conductori, izolatori

SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE

2. SEMICONDUCTOARE

2.1 Purttori de sarcin n semiconductoare 2.1.1 Conductoare, izolatoare, semiconductoare Din punctul de vedere al proprietii corpurilor solide de a fi strbtute de curent electric sub aciunea unei tensiuni electrice continue aplicate din exterior, acestea se mpart n trei mari categorii: - conductoare (metalele); - semiconductoare; - izolatoare. Dup cum s-a artat anterior, n metale ntlnim o structur cristalin, unde n nodurile reelei cristaline se gsesc plasai ioni pozitivi, n timp ce printre noduri se mic liber i haotic electroni. Apariia electronilor liberi se explic prin fora de legtur foarte slab a electronilor de valen. Concentraia electronilor liberi este de ordinul 1028 m-3 i nu depinde practic de temperatur. Rezistena electric a metalelor este determinat de frecvena ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile reelei. Ionii sunt ntr-o permanent vibraie termic n jurul unei poziii de echilibru. Cu creterea temperaturii, amplitudinea oscilaiilor crete, ceea ce frneaz micarea de ansamblu a electronilor liberi sub aciunea unui cmp electric exterior. Aa se explic creterea rezistenei (rezistivitii) metalelor cu temperatura. Din punct de vedere al conductivitii ( = 1/), metalele nregistreaz valori foarte mari, m [106, 108] -1m-1. Exist i o categorie de materiale, numite izolatoare, pentru care conductivitatea este extrem de mic, i [10-12,10-20] -1m-1. Electronii de valen ai atomilor acestor materiale sunt foarte puternic legai de atomi. Izolatoarele nu conduc curentul electric deoarece n interiorul lor, practic, nu exist purttori liberi de sarcin electric. Aceste materiale, cum ar fi mica, materiale plastice, sticla, ceramica, marmura, hrtia, cauciucul etc. sunt foarte folosite n electrotehnic n general pentru a realiza diferite izolaii electrice.

24

2. SEMICONDUCTOARE

25

ntre metale i izolatoare, din punct de vedere al conductivitii, se plaseaz semiconductoarele, pentru care s [104, 10-8] -1m-1. Spre deosebire de metale, la semiconductoare, conductivitatea crete puternic cu temperatura (absolut), aa cum se indic n fig. 2.1.

La temperaturi foarte coborte, semiconductoarele sunt izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de bune. n categoria semiconductoarelor intr o mare varietate de substane: oxizi, compui, elemente chimice ca siliciul, germaniul, seleniul, etc. n dispozitivele electronice semiconductoare, cele mai utilizate materiale sunt cristalele elementelor tetravalente Ge i Si i a unor compui intermetalici, ndeosebi GaAs (arseniur de galiu).

n cazul semiconductoarelor, electronii de valen sunt legai de atom mai slab dect la materialele izolatoare. Aceste legturi pot fi rupte dac electronii primesc o energie suficient devenind astfel electroni liberi. Pentru trecerea electronilor din stadiul de electroni legai de atom n starea de electroni liberi, trebuie transmis o energie minim W, numit energie de activare. Pentru semiconductoare, energia de activare se plaseaz n domeniul 0,025 3 eV. Fiecare material semiconductor n parte este caracterizat de o anumit valoare a energiei de activare. Astfel, pentru Ge avem W = 0,72 eV, pentru Si, W = 1,1 eV, etc. Folosind acelai criteriu, al energiei de activare, putem constata c la metale, W = 0, iar la izolatori, W = 3 10 eV. Energia de activare la metale fiind nul, la orice temperatur numrul electronilor liberi este acelai. n cazul izolatoarelor, energia de activare fiind foarte mare, prin nclzire, practic nu apar purttori liberi.

T

Fig. 2.1 Variaia cu temperatura a conductivitii semiconductoarelor

Datorit valorilor mici, energia de activare poate fi transmis electronilor de valen din materialele semiconductoare de energia de agitaie termic a ionilor reelei cristaline. Spre deosebire de metale, cu creterea temperaturii n semiconductoare crete numrul electronilor liberi. De exemplu, la Si pur, concentraia electronilor liberi crete de la 1017 m-3 (la temperatura camerei) pn la 1024 m-3, la temperatura de 700 C (legea 3/2).


26

2.1.2 Purttori de sarcin n semiconductoare. Semiconductoare intrinseci La semiconductoare este caracteristic faptul c la conducie particip pe lng electronii liberi (de conducie) i electronii de valen, rmai legai de atomii din reeaua cristalin. Pentru nelegerea acestui tip de conducie analizm comportarea electronilor dintr-un cristal de germaniu. Atomul de germaniu are patru electroni de valen. n reeaua cristalului de germaniu, fiecare atom este nconjurat echidistant de patru atomi. Fiecare electron de valen al unui atom formeaz o pereche cu un electron de valen din atomul vecin. Electronii devin comuni ambilor atomi. Acest tip de legtur, caracterizat prin punerea n comun a electronilor de valen ntre atomii vecini, se numete legtur covalent. n fig. 2.2 a se reprezint modelul spaial al legturilor unui atom de germaniu din reeaua cristalin, iar n fig. 2.2 b modelul plan (simplificat) al legturilor covalente dintre atomii de germaniu.

+

++

++

a b Fig. 2.2 a) Modelul spaial al legturilor unui atom dintr-un cristal

de ge niurmaniu pur; b) Legturile covalente ale cristalului de germapur (reprezentare simplificat n plan a modelului spaial)

Starea legturilor din fig. 2.2 corespunde temperaturilor foarte sczute, cnd cristalul se comport ca un izolator aproape perfect. La temperaturi mai nalte, datorit caracterului fluctuant al energiei de agitaie termic, o parte din electronii din legturile covalente pot deveni electroni liberi, primind o energie (cel puin) egal cu energia de activare. Electronii eliberai din atomii neutri las n locurile pe care le prsesc ''goluri'', adic legturi covalente nesatisfcute. Sub aciunea unui cmp electric exterior, electronii din unele legturi covalente ale atomilor vecini

2. SEMICONDUCTOARE

27

pot ''umple'' aceste ''goluri''. Ca urmare, n atomii de unde au plecat rmn alte ''goluri''. Dup apariia unui ''gol'', un electron dintr-un atom vecin l umple, lsnd n urma lui alt gol. Prin urmare, are loc o deplasare a electronului legat (de valen) ntr-un sens i a golului n sens contrar. n acest fel, golurile se comport ca nite particule fictive, cu sarcin pozitiv +e i mas mp , care se deplaseaz prin cristal i contribuie, alturi de electronii liberi, la conducia electric. Micarea electronilor liberi, eliberai din legturile covalente, se poate reprezenta printr-o micare clasic, supus legilor mecanicii newtoniene, sub aciunea forelor externe (cmpuri electrice exterioare), a unei particule fictive, numit electron de conducie. Acesta are sarcina electric -e i o mas mn. n mn se include efectul cmpului electric periodic, datorat ionilor reelei cristaline, electronul fiind supus doar forelor externe, macroscopice. In concluzie, n semiconductoare particip la conducie dou tipuri de purttori de sarcin mobil: electronii (negativi) i golurile (pozitive). ntr-un semiconductor pur, la echilibru termic, purttorii mobili apar numai prin generarea termic a perechilor electron-gol. n acest fel, vor rezulta tot atia electroni de conducie cte goluri. Semiconductorul n care concentraia de electroni este egal cu cea de goluri se numete semiconductor intrinsec, iar concentraia respectiv ni , concentraia intrinsec: n0 = p0 = ni (2.1) unde n0 i p0 reprezint concentraiile de electroni, respectiv de goluri, n semiconductorul pur, la echilibru termic. Pentru o temperatur dat, n0 i p0 sunt mrimi constante care depind de natura semiconductorului pur respectiv. 2.2 Semiconductoare cu impuriti. Conductivitatea electric a unui semiconductor cu impuriti 2.2.1 Semiconductoare cu impuriti Tipul conduciei electrice intr-un semiconductor poate fi determinat i de prezena i de natura atomilor strini (impuriti) n reeaua sa cristalin. Procesul (tehnologic) de impurificare a unui semiconductor se numete dopare (sau dotare). Nivelele normale de dopare sunt foarte mici, de ordinul un atom de impuritate la 104 107 atomi de semiconductor din cristal.


