke znien tranzistoru, pokud nen omezen proud kolektoru na bezpenou hodnotu sriov zapojenm odporem. V vahu je tak nutno vzt, e vechny pechody tranzistoru jsou tepeln zvisl. Toto chovn zpsobuje, e se vlastnosti tranzistoru mn s teplotou, nkter linern, jin exponenciln. Naskt se otzka, kdy vlastn mit charakteristiky tranzistor. Vtinou se men provdj pi teplot okol, bez ohledu na skuten provozn podmnky tranzistoru. Znamen to, e po zaht zesilovae je ve jinak? Ztrtov pkon Pcmax , kter je dn vztahem (7), zvis na teplot pechodu a je v podstat omezen jej maximln ppustnou hodnotou.

CCEcmax IUP = (7) Pechod B-E m pedpt v propustnm smru a tud mal odpor, pechod mezi C-B s pedptm v zvrnm smru m velik odpor. Ponvad emitorem i kolektorem prochz v podstat stejn proud, zahv se kolektorov pechod. Vrobci doporuuj jako maximln teplotu pechodu u kemkovch tranzistor cca 150 a 200 C. Teplota pechodu je vak rozdln od teploty pouzdra! U tranzistor, kter pracuj s malm ztrtovm vkonem, vtinou posta odvod slnm pouzdra do okol, jin situace je u vkonovch typ. Tepeln namhn tranzistoru zvis na:

vnitnm tepelnm odporu mezi pechodem a vlastnm pouzdrem tranzistoru - hodnoty udv vrobce,

tepelnm odporu mezi pouzdrem a chladiem, kter ovlivuje vbr typu izolan podloky, typu silikonov vazelny, zpsob uchycen tranzistoru a tak typ pouzdra.

tepelnm odporu mezi chladiem a okolm, je zvis na velikosti chladc plochy, tepeln konstant a mnostvm tepla odvedenho zenm, proudnm a vedenm.


20 Elektrick men

Maximln ztrtov vkon je omezen vztahem:

th

max amax jmax c R

P

= (8)

kde: j max - nejvt ppustn teplota pechodu tranzistoru udvan vrobcem, maximln 150 C, a max - nejvy teplota okol, kterou uvaujeme za provozu soustky, Rth - celkov tepeln odpor, kter je dn soutem odpor:

thrthsthjcth RRRR ++= (9) kde: Rthjc - vnitn tepeln odpor tranzistoru (polovodi-pouzdro, udv vrobce tranzistoru), Rthd - tepeln odpor styku dosedac plochy tranzistoru s chladiem (pouzdro-chladi), kter je 0,1 - 0,2 K/W pro pmou mont se silikonovou vazelnou, 0,4 - 0,8 K/W pro sldovou izolan podloku a 0,7 - 1,6 K/W pro teflonovou izolan podloku, Rthr - tepeln odpor chladie (chladi-okol) urme podle piblinho vztahu:

CS

Cd

R +

=6503,3 25,0

thr (10)

S - plocha tvercov chladc desky s tranzistorem uprosted, C - korekn initel 0,43 - 1,00 dle polohy a povrchu desky, d - tlouka desky, - tepeln vodivost materilu chladie udvan vrobcem (vtinou v rozmez 1,1 - 2,5 pro hlink, 3,8 pro m, 1,1 mosaz a 0,46 pro ocel), Pro mal tvercov desky (do 20 cm2) je mon pout zjednoduen vztah:

SR 650thr = (11)

U chladi sloitjch tvar je i obecn vpoet velmi komplikovan, proto lze zhruba pout ve uveden postup a vlastn rozmr zjistit experimentln. Pc max nelze pro vpoet uvaovat jako sinusov, jednoduchm vpotem zjistme, e nap. 500 W modul by pro dokonal chlazen musel mt vrazn vy poet tranzistor, protoe tepeln odpor chladie vychz pro dan modul zporn, co je nesmysl. Hudebn produkce nikdy nem charakter sinusovho zatovn zesilovae. Pokud shrneme ve uveden poznatky, je vcelku jasn, e vlastnm experimentm se meze nekladou. Pokud pouvme jakkoliv profily pro pevod tepla na chladi, je nutn mt na mysli, e mnostv tepla pevedenho na chladi je dno nejum mstem etzce, tzn. pouvnm tenkch plech nebo nekvalitnch profil meme i kvalitn chladi degradovat. Kadopdn pi vkonech nad 200 W je ventiltor nutnost, nebo zajiuje alespo minimln cirkulaci vzduchu.

7.6.2 Unipolrn tranzistor Na rozdl od pedchozch bipolrnch tranzistor je u tchto tranzistor proud tvoen pouze nosii jednoho typu. Podle principu innosti jsou nazvny FET tranzistory zen elektrickm polem. Tranzistory zen polem se pouvaj v obvodech, kter vyaduj vysok vstupn odpor zesilovacho prvku, ve spnach, zdrojch impuls, jako napov zen rezistory a pro celou adu aplikac elektroniky.