28

n reeaua cristalin se pot introduce dou tipuri de impuriti: a) dac n cristalul de germaniu se introduc atomi pentavaleni (de exemplu,

arseniu), numai 4 din cei 5 electroni de valen se leag covalent cu atomii vecini de germaniu, iar cel de-al cincilea se desprinde de atomul de impuritate i devine electron liber (fig. 2.3). Pentru ca el s devin electron de conducie, este suficient o energie n jur de 0,01 eV, la Ge, respectiv 0,05 eV, la Si, capabil s-l desprind de atom. La temperatura camerei, practic toi aceti ai 5-lea electroni devin electroni de conducie. Electronul cedat nu las ns o legtur nesatisfcut; atomul de arseniu (As) devine ion pozitiv (devenind purttor de sarcin imobil). Impuritile pentavalente creeaz deci, n reeaua cristalin a germaniului un singur fel de purttori mobili de sarcin: electroni. Impuritile care permit astfel de cedri de electroni liberi se numesc donori, iar

semiconductorul cu atomi de impuritate donori se numete semiconductor extrinsec de tip n (negativ).

As

GeGe

GeGe electron liber

Fig. 2.3 Legturile covalente n cristalul de germaniu, n care un atom de germaniu a fost nlocuit cu un atom

de impuritate pentavalent (arseniu)

n semiconductorul extrinsec de tip n, nn0 reprezint concentraia total de electroni liberi la echilibru termic, provenii att de la atomii de impuritate, ct i datorit agitaiei termice a reelei, care genereaz perechi electron-gol. n acest caz, nn0 >>p0 i semiconductorul are conductivitatea electric mult mai mare dect conductivitatea aceluiai semiconductor n stare pur. Deoarece conducia n acest caz se face n principal cu electroni, ea se numete conducie de tip n. n semiconductorul de tip n, electronii sunt purttori majoritari, iar golurile sunt purttori minoritari. De exemplu, la 20 C, pentru Ge pur conductivitatea are valoarea = 2,2 -1m-1, iar Ge de tip n are = 102 -1m-1. Conductivitatea semiconductorului este cu att mai mare cu ct concentraia purttorilor de sarcin liberi este mai mare. b) n cristalul de germaniu se pot introduce impuriti formate din atomi trivaleni (indiu, galiu, bor, aluminiu). i n acest caz atomii de impuritate vor ocupa n reea locul unor atomi de germaniu, avnd ns fiecare cte o legtur covalent nesatisfcut. Atomul trivalent de bor - de exemplu, are lips un electron

2. SEMICONDUCTOARE

29

de legtur (fig. 2.4). Atomul de bor poate accepta un electron provenind de la o legtur Ge - Ge a unui atom vecin. Apare un gol care tinde s se completeze prin atragerea unui electron de valen de la un alt atom de germaniu vecin. Astfel, n reeaua semiconductorului se formeaz un numr de goluri egal cu numrul atomilor de impuritate. Atomii de impuritate devin ioni negativi (fici) i poart denumirea de acceptori. Purttorii de sarcin mobili majoritari sunt n acest caz golurile iar purttorii mobili de sarcin minoritari sunt electronii liberi provenii din generarea de perechi electron-gol, pe seama fluctuaiei energiei de agitaie termic a reelei. Deci, np0 >> n0 i avem conducie de tip p.

B

GeGe

GeGe gol

electron mprumutat de la atom de Ge vecin

Fig. 2.4 Formarea golurilor n cristalul de germaniu extrinsec dotat cu atomi de bor

2.2.2 Conductibilitatea semiconductoarelor i structura benzilor energetice Conform teoriei cuantice, att n stratul de valen ct i n cel de conducie, electronii sunt caracterizai de valori cuantificate (discontinue) ale energiei. Nivelele energetice (posibile) ale electronilor de valen se grupeaz n banda de valen, iar a electronilor liberi n banda de conducie. Cele dou benzi sunt separate de banda interzis. Se cunoate c pentru semiconductorul intrinsec, pur din punct de vedere chimic, la o anumit energie primit din exterior, un numr de electroni din stratul de valen prsesc atomii respectivi, devenind electroni liberi ce particip la procese de conducie. Aportul energetic exterior necesar este egal cu nlimea W a benzii interzise. n fig. 2.5 se prezint structura benzilor energetice n cazul unui semiconductor intrinsec. Atunci cnd un electron de valen primete energie din exterior, el poate rupe legtura covalent, devenind electron liber. Prin acest proces apare i golul, care


30

particip la conducie ca purttor de sarcin pozitiv. Ca urmare, electronul liber este un purttor al crui nivel energetic corespunde benzii de conducie, pe cnd golul este un purttor pozitiv, al crui nivel energetic corespunde benzii de valen.

Cnd un electron prsete atomul, devenind electron liber, spunem c se genereaz o pereche electron - gol. ntr-un semiconductor intrinsec are loc un proces continuu de generare a perechilor electron - gol, a crui intensitate depinde de energia primit de semiconductor, din exterior. Simultan, are loc i un proces invers, de recombinare electron - gol, rezultnd atomi neutri. Un semiconductor asupra cruia nu acioneaz ageni exteriori cum ar fi: cmp

electromagnetic, radiaii cu particule sau electromagnetice, se spune c se afl la echilibru termic. n acest caz, concentraiile de electroni i goluri generai prin mecanism intrinsec, depind de temperatura absolut:

W

W

Banda devalen

Banda deconducie

Banda interzis

Fig. 2.5 Structura benzilor energetice la un semiconductor intrinsec

==kTWTApn ii 2

exp2/3 (2.2)

unde ni , pi sunt concentraiile de electroni i goluri n semiconductorul intrinsec, T - temperatura absolut, k - constanta lui Boltzmann, W - limea benzii interzise, A - constant, i - indice care arat c procesul se refer la semiconductor intrinsec. Dac n semiconductor apare un cmp electric, electronii se vor mica n sens invers cmpului, iar golurile n sensul liniilor de cmp. Se formeaz un curent de electroni ini , respectiv de goluri ipi , ambii n acelai sens (al liniilor de cmp). Curentul total de conducie prin semiconductor este egal cu suma celor doi cureni. Componentele curentului de conducie nu sunt egale (ini > ipi), deoarece mobilitile celor dou tipuri de purttori nu sunt egale.

2. SEMICONDUCTOARE

Analiza folosind structura de benzi se aplic i la semiconductoarele extrinseci. n cazul semiconductoarelor dopate cu impuriti pentavalente (donoare), impuritile introduc un nivel energetic n banda interzis a semiconductorului, numit nivel donor, situat foarte aproape de banda de conducie, ca n fig. 2.6. Cum valoarea Wd este foarte mic (0,01 0,05) eV la temperaturile ambiante obinuite, practic toi atomii donori furnizeaz cte un electron liber, electronii devenind astfel purttori majoritari.

F

W

Wd

Banda de valen

Banda de conducie

Nivel donor

ig. 2.6 Structura benzilor energetice la un semiconductor extrinsec cu impuriti donoare

n cazul semiconductorului dopat cu impuriti trivalente, acestea introduc n banda interzis un nivel acceptor, foarte aproape de banda de valen, ca n fig. 2.7. Ca urmare, la temperatura ambiant, practic toi atomii acceptori capteaz cte un electron, care a primit o energie Wa


a p n

x

b

x

xc

x

d x

e x

f

-+

U0

V

Ei

Nd

pp

nn

Na

x

2.3 Jonciunea p n

2.3.1 Procese fizice n jonciunea p-n Dac ntr-un semiconductor se realizeaz, prin procedee speciale, o zon p i o zon n, astfel ca trecerea de la o zon la cealalt s se fac pe o distan foarte mic (de regul, sub 10-5 mm), se obine o jonciune p - n (fig. 2.8). Notnd cu Na concentraia atomilor acceptori i cu Nd concentraia atomilor donori, n fig. 2.8 b se prezint distribuia concentraiei impuritilor, n cazul ideal, cnd trecerea de la regiunea p la regiunea n se face brusc (jonciune abrupt). De obicei, concentraiile impuritilor n cele dou zone nu sunt egale (Na > Nd), jonciunea numindu-se n acest caz asimetric. Procesele fizice care au loc n jonciunea p - n au o importan deosebit n funcionarea celor mai multe dispozitive semiconductoare. n cel mai simplu caz, jonciunea p - n poate fi utilizat la realizarea diodelor semiconductoare.

32

n vecintatea suprafeei de separaie a zonelor p i n exist o variaie puternic a concentraiei purttorilor majoritari. Diferenele de concentraii ale golurilor i electronilor determin difuzia purttorilor majoritari dintr-o zon n alta: golurile tind s difuzeze din zona n iar electronii n zona p. Datorit procesului de difuzie, ct i datorit recombinrii purttorilor majoritari cu cei difuzai, n vecintatea suprafeei de separaie are loc o micorare substanial a concentraiei purttorilor majoritari (fig. 2.8 c). n consecin, sarcina ionilor imobili ai

Fig. 2.8 Jonciunea p-n. a) structura jonciunii; b) distribuia concentraiei de impuriti; c) distribuia concentra-iei purttorilor majoritari; d) distribu-

ia sarcinii spaiale; e) distribuia intensitii cmpului electric intern al

regiunii de trecere; f) distribuia potenialului

2. SEMICONDUCTOARE

33

impuritilor rmne necompensat de sarcina purttorilor majoritari, conducnd la apariia n vecintatea suprafeei de separaie, a unei sarcini spaiale fixat n reeaua cristalin. Sarcina spaial este format din ioni negativi de impuriti acceptoare, n zona p i de ioni pozitivi de impuriti donoare, n regiunea n (fig. 2.8 d). Regiunea n care apare sarcina spaial, din vecintatea suprafeei de separare se numete regiune de trecere. Celelalte zone, fr sarcin spaial, se numesc regiuni neutre. Sarcina spaial produce un cmp electric intern al regiunii de trecere, care se opune difuziei purttorilor majoritari (fig. 2.8 e). Prezena cmpului electric duce la apariia unui potenial, a crui distribuie este precizat n fig. 2.8 f. Se constat apariia unei bariere de potenial n regiunea de trecere care se va opune difuziei purttorilor majoritari. in acest caz va exista totui un curent de difuzie id = ipM + inM , unde ipM i inM sunt componentele curenilor de goluri, respectiv de electroni, produi de acei purttori majoritari care au o energie suficient de mare pentru a nvinge bariera de potenial U0 din regiunea de trecere. Cum bariera de potenial este mare, curentul de difuzie id este foarte mic. Cmpul intern al jonciunii antreneaz dintr-o zon n alta purttorii minoritari, formnd un curent de conducie, ic = ipm + inm , unde ipm i inm sunt componentele curenilor de goluri, respectiv de electroni (purttori minoritari). n regimul de echilibru termic al unei jonciuni nepolarizate, curentul de difuzie id este egal i de sens contrar cu curentul de conducie ic , astfel nct curentul rezultant prin jonciune este nul (fig. 2.9 a).

Fig. 2.9 Polarizarea jonciunii p n; a) jonciunea p n nepolarizat; b) jonciunea p n polarizat direct; c) jonciunea p n polarizat invers

ipM

inM

ipminm np

a

V

U0

+ - ua ipM

inM

ipminm np

ua>0

uaV

U0

b

- + ua ipM

inM

ipminm np

U0

ua


34

diferen de potenial ntre zonele p i n, reprezentnd bariera de potenial U0, tensiunea la bornele dispozitivului, n gol, este egal cu zero. Aceasta se explic prin existena n circuit a dou contacte metal - semiconductor, care produc poteniale de contact, astfel nct tensiunea rezultant ntre terminale este egal cu zero. Dac se aplic la bornele jonciunii p-n o tensiune ua cu polaritatea din fig. 2.9 b, cmpul electric exterior diminueaz intensitatea cmpului electric din regiunea de trecere i ca urmare bariera de potenial scade de la valoarea U0 la valoarea U0 -ua. Curentul de difuzie crete i poate atinge valori foarte mari, n timp ce curentul de conducie se modific puin. Curentul prin jonciune este egal cu curentul de difuzie, format din purttorii majoritari, reprezentnd curentul direct al jonciunii. Aplicnd o tensiune ua < 0, adic cu polaritatea plus pe borna n, cmpul electric din regiunea de trecere este ntrit de cmpul electric aplicat din exterior. Bariera de potenial crete de la U0 la U0 + ua. Curentul de difuzie scade practic la zero. Prin jonciune va circula curentul de purttori minoritari (de conducie) ic . Ca

valoare, acest curent este foarte mic i reprezint curentul invers al jonciunii p-n.

b

a

x

c x

d

V

U0

Ln -Lp

Em

+

-

E

p n

x

Pentru stabilirea unor proprieti ale regiunii de trecere, eseniale pentru nelegerea funcionrii dispozitivelor semiconductoare, se folosete un model simplificat al jonciunii, obinut n ipoteza c densitile de sarcin spaial, din regiunea de trecere, sunt constante n cele dou zone (fig. 2.10). n fig. 2.10 s-a notat cu Ln limea regiunii de trecere n zona n i cu Lp limea regiunii de trecere n zona p. Se poate deduce lrgimea regiunii de trecere a jonciunii, conform relaiei:

+===

danp NNe

ULLL 11

2 0 (2.3) Fig. 2.10 Model simplificat al jonciu-nii p-n. a) structura jonciunii; b) distribuia sarcinii spaiale;

c) distribuia intensitii cmpului electric; d) distribuia potenialului

unde: - permitivitatea materialului; e - sarcina electric elementar;

2. SEMICONDUCTOARE

35

U0 - bariera de potenial; Na , Nd - concentraiile de impuriti acceptoare, respectiv donoare. n cazul n care jonciunii i se aplic o tensiune ua , limea regiunii de trecere devine:

( )

+===

da

anp NNe

uULLL 11

2 00 (2.4) Pe baza acestui model se pot deduce urmtoarele proprieti importante ale regiunii de trecere: - regiunea de trecere se comport ca un dielectric datorit concentraiei sczute a

purttorilor; - extinderea regiunii de trecere n zonele p i n este invers proporional cu

concentraia impuritilor n zonele respective; - lrgimea regiunii de trecere crete odat cu tensiunea invers aplicat

jonciunii. 2.3.2 Caracteristica static a jonciunii p-n. Punctul static de funcionare Fie o jonciune p-n utilizat ca diod semiconductoare (fig. 2.11). Electrodul cu potenial pozitiv n timpul conduciei se numete anod, iar cellalt electrod se numete catod. Caracteristica static a diodei semiconductoare reprezint dependena curentului prin diod, numit curent anodic de tensiunea dintre anod i catod, numit tensiune anodic.

Fig. 2.12 Caracteristica static a diodei semiconductoare

102030

0,30,2

ua [V]

0,8 0,4

0,1

1,2

ia [A]

Ustr

ia [mA]

200 100

b

a

A C

p n

Fig. 2.11 Dioda semiconductoarea) structur; b) simbolizare


36

n fig. 2.12 se prezint caracteristica static a diodei semiconductoare, pentru care s-au adoptat scri diferite pe semiaxe. n cadranul I se prezint caracteristica direct, unde tensiunea anodic are valori foarte mici (0,2, , 0,5V) la Ge i (0,6, , 0,9V) la Si, iar curentul poate avea valori mari. n cadranul III se reprezint ramura de polarizare invers, n care tensiunile aplicate diodei pot avea valori mari, dar curentul prin diod este practic constant i foarte mic. Caracteristica teoretic a unei diode este de forma:

= 1expkTeuIi aSa (2.5)

unde: ua - tensiunea aplicat la borne; e - sarcina electric elementar; k - constanta lui Boltzmann; T - temperatura absolut; IS - curent de saturaie, dependent de concentraiile purttorilor minoritari.