21 Elektrick men

K zajitn innosti tranzistoru zenho polem k prchodu proudu mezi vvodem S (source, emitor) a D drain, kolektor, viz Obr. 6.5 sta vdy nosie jednoho typu:

elektrony pro kanl N (mezi S a D) dry pro kanl typu P (mezi S a D)

Z tohoto dvodu se nazvaj unipolrn tranzistory. Odpor kanlu je zen elektrickm polem, kter vznik piloenm napt UGS mezi vvod S a vvod G (gate). Proud do hradla G lze z praktickho hlediska povaovat za nulov. Prez jednotlivmi unipolrnmi tranzistory je ukzn na Obr. 6.5 a Obr. 6.6. Existuje-li vodiv kanl i pi UGS = 0, hovome o tranzistoru FET se zabudovanm kanlem (ochuzovac reim). Je-li nutn pro vytvoen vodivho kanlu (mezi D a S) pipojit nenulov napt UGS, hovome o tranzistoru s indukovanm kanlem (obohacovac reim). Z tohoto hlediska pat bn JFETy mezi tranzistory se zabudovanm kanlem (i kdy je mon i zde zajistit, aby pi UGS = 0 proud mezi D a S neprotkal).

(a) (b) (c)

Obr. 6.5 Prez unipolrnm tranzistorem: (a) MOSFET s indukovanm kanlem typu N, (b) MOSFET se zabudovanm kanlem typu N, (c) pechodov JFET s kanlem typu N Rzn typy pouzder tranzistor

a) Konstrukce a princip innosti tranzistor JFET Prez pechodovm tranzistorem JFET (Junction Field Effect Tranzistor) je na Obr. 6.6 (a) kanl typu N. Na Obr. 6.6 (b) je zobrazen prez pechodovm tranzistorem s kanlem typu P. Souasn jsou uvedeny i nejbnj symboly pro tyto tranzistory.

P+

N+ N+

P+

N

S G D

N+

P+ P+

N+

P

S G D

D

S

G G D

S

kanl N kanl P

(a) (b)

Obr. 6.6 Prez tranzistorem a symbolick znaka tranzistoru: (a) (N) JFET, (b) (P) JFET

Dal vklad se bude tkat pouze tranzistoru (N) JFET (s kanlem typu N). Pro (P) JFET plat vechna tvrzen analogicky pro opan polarity napt. Oblasti se zvenou dotac donor (N+) u elektrod D a S zaruuj dobr ohmick kontakt tchto vvod. Situace je zjednoduen znzornna na Obr. 6.7 (a). Za normln situace mus platit UGS 0. Pechod P-N (G-S) je uzaven a vstupn proud IG je dn pouze proudem diody (pechodu) v zvrnm smru (dov pA). Vstupn odpor RGS je znan, 1012 a vt. Pro UGS > 0 by se pechod P-N otevel a pokud by proud v hradle G


22 Elektrick men

nebyl omezen externm (zapojenm) odporem, dolo by ke znien tranzistoru. Pro UGS < 0 by se pechod mohl tak otevt.

N

ID

UDS

IG = 0

IS

UGS

UDS

typ P+

UGS

G

D

S

ID

IG = 0

IS

d

UR

UK

(a) (b) Obr. 6.7 (a) Principiln struktura pechodovho tranzistoru s kanlem N NJFET, (b) Zapojen s

pouitm symbolick znaky

Vstupn charakteristiky tranzistoru NJFET jsou znzornny na Obr. 6.8. Pro UDS < UDS P je proud ID piblin linern funkc napt UDS, hovome o odporov oblasti. Pro UDS > UDS P nen proud ID (ideln) funkc napt UDS, hovome o saturan oblasti (oblast velkho odporu).

Obr. 6.8 Vstupn charakteristiky tranzistoru NJFET

b) Konstrukce a princip innosti tranzistor s indukovanm kanlem (EMOSFET, enhancement mode)

Prez tranzistorem MOSFET s indukovanm kanlem typu N je na Obr. 6.9. Oznaen vvod je stejn jako u tranzistoru JFET. Struktura na Obr. 6.10 (a) pracuje pouze v tzv. obohacovacm reimu (enhancement mode). Pi UGS 0 jsou vvody S a D jednodue rozpojeny (dioda D oblast P je pro UDS > 0 zaven). Teprve pro UGS > Up > 0 se indukuje kanl typu N pod vrstvou oxidu kemku. Kovov vrstva hradla G tvo pes dielektrickou vrstvu proti vrstv P kondenztor. Je-li napt UGS > 0 jsou dry v polovodii typu P odpuzovny (pinnm elektrickm polem) od hradla G. Pi dosaen hodnoty UGS = Up > 0 se na rozhran vrstvy oxidu kemku a vrstvy P indukuj voln elektrony a propoj oblasti N+ (pod elektrodami S, D). Pi dalm rstu UGS se kanl dle obohacuje o voln elektrony (stle vce dr je odtlaovno od hradla), vodiv kanl se


23 Elektrick men

roziuje. Vstupn charakteristiky tranzistoru MOSFET s indukovanm kanlem typu N a typu P jsou kvalitativn zachyceny na Obr. 6.11.

N+ N+

P

S G D kov

Si 02 obecn i jin dielektrikum

Obr. 6.9 Prez tranzistorem MOSFET s indukovanm kanlem typu N

G

D

IS = ID

ID

G

D

IS = ID

ID

(a) (b)

Obr. 6.10 Symbolick znaka tranzistoru MOSFET s indukovanm kanlem: (a) N, (b) P

(a) (b)

Obr. 6.11 Vstupn charakteristiky tranzistoru MOSFET s indukovanm kanlem typu: (a) N, (b) P

c) Konstrukce a princip tranzistoru se zabudovanm kanlem (DMOSFET,

depletion mode) Prez tranzistoru MOSFET se zabudovanm kanlem typu N je na Obr. 6.12. Vvody S a D jsou trvale propojeny kanlem typu N (zabudovanm). Oznaen vvod je i zde stejn jako u tranzistoru JFET. Struktura na Obr. 6.12 me pracovat: v ochuzovacm reimu UGS < 0 zporn napt na G vytlauje pes dielektrikum (pn pole) ze zabudovanho kanlu elektrony. Odpor kanlu roste. Pi UGS = Up < 0 je kanl uzaven, ID = 0. v obohacovacm reimu UGS > 0 kladn napt na G zvyuje dle poet elektron v kanlu N (obohacuje), odpor kanlu dle kles.


24 Elektrick men

Vliv napt UDS je stejn jako v pedchozch ppadech. Nejmn se uplatuje u vvodu S, nejvce u vvodu D. Kdy je UDS = UGS Up, dochz k uzaven kanlu (seven) v oblasti vvodu D, proud ID je saturovn. Pro zabudovan kanl typu P plat pln stejn vahy s tm, e se zamn typy vodivost a polarita napjecch napt a proud viz Obr. 6.13 (c). Vstupn charakteristiky jsou kvalitativn zachyceny na Obr. 6.14.

N

Zabudovan kanl N

N+ N+

P

S G D kov

Si 02

(50 100 nm)

Obr. 6.12 Prez tranzistorem MOSFET s indukovanm kanlem typu N

G

D

IS = ID

ID

G

D

IS = ID

ID

(a) (b)

Obr. 6.13 Symbolick znaka tranzistoru MOSFET se zabudovanm kanlem typu: (a) N, (b) P

(a) (b)

Obr. 6.14 Vstupn charakteristiky tranzistoru MOSFET s indukovanm kanlem typu: (a) N, (b) P


25 Elektrick men

7.7 LITERATURA

Vrna V., Kol V.: Zklady polovodiov techniky, uebn text VB-TU Ostrava, FEI, kat 452, Z 2005.

Mohylov, J., Punoch, J.: Elektrick obvody II., VB TU Ostrava, 2007, 163 stran, ISBN 978-80-248-1338-7

Internet http://fei1.vsb.cz/kat420/index_stary.html http://www.vossost.cz/svab/elektross/skripta/kap2/2_2_5.html http://cs.wikipedia.org/wiki/Bipol%C3%A1rn%C3%AD_tranzistor#Princip http://www.edunet.souepl.cz/EZO/t_zkz.htm http://www.zesilovace.cz/view.php?cisloclanku=2002122409 http://www.dmaster.wz.cz/postupy/chladice/chladice.htm

http://fei1.vsb.cz/kat420/index_stary.htmlhttp://www.vossost.cz/svab/elektross/skripta/kap2/2_2_5.htmlhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Bipol%C3%A1rn%C3%AD_tranzistor%23Principhttp://www.edunet.souepl.cz/EZO/t_zkz.htmhttp://www.zesilovace.cz/view.php?cisloclanku=2002122409http://www.dmaster.wz.cz/postupy/chladice/chladice.htm

OBSAH7 Elektrick men7.1 vod7.2 Funkce a vlastnosti polovodiovch prvk7.3 Polovodiov diody7.3.1 Usmrovac diody7.3.2 Zenerovy diody7.3.3 Kapacitn diody - Varikapy7.3.4 Fotodiody a svtiv diody

7.4 Tyristory7.5 Triaky7.6 Tranzistory7.6.1 Bipolrn tranzistor7.6.2 Unipolrn tranzistor

7.7 Literatura

OBSAH KAPITOLY:MOTIVACE:CL:

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

/CreateJDFFile false /Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure false /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles false /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /DocumentCMYK /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /UseDocumentProfile /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice

Date post:	28-Feb-2019
Category:	Documents
Upload:	duongdat
View:	245 times
Download:	1 times

ELEKTROTECHNIKA - TEORIE -...

Documents