Factorul e

kTeT = se exprim dimensional n voli i se numete tensiune termic (eT = 26 mV la T = 300 K). Pentru tensiuni inverse mari (fa de eT),

TkUe aexp eT i

TkUe aexp >> 1,

se obine ecuaia:

kTeu

Ii aSa exp (2.6)

La tensiuni inverse mari se constat o cretere important a curentului invers prin diod, datorat multiplicrii n avalan a purttorilor de sarcin. Sub aciunea cmpului electric rezultat prin aplicarea tensiunii la borne, purttorii de sarcin sunt accelerai, putnd produce ionizri, respectiv generri de perechi electron - gol, datorit ciocnirilor neelastice. Purttorii rezultai sunt la rndul lor accelerai i pot genera noi perechi electron - gol prin alte ciocniri neelastice. Temperatura jonciunii p-n influeneaz substanial curentul prin diod, n sensul creterii, att la conducia direct, dar n special la polarizarea invers (fig. 2.13).

2. SEMICONDUCTOARE

Se consider un circuit electric format dintr-o diod nseriat cu o rezisten R i cu o surs de t.e.m E (fig. 2.14). Dndu-se valorile E i R i caracteristica static a diodei ia = ia (ua), se cere s se determine curentul prin diod i tensiunea la borne. Pentru rezolvarea problemei, se utilizeaz caracteristica static a diodei i relaia obinut prin aplicarea legii a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul considerat.

37

ia = ia (ua) Ria + ua = E

Fig. 2.13 Influena temperaturii asupra caracteristicii statice a diodei

semiconductoare

200

ia [A]

Ustr

[A]

100 ua [V]

0,8 1,2 0,4

0,1

0,2

0,3

30

20

10

20 C

40 C 30 C

tg = R

E

iaR

ia0 M

ua0ua

ia

D

+

ER

ua

ia

a b Fig. 2.14 Dioda semiconductoare n circuit. a) circuitul de alimentare;

b) determinarea punctului static de funcionare Soluia sistemului constituie curentul prin diod i tensiunea la bornele sale. Cum relaia ia = ia (ua) este dat sub form grafic, soluia sistemului se obine pe cale grafic (metoda grafo - analitic). Reprezentarea celei de-a doua ecuaii din sistem n planul ia - ua poart denumirea de dreapt static de sarcin. Intersecia dreptei statice de sarcin cu caracteristica diodei se numete punct static de funcionare. Coordonatele acestui punct (ia ,, ua0) reprezint soluia problemei.


38

2.3.3 Comportarea jonciunii p-n n regim variabil, la semnal mic

Fie o diod semiconductoare funcionnd ntr-un punct static de funcionare M, de coordonate ua0 , ia0 (fig. 2.15). Dac tensiunea anodic are variaii de joas frecven n jurul valorii ua0 (mici n comparaie cu tensiunea termic eT), de forma:

ia0

ua

ia

tg = ia/ua = 1/R

ua0

M

ua

ia )()( 0 tuutu aaa += , curentul prin diod este: )()( 0 tiiti aaa += Variaia ia(t) este determinat n funcie de ua , prin intermediul pantei la caracteristica static n punctul M, adic: Fig. 2.15 Regimul dinamic al

jonciunii p n

0

1

aua

a

i dudi

R= , a

ia uR

i = 1

unde:

1

0

=aua

ai du

diR

se numete rezisten intern a diodei. Folosind ecuaia diodei ideale:

= 1expkTeuIi aSa , rezult:

( )SaSaSaSa

a IikTeI

kTeu

IkTe

kTeu

kTeI

dudi +=

+

=

= 1expexp

0

1

11

00aSuaSua

ai iIq

kTiIe

kTdudi

Raa

+=+=

=

2. SEMICONDUCTOARE

39

0aS

Ti iI

eR +=

Atunci cnd variaia ua(t) a tensiunii la bornele diodei este de frecven ridicat, curentul prin diod este determinat i de capacitile proprii ale jonciunii p-n: capacitatea de barier Cb i capacitatea de difuzie Cd. Schema echivalent a diodei la variaii mici, de frecven ridicat, n jurul unui punct static de funcionare este prezentat n fig. 2.16. Ri Cb

Ri Ri Cd Cb Capacitatea de barier

corespunde sarcinii spaiale acumulate n regiunea de trecere i depinde de tensiunea ua , conform relaiei:

a b c

Fig. 2.16 Schema echivalent de semnal mic a diodei semiconductoare

a) schema echivalent general; b) schema echivalent la polarizare direct; c) schema

echivalent la polarizare invers

0

0'

1Uu

CC

a

bb

=

unde Cb0 este capacitatea de barier a jonciunii nepolarizate. n fig. 2.17 se prezint variaia capacitii Cb cu tensiunea aplicat.

Cb, Cd

Cd

0

Ua

10 20Uinv [V]

Cb[pF]

Cb

Ua a b

Fig. 2.17 Variia capacitilor diodei cu tensiunea aplicat a) capacitatea de barier; b) capacitatea de barier i

de difuzie la polarizarea direct


40

Capacitatea de difuzie corespunde efectului acumulrii de sarcin datorit procesului de difuzie a purttorilor de sarcin n regiunile neutre ale semiconductorului. Valoarea capacitii de difuzie Cd depinde de punctul de funcionare a diodei, fiind extrem de mic atunci cnd jonciunea este polarizat invers (fig. 2.17). La polarizarea n sens direct, rezistena intern a diodei Ri este foarte mic, astfel c efectul capacitilor Cb i Cd poate fi neglijat. Schema echivalent a diodei la semnal mic este ca n fig. 2.16 b. La polarizarea invers, rezistena Ri este foarte mare, deci capacitatea jonciunii, egal practic cu Cb , are un efect de untare care poate fi neglijat. n acest caz, schema echivalent de semnal mic a diodei rezult ca n fig. 2.16 c. 2.4 Tipuri de diode semiconductoare n industrie se folosesc mai multe tipuri de diode semiconductoare, dintre care amintim: dioda redresoare, dioda de comutaie, dioda cu contact punctiform, dioda stabilizatoare (Zener), dioda varicap, dioda tunel, fotodioda, dioda electroluminiscent, dioda laser. Diodele redresoare se construiesc (sau s-au construit) cu germaniu, siliciu, iar la puteri mici, cu seleniu. Diodele de putere medie i mare au o construcie care permite montarea lor pe radiatoare, pentru a crete suprafaa de disipare a cldurii. Principalii parametri ai diodelor redresoare sunt: curentul mediu redresat, I0; curentul direct de vrf repetitiv, IFRM; tensiunea invers de vrf repetitiv, URRM; temperatura maxim a jonciunii, Tj max; rezistena termic, Rth care determin transferul de cldur n exterior. La diodele cu siliciu, curentul mediu redresat poate atinge valori de sute sau chiar mii de amperi, cu tensiuni inverse de vrf repetitive de mii de voli, temperatura de lucru maxim a jonciunii fiind de 150 C. La diodele cu germaniu, valorile de curent i tensiune sunt mai mici i temperatura maxim de lucru a jonciunii este de 80 C. Diodele redresoare se folosesc pn la frecvene de cca. 1020 kHz, deoarece la frecvene nalte, capacitatea de barier produce un puternic efect de untare a rezistenei inverse i proprietile de redresare sunt diminuate (sau chiar dispar). Dioda stabilizatoare (Zener). Sunt diode cu siliciu, care utilizeaz ramura caracteristicii curent - tensiune, corespunztoare polarizrii inverse. La o anumit tensiune invers se produce generarea prin multiplicare n avalan i - ntr-o

2. SEMICONDUCTOARE

41

oarecare msur - prin efect Zener, a perechilor electron - gol. Efectul Zener const din ruperea unor legturi covalente i formarea perechilor electron - gol datorit trecerii prin efect tunel a electronilor din banda de valen n banda de conducie. n consecin, curentul invers prin jonciune ncepe s creasc brusc, tensiunea la bornele diodei fiind aproape constant. Diodele Zener sunt construite pentru a funciona n mod normal pe caracteristica invers de strpungere nedistructiv. Caracteristicile diodei Zener sunt prezentate n fig. 2.18.

a b

ia

UZ

IZ

ua

uaUZ

IZ

+

ia

Fig. 2.18 Dioda Zener. a) cazul sensului adoptat ca la diodele redresoare; b) cazul sensului de referin inversat

Principalii parametri ai diodei Zener sunt: puterea nominal, tensiunea nominal de strpungere, UZ (pentru o valoare specific a curentului n regiunea de strpungere, IZ), rezistena intern (dinamic) n poriunea de funcionare a caracteristicii, coeficientul de variaie cu temperatura a tensiunii stabilizate:

[ ]CT

UU

Z

ZZ

0/%1001 =

Puterile diodelor stabilizatoare ating zeci de W i tensiuni UZ cuprinse de la 2 pn la sute de voli. 2.5 Tranzistorul bipolar 2.5.1 Tranzistorul ca element comandat prin semnal Una din funciile eseniale pe care le realizeaz tranzistorul este amplificarea semnalelor electrice. Un amplificator are structur de diport; la bornele de intrare


42

se aplic un semnal, iar la bornele de ieire, un receptor numit sarcin (rezisten sau n general impedan de sarcin) pe care se obine semnalul amplificat (fig. 2.19 a). Considerm cazul simplu, n care amplificatorul are ca sarcin o rezisten R i conine un singur tranzistor. Analiznd circuitul dinspre bornele de ieire 2 2 amplificatorul se poate reprezenta printr-un generator echivalent de tensiune sau de curent G, comandat prin semnalul de intrare, notat generic prin x1 (fig. 2.19 b).

E

i0+i2

x1

R

2

2

G

1 i2 i1

2

2

u1 u2 R

1

i2 x1

G

2

2

R

a b c Fig. 2.19 Funcia de amplificare a tranzistorului. a) structura de diport a unui

amplificator; b) schema echivalent cu generator echivalent de tensiune sau curent; c) schema echivalent cu surs de alimentare

Generatorul de semnal G reflect n esen proprietile de amplificare ale tranzistorului, fr a specifica un aspect esenial: amplificarea n putere se realizeaz pe seama consumului de energie de la o surs de alimentare care asigur funcionarea normal a tranzistorului. Aceast surs este menionat n fig. 2.19 c, ca avnd t.e.m. E. Este posibil ca sarcina s fie parcurs numai de curentul i2 produs de semnalul de intrare, nu i de componenta continu i0, care asigur funcionarea normal a tranzistorului. Ca urmare, cel mai simplu amplificator conine: sarcina, pe care se obine semnalul amplificat; tranzistorul, care se comport ca un generator de tensiune sau de curent, comandat prin semnalul de intrare; elementele care asigur funcionarea tranzistorului ntr-un regim, unde se obin proprietile de amplificare (sursa E i alte elemente). Exist dou categorii de tranzistoare: bipolare i unipolare.

n tranzistoarele bipolare, mecanismul conduciei este determinat att de purttorii majoritari, ct i de purttorii minoritari din semiconductor. Semnalul xi prin care se comand tranzistorul bipolar ntr-un etaj de amplificare este un curent electric iar generatorul echivalent G este un generator de curent.

2. SEMICONDUCTOARE

43

2.5.2 Structura fizic i funcionarea tranzistorului bipolar

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive semiconductoare cu dou jonciuni formate printr-o succesiune de 3 zone pnp sau npn (fig. 2.20). Zona din mijloc a tranzistorului se numete baz (B) i este realizat cu urmtoarele proprieti: este foarte ngust (de ordinul micronilor sau chiar zecimi de micron) i are o dopare cu impuriti mult mai mic dect regiunile laterale. O zon extrem, cu cea mai mare dopare cu impuriti se numete emitor (E). Cealalt zon extrem se numete colector (C).

E p n C

B

nE n p C

B

p

a b Fig. 2.20 Tranzistorul bipolar. a) structura pnp; b) structura npn Cele dou jonciuni ale unui tranzistor se numesc jonciunea emitorului, respectiv jonciunea colectorului. La funcionarea n regiunea activ (n care se manifest proprietile de amplificare ale tranzistorului), jonciunea emitorului este polarizat n sens direct, iar jonciunea colectorului n sens invers. Pentru a urmri procesele fizice din tranzistor studiem tranzistorul pnp. Pentru structura npn funcionarea este similar, inversndu-se rolurile electronilor i golurilor i sensurile tensiunilor i curenilor. Presupunem c se alimenteaz numai jonciunea colectorului (EE = 0). Prin aceast jonciune va circula n acest caz numai curentul invers, de purttori minoritari, notat cu ICB0 . Regiunea de trecere a jonciunii are o lrgime mare, datorit prezenei tensiunii de polarizare invers EC . Ea se extinde mult n zona bazei, deoarece aceasta este mult mai slab dopat cu impuriti dect n zona colectorului. Dac se consider alimentarea normal a tranzistorului (fig. 2.21), cu jonciunea emitorului polarizat n sens direct, va exista un curent de difuzie prin aceast jonciune: golurile din emitor difuzeaz n baz, formnd curentul ipE , iar electronii din baz difuzeaz n emitor, formnd curentul inBE . Deoarece concentraia impuritilor, deci i a purttorilor majoritari, este mult mai mare n emitor dect n baz, curentul de difuzie prin jonciunea emitorului va fi, in cea mai mare parte, curent de goluri. Golurile injectate de emitor n baz, formnd curentul ipE al jonciunii emitorului devin n baz purttori minoritari. S-a


44

precizat c lrgimea w a bazei este foarte mic iar regiunea de sarcin spaial a jonciunii colectorului se extinde mult n zona n a bazei. n consecin, golurile difuzate n baz vor fi preluate i transportate n colector de ctre cmpul intern din regiunea de trecere a jonciunii colectorului, formnd curentul ipEC. Transferul aproape integral n colector al golurilor difuzate n baz se numete efect de tranzistor. El se produce datorit grosimii foarte reduse a bazei, precum i datorit extinderii pronunate, n zona bazei a regiunii de trecere a jonciunii colectorului. O mic parte din golurile injectate n baz nu trec n colector, ci se recombin cu electronii din baz, formnd curentul ipEB. Sursa EE asigura o circulaie de electroni care iau locul celor recombinai cu golurile n baz.

+a

p pn

ipEC

iE iB

w

B

C

E

+EE EC

ipEBipE

inBE ICB0

iC

B E

+b

iB B

EE

+ EC

iE iC

Fig. 2.21 Tranzistorul pnp a) diagrama curenilor prin tranzistor; b) simbolul tranzistorului n circuitul de alimentare

Avnd n vedere cele artate, rezult urmtoarele relaii ale curenilor pentru tranzistorul bipolar pnp: iE = ipE + inBE iC = ipEC + ICB0 iB = ipEB + inBE - ICB0 nsumnd iC cu iB i innd cont c: ipE = ipEC + ipEB rezult:

2. SEMICONDUCTOARE

45

iC + iB = ipEC + ICB0 + ipEB + inBE -ICB0 = ipE + inBE = iE Raportul:

pE

pECN i

i= se numete factor static de amplificare n curent i are valori de 0,98, , 0,998. Neglijnd componenta inBE n raport cu ipE deoarece concentraia purttorilor majoritari n emitor este mult mai mare dect n baz, rezult: iE = ipE . Cu aceast simplificare se obin ecuaiile uzuale ale curenilor prin tranzistor: iC = N iE + ICB0 iB = (1- N ) iE - ICB0 n cazul tranzistorului npn (fig. 2.22), electronii majoritari din emitor difuzeaz n zona bazei. De aici, electronii difuzai, devenii purttori minoritari, trec prin efect de tranzistor n zona colectorului. Deci, circulaia purttorilor se face n mod analog tranzistorului pnp, cu deosebirea c sensul curentului de electroni este invers sensului de circulaie a electronilor. Polaritile tensiunilor aplicate tranzistorului npn se inverseaz fa de tranzistorul pnp, ns n valori absolute, aceste tensiuni au acelai ordin de mrime.

a

n np

iE iB

w

B

C

+

E

+EE EC

ICB0ipBE

inECinEB

inE

iC

B E

b

iB B

+EE +

EC

iE iC

Fig. 2.22 Tranzistorul npn a) diagrama curenilor prin tranzistor; b) simbolul tranzistorului n circuitul de alimentare


46

n concluzie, se pot reine urmtoarele aspecte importante privind funcionarea tranzistorului bipolar, n regimul de lucru considerat (pentru regiunea activ de funcionare): - tensiunea ntre emitor i baz este mic (zecimi de volt), ntruct jonciunea

emitoare este polarizat n sens direct; - tensiunea ntre colector i baz are o valoare mare (voli, zeci de voli sau chiar

sute de voli), deoarece jonciunea colectoare este polarizat invers, putnd prelua tensiuni mari;

- curentul de colector este aproximativ egal cu curentul de emitor; - ntruct curentul obinut n ''circuitul de ieire'' al tranzistorului (circuitul de

colector) este practic egal cu curentul din ''circuitul de intrare'' (circuitul baz - emitor), iar tensiunea baz - colector este mult mai mare dect tensiunea baz - emitor, rezult c puterea ce se poate obine n circuitul de ieire este mai mare dect puterea n circuitul de intrare, ceea ce permite realizarea funciei de amplificare n putere a unui semnal.

2.5.3 Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar n schemele de amplificare, precum i n alte circuite electronice, tranzistorul este tratat ca un cuadripol activ, avnd dou borne de intrare i dou borne de ieire. Dar tranzistorul are numai trei borne (terminale). Rezult c, pentru a fi utilizat ntr-un anumit circuit, de exemplu de amplificare, este necesar ca o born a tranzistorului s fie comun att circuitului de intrare ct i circuitului de ieire. n funcie de electrodul folosit ca born comun, tranzistorul are trei conexiuni posibile (fig. 2.23): baz comun (BC), emitor comun (EC) i colector comun (CC).

uEB

aFig. 2.23 Scheme fundamentale de conectare a tranzistorului. a) baz comun

(BC); b) emitor comun (EC); c) colector comun (CC)

uBC

c

iB

uEC

+

EB

+

EC iC

iE

uBE

b

iB

uCE+ +

EB EC iE

iC

iC iE

iB

uCB+

+

EE EC

2. SEMICONDUCTOARE

47

Caracteristicile statice ale unui tranzistor exprim legturile dintre curenii prin tranzistor i tensiunile aplicate, n regim staionar. Dependenele se pot exprima analitic, ns cel mai frecvent se dau sub form grafic. Principalele caracteristici ale tranzistoarelor sunt: - familia caracteristicilor de ieire, care d dependena curentului din circuitul

de ieire n funcie de tensiunea la bornele de ieire i curentul din circuitul de intrare (ca parametru): iE = f(uE, ii);

- familia caracteristicilor de intrare reprezint dependena curentului din circuitul de intrare ca funcie de tensiunea de intrare i tensiunea de la bornele de ieire (ca parametru): ii = f'(ui, uE).

Evident, caracteristicile tranzistorului depind de schema de conectare. Pentru conexiunea baz comun (BC), cele dou caracteristici reprezint dependenele: iC = f1 (uCB ,iB) iE = f2 (uEB ,uCB) Un exemplu de caracteristici n conexiune BC este dat n fig. 2.24.

Fig. 2.24 Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar n conexiune BC. a) caracteristici de ieire; b) caracteristici de intrare

b

uCB npn-uCB pnp

1

2

3

4

5

iE = 1mA[V]

iE = 2mA

iE = 3mA

iE = 4mA

iE = 5mA

iC[mA]

regi

unea

de

satu

raie

regiunea de blocare a

5 10

8V npn -8V pnp

2V npn -2V pnp

iE[mA]

5 uCB=

0,4 uEB npn -uEB pnp

uCB=

0,2

n planul caracteristicilor de ieire se pot distinge urmtoarele regiuni: - regiunea activ direct (normal), n care jonciunea emitorului este polarizat

n sens direct, iar jonciunea colectorului este polarizat n sens invers, expresia curentului de colector fiind dat de relaia:


48

iC = N iE + ICB0 (pentru iE > 0) - regiunea de blocare (de tiere), n care jonciunea emitorului fie nu este

polarizat (deci iC = ICB0), fie este polarizat invers, - regiunea de saturaie, n care ambele jonciuni sunt polarizate n sens direct, - regiunea activ invers, n care emitorul i colectorul i inverseaz rolurile;

jonciunea colectorului are polarizare direct, iar cea a emitorului are polarizare invers. Analog cu relaia pentru regiunea activ normal, putem scrie:

iE = I (- iC )+ IEB0 n aceast relaie, sensurile de referin ale curenilor s-au considerat cele de la regiunea activ normal, iar I i IEB0 au semnificaii similare mrimilor N i ICB0. n amplificatoarele obinuite, tranzistorul funcioneaz cel mai frecvent n regiunea activ direct (normal) a caracteristicilor statice. Aici caracteristicile sunt practic drepte echidistante, avnd o nclinare foarte mic fa de orizontal, nclinare datorat creterii factorului N cu tensiunea de alimentare uCB . Efectul se datoreaz ngustrii zonei neutre, ca urmare a lrgirii regiunii de sarcin spaial a jonciunii colectorului la creterea tensiunii inverse uCB . Intr-o serie de circuite electronice, cum sunt cele de comutaie static, tranzistorul funcioneaz n regiunile de blocare, de saturaie i chiar cu alimentarea inversat. Pentru reprezentarea complet a caracteristicilor tranzistorului bipolar, se dau uneori, ntr-o diagram cu patru cadrane, patru familii de caracteristici. Pe lng cele dou familii deja prezentate (cele de ieire i cele de intrare) se mai dau i dou familii pentru caracteristici de transfer: iC = f3 (iB , uCB ) uEB = f4 (uCB ,iB) In circuitele electronice, cea mai utilizat schem de conexiune a tranzistorului bipolar este EC. In aceast conexiune, familiile caracteristicilor de ieire i de intrare reprezint dependenele: iC = f (uCE ,iB)

2. SEMICONDUCTOARE

49

iB = g (uBE , uCE) Familia caracteristicilor de ieire este reprezentat n fig. 2.25. Pentru a stabili dependena curentului de ieire iC n funcie de curentul de intrare iB , folosim relaiile:

uCE npn -uCE pnp

iB = 100A

iB = 60A

iB = 40A

iB = 20A

8

6

4

2 iB = 0

iC[mA]

10

10 205 15

iB = 80A iC =N iE + ICB0 iB =(1 - N ) iE - ICB0 Din cea de-a doua relaie extragem iE i nlocuim n prima relaie:

[V]

N

CBBE

Iii

+=1

0 Fig. 2.25 Caracteristicile de ieire ale unui tranzistor n conexiune EC

( ) ( )N

CBNNB

N

NCBCBB

N

NC

IiIIii

++=++= 1

111

000

Rezult:

N

CBCECEBN

N

CBB

N

NC

IIIi

Iii

=+=+= 1;11

000

0

n care N

NN

= 1 se numete factor de amplificare static n curent al tranzistorului, n conexiunea EC. Cum N este foarte apropiat ca valoare de 1 (N = 0,98, , 0,998), factorul N este relativ mare, ntre 30 i 1000. Aa cum s-a menionat anterior, creterea tensiunii aplicate invers n circuitul colectorului produce o uoar cretere a factorului N .Aceasta provoac ns o modificare mult mai pronunat a lui N . Drept consecin, caracteristicile de ieire au n regiunea activ o nclinare relativ mare, fa de cazul conexiunii BC.


50

Regiunea de saturaie a caracteristicii de ieire este situat n cadranul I. In aceast regiune, caracteristicile de ieire ale tranzistorului sunt foarte apropiate. Pentru scri obinuite, regiunea de saturaie se reduce practic la o dreapt, cu nclinaie apropiat de 90, numit dreapt de saturaie. Regiunea de blocare (tiere), corespunde situaiilor de polarizare invers a jonciunii emitor - baz. Riguros, regimul de tiere se obine pentru iB = - ICB0. Dac se consider situaia n care emitorul i colectorul i inverseaz rolurile, caracteristicile se extind n cadranul III (tranzistor inversat). Apare regiunea activ invers. Familia caracteristicilor de intrare este prezentat n fig. 2.26.

i pentru conexiunea EC se poate da o reprezentare n patru cadrane prin introducerea a dou familii de caracteristici de transfer: iC = f' (iB , uCE) uEB = f'' (uCE , iB) Caracteristicile tranzistoarelor bipolare se pot exprima i sub form analitic. Se consider un tranzistor n conexiune BC. Folosind ecuaia diodei ideale, se pot deduce ecuaiile curenilor iC i iE , pentru oricare regim de funcionare.

uBE npn-uBE pnp

80

60

40

20 [V]

0,2 0,1 0,3

uCE =

1V npn-1V pnp

5V npn-5V pnp

uCE = iB

[A]

Fig. 2.26 Caracteristici de intrare ale tranzistorului n conexiune EC

Notnd ICS i IES curenii de saturaie ai jonciunilor de colector respectiv de emitor, curenii iC i iE pot fi considerai ca rezultnd din nsumarea a cte doi cureni, corespunztori celor dou jonciuni. Astfel, prin jonciunea colectorului circul componentele:

1expkTue

I CBCS corespunztoare tensiunii uCB i

1expkTue

I EBESN dat de jonciunea emitorului ca urmare a efectului de tranzistor.

2. SEMICONDUCTOARE

51

n mod similar, prin jonciunea emitorului circul:

1expkTue

I EBES , datorit tensiunii uEB aplicat i

1expkTue

I CBCSI , datorit efectului de tranzistor n regiunea activ invers. Rezult expresiile:

+

= 1exp1expkTue

IkTue

Ii BEESNCB

CSC

= 1exp1expkTue

IkTue

Ii CBCSIEB

ESE

Cele dou ecuaii formeaz modelul Ebers - Moll al tranzistorului bipolar.

2.5.4 Influena temperaturii asupra caracteristicilor statice ale

tranzistorului Concentraiile purttorilor minoritari din cele trei regiuni ale tranzistorului bipolar depind exponenial (T 3/2) de temperatura cristalului. Aceast particularitate determin o influen important a temperaturilor jonciunilor asupra caracteristicilor statice ale tranzistorului. Dintre efectele cele mai importante menionm: - creterea curentului de colector iC cu temperatura, avnd ca efect deplasarea

spre n sus a curbelor din familia caracteristicilor de ieire (fig. 2.27). O influen deosebit o are creterea substanial cu temperatura a curentului de purttori minoritari ICB0 . La tranzistoarele cu Si, curentul rezidual este extrem de mic, de ordinul nA, astfel c ponderea sa, chiar la temperaturi ridicate, este mai mic dect la tranzistoarele cu Ge.


52

- micorarea tensiunii emitor - baz (pentru iE = ct sau iB = ct), avnd ca efect modificarea caracteristicilor de intrare, att n schema BC, ct i n EC (fig. 2.28 a, b).

- creterea coeficientului static de amplificare N i implicit a coeficientului N la majoritatea tranzistoarelor.

2.5.4 Stabilirea punctului static de funcionare al tranzistorului

Pentru funcionarea corect a tranzistorului bipolar ntr-un etaj de amplificare, aa cum s-a vzut la nceputul capitolului (cnd s-a discutat despre tranzistor ca element comandat prin semnal, fig. 2.19 c), tranzistorul trebuie s fie alimentat n serie cu rezistena de sarcin, astfel nct s fie asigurat funcionarea n regiunea activ a caracteristicilor de ieire. Considerm conexiunea EC, care este de fapt i cel mai des folosit n circuitele electronice. Asigurarea unui punct static de funcionare n regiunea activ normal a caracteristicilor, caracterizat de curentul de baz iB0 , curentul de colector iC0 i tensiunea colector - emitor uCE0 , necesit polarizarea n sens de conducie a jonciunii emitoare i a jonciunii colectorului n sens de blocare. Aceasta se poate realiza cu ajutorul a dou surse EC i EB (fig. 2.29). Rezistena RB din circuitul bazei se alege astfel ca pentru o rezisten de sarcin RS RC i o tensiune de

a

iE T1

uEB

T1>T2

T2

Fig. 2.28 Modificarea caracteristicilor de intrare cu temperatura

a) n conexiunea BC; b) n conexiunea EC

b

iB T1

uBE

T1>T2

T2 iB = 200A

iB = 150A

iB = 100A

iB = 50A

8

6

4

2 [V]

iC[mA]

10 20 uCE5 15

40C

20C

Fig. 2.27 Modificarea cu temperatura afamiliei caracteristicilor de ieire la un

tranzistor (conexiune EC)

2. SEMICONDUCTOARE

53

colector EC date, s se impun un punct de funcionare convenabil, n regiunea activ admisibil a caracteristicii statice. Schemele din fig. 2.29 au dezavantajul c necesit dou surse de alimentare care s asigure funcionarea montajului, de aceea se folosete rar. Pentru realizarea etajului de amplificare, se poate utiliza i o singur surs de alimentare, prin care se stabilete att polarizarea jonciunii colectorului, ct i polarizarea jonciunii emitorului. Cea mai simpl situaie const n alimentarea bazei de la sursa de colector EC , printr-o rezisten RB care asigur valoarea iB0 a curentului de baz (fig. 2.30).

a

iB

+EB

+

EC

iC RC

+

b

iB

EB

+

EC

iC RC

RB RB

Fig. 2.29 Alimentarea unui tranzistor ntr-un etaj, folosind dou surse de alimentare.

a) tranzistor pnp; b) tranzistor npn

Presupunem c sunt date caracteristicile de ieire ale tranzistorului (ca n fig. 2.31) iC = f (uCE ,iB) precum i mrimile EC, RB i rezistena de sarcin (de colector). Se pune problema determinrii punctului static de funcionare, definit prin mrimile iB0 , iC0 i uCE0. n acest scop, se scrie legea a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul de colector i pe circuitul de alimentare a bazei.

iB

+

EC

iC RCRB

uCEuBE

iB

+

EC

iC RCRB

uCEuBE

a b

Fig. 2.30 Alimentarea unui tranzistor ntr-un etaj, folosind o singur surs de alimentare.

a) tranzistor pnp; b) tranzistor npn

EC = RC iC + uCE EC = RB iB + uBE Deoarece uBE

SURSE

54

I CIRCUITE DE ALIMENTARE

uCE [V]

iB = 150AiB = 100A

iB = 50A

8

6

4

2

iC[mA]

10 20 5 15

10

iB = 200A

iB = 0

25

iB = 350A

iB = 250A

iB = 300A

iB = 400A

uCE0

iC0M

M

tg = RC

Fig. 2.31 Stabilirea punctului static de funcionare pentru tranzistorul alimentat de la o singur surs

EC RB iB Pentru deducerea punctului static de funcionare n schema din fig. 2.30, se rezolv grafic sistemul: iC = f (uCE ,iB) EC = RC iC + uCE EC RB iB Din ultima ecuaie a sistemului rezult imediat: iB0 EC / RB In planul caracteristicilor de ieire se face reprezentarea grafic a dreptei statice de sarcin (ecuaia EC = RC iC + uCE). Intersecia dreptei statice de sarcin cu caracteristica corespunztoare curentului iB0, determin punctul static de funcionare M, de coordonate uCE0 , iC0 .

2. SEMICONDUCTOARE

55

De asemenea, dac se d tensiunea EC i punctul static de funcionare, se pot calcula rezistenele RC i RB care s asigure punctul static de funcionare dat. S-a artat c variaia temperaturii produce modificarea caracteristicilor statice ale tranzistoarelor. Considernd modificarea temperaturii la o valoare mai ridicat, punctul static de funcionare se modific din M n M' (fig. 2.31). Curentul de colector crete, iar uCE scade. O cerin important impus circuitului de polarizare a tranzistorului, care nu este ndeplinit de schemele din fig. 2.30, este asigurarea stabilitii punctului static de funcionare la variaia temperaturii. innd seama de influena temperaturii asupra curentului rezidual ICB0, tensiunii uEB (corespunztoare unui curent iE = const.) i asupra factorului N , precum i de efectul acestor mrimi asupra curentului de colector exprimat de relaia: iC = iC (ICB0 , UEB , N), se obine variaia total a curentului de colector, prin diferenierea relaiei i trecerea la diferene finite:

NN

CEB

EB

CCB

CB

CC

iU

Ui

IIi

i +

+= 0

0

sau: NEBUCBIC SUSISi ++= 0 , unde

0CB

CI I

iS

= ; EB

CU U

iS = ;

N

CiS =

sunt factorii de sensibilitate ai curentului de colector, n raport cu ICB0 , UEB i N. Micorarea variaiei iC , la modificarea temperaturii, se realizeaz cu ajutorul unor scheme de polarizare a tranzistorului, care asigur stabilizarea termic a punctului static de funcionare.


56

NTREBRI PROBLEME 1. Cum se comport semiconductoarele din punct de vedere al conductivitii la

temperaturi foarte joase? 2. Care este energia de activare a electronilor de valen W dintr-un

semiconductor (exprimat n eV)? 3. Cine particip la conducie ntr-un semiconductor intrinsec? 4. Ce efect are creterea temperaturii asupra numrului de electroni liberi din

materialele semiconductoare? 5. Cine asigur conducia electric n semiconductoarele intrinseci? 6. Ce relaie este ntre masa electronului de conducie mn i masa electronului

me? 7. Care este sarcina electronului de conducie, fa de sarcina electric elementar

e? 8. Ce relaie respect, pentru un semiconductor pur, la echilibru termic la o

temperatur dat, concentraiile de electroni n0 i de goluri p0? 9. Ce valen au impuritile folosite pentru a realiza un semiconductor extrinsec

de tip n? 10. Ce valen au impuritile folosite pentru a realiza un semiconductor extrinsec

de tip p? 11. Ce valoare poate avea din punct de vedere al energiei un electron liber dintr-un

material semiconductor? 12. Ce valoare poate avea din punct de vedere al energiei un gol dintr-un material

semiconductor?

2. SEMICONDUCTOARE

57

13. Cum depinde de temperatura absolut T concentraia de electroni i de goluri generai prin mecanism intrinsec ntr-un semiconductor la echilibru termic?

14. Unde este plasat nivelul energetic donor introdus ntr-un semiconductor

extrinsec de tip n de impuritile donoare? 15. Unde este plasat nivelul energetic acceptor introdus ntr-un semiconductor

extrinsec de tip p de impuritile acceptoare? 16. Ce se constat din punctul de vedere al concentraiei purttorilor majoritari n

vecintatea suprafeei de separaie a unei jonciuni p n ? 17. Ce efect are cmpul intern al regiunii de trecere creat de sarcina spaial a unei

jonciuni p-n asupra difuziei purttorilor majoritari? 18. Cine formeaz sarcina spaial a unei jonciuni p n ? 19. n ce relaie se afl, la regimul de echilibru termic al unei jonciuni p-n

nepolarizate, curentul de difuzie id i curentul de conducie ic ? 20. n ce relaie se afl, pentru o jonciune p-n polarizat n sens direct, curentul de

difuzie id i curentul de conducie ic? 21. n ce relaie se afl, pentru o jonciune p-n polarizat n sens invers, curentul de

difuzie id i curentul de conducie ic? 22. Cum variaz la o jonciune p-n, la aplicarea unei tensiuni inverse, limea

regiunii de trecere n funcie de concentraiile de impuriti din zonele respective?

23. Cum se comport, din punct de vedere al conduciei electrice, regiunea de

trecere a jonciunii p n? 24. Ce efect are asupra lrgimii regiunii de trecere a unei jonciuni p n tensiunea

invers aplicat jonciunii? 25. Ce reprezint caracteristica static a diodei semiconductoare?


58

26. Ce se constat la aplicarea pe dioda semiconductoare a unor tensiuni inverse mari?

27. Cum depinde din punct de vedere al legii matematice, n expresia caracteristicii

teoretice a unei diode semiconductoare, curentul de tensiunea aplicat jonciunii?

28. Ce efect are creterea temperaturii jonciunii unei diode semiconductoare

asupra valorii curentului prin diod? 29. Cum se definete riguros rezistena intern a unei diode semiconductoare

funcionnd n punctul static M(Ua0 , Ia0), cu variaii de semnal mic ua , ia ? 30. Cine determin apariia capacitii de barier Cb a unei jonciuni p-n? 31. Ce efect are asupra capacitii de barier creterea tensiunii aplicate pe

jonciunea p-n? 32. Ce se ntmpl cu valoarea rezistenei interne a diodei la o valoare mai mare a

curentului de punct static al diodei semiconductoare? 33. Unde se plaseaz n mod normal punctul de funcionare la o diod Zener? 34. Ce regiune a tranzistorului bipolar este caracterizat de cel mai nalt nivel de

dopare cu impuriti? 35. Ce regiune a tranzistorului bipolar este caracterizat de cel mai redus nivel de

dopare cu impuriti? 36. Care este cea mai ngust regiune ntr-un tranzistor bipolar? 37. Cine asigur conducia ntr-un tranzistor bipolar? 38. Cum se definete pentru un tranzistor pnp, factorul de amplificare n curent N? 39. Cine asigur, n cea mai mare parte, pentru un tranzistor pnp curentul de

difuzie prin jonciunea emitorului?

2. SEMICONDUCTOARE

40. Ce se ntmpl cu golurile n baza unui tranzistor pnp? 41. Cine determin, pentru un tranzistor pnp, transferul aproape integral al

golurilor din regiunea de emitor n cea de colector? 42. Care este, pentru un tranzistor bipolar n conexiune normal, valoarea tipic a

factorului static de amplificare n curent N ? 43. n ce relaie se afl, pentru un tranzistor bipolar n conexiune normal, curentul

de colector i curentul de emitor? 44. Cum sunt polarizate jonciunile tranzistorului bipolar funcionnd n regiunea

activ direct (normal)? 45. Cum sunt polarizate jonciunile tranzistorului bipolar funcionnd n regiunea

activ invers? 46. Cum sunt polarizate jonciunile tranzistorului bipolar funcionnd n regiunea

de blocare? 47. Cum sunt polarizate jonciunile tranzistorului bipolar funcionnd n regiunea

de saturaie? 48. Care este valoarea tipic a factorului de amplificare static n curent al

tranzistorului n conexiunea emitor comun N ? 49. Cum variaz, conform caracteristicilor de intrare ale tranzistorului n

conexiunea emitor comun, pentru aceeai valoare a tensiunii uBE, iB n funcie de uCE?

50. Ce efect are creterea temperaturii asupra curbelor din familia caracteristicilor

de ieire pentru un tranzistor bipolar funcionnd n conexiunea emitor comun?

59

51. Ce efect are creterea temperaturii asupra tensiunii emitor-baz pentru un tranzistor bipolar funcionnd n conexiunea emitor comun?

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /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 () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown

/Description >>> setdistillerparams> setpagedevice

conductori, izolatori

Documents

Transcript of conductori, izolatori