Regimul de comutaie al elementelor semiconductoareDiodaTranzistorul BipolarTranzistorul MOS Unipolar

Semiconductoare: materiale solide sau lichide cu o conductivitate electric intermediar ntre materialele conductoare i cele izolatoareconductoare (metale): rezistivitatea variaz ntre 10-6 si 10-4 ohmcmrezistivitatea izolatorilor (diamant, cuar) este intre 1010 si 1020 ohmcmMaterialele semiconductoare (siliciul i germaniul): rezistiviti intermediare (sute sau mii ohmcm); se gsesc pe coloana a IV-a a tabelei Mendeleev, avnd patru electroni de valen.Modificarea comportrii materialelor semiconductoare se face prin adugare de impuriti, prin procesul de dopareTipuri de materialele semiconductoare:tip n, unde electronii sunt in exces; obinute prin adugarea de impuriti precum fosforul, arseniul, elemente care se gsesc pe coloana a V-atip p, unde purttorii de sarcin n exces sunt cei pozitivi (goluri); obinute prin adugarea de impuriti precum borul sau aluminiul, aflate pe coloana a III-a i avnd trei electroni de valen Materiale semiconductoare

Dioda semiconductoare n regim de comutaie Jonciunea pn la echilibru termic Echilibru termic: nu se va produce nici un curent electric prin semiconductorDeplasare ordonata a purttorilor de sarcin: aplicarea unui cmp electric exterior, neuniformizarea distribuiei de purttori de sarcin (proces de difuzie)In regiunea de tip p concentraia de goluri depete concentraia de electroni, n regiunea de tip n concentraia de electroni depete concentraia de goluri; n apropierea planului jonciunii golurile tind s difuzeze din regiunea de tip p n regiunea de tip n, n timp ce electronii tind s difuzeze n sens invers; n imediata vecintate a jonciunii din regiunea de tip p are loc o ncrcare cu sarcin negativ, iar n imediata vecintate a jonciunii din regiunea de tip n se acumuleaz sarcin pozitiv; existena acestor sarcini determin un cmp electric de difuzie (Ed) asociat unei diferene de potenial, numit potenial de difuzie sau barier de potenial lng planul jonciunii care se opune tendinei de difuzie Difuzia de purttori este un proces cu autolimitare

O tensiune ce mrete nlimea barierei de potenial este numit tensiune de polaritate inversO tensiune extern de polaritate opus numete tensiune direct

Consideram o tensiune U aplicata la bornele A (anod) i C (catod) ale diodei semiconductoare: U = Vp - Vn

Vp > Vn curent electric este mare i este datorat purttorilor majoritari; jonciunea este polarizat direct Vp < Vn curent electric este neglijabil i este datorat purttorilor minoritari; jonciunea este polarizat inversCaracteristica curent-tensiuneSimbolul diodei

Parametrii statici de comutare ai diodei semiconductoarePentru o jonciune pn ideal, relaia curent-tensiune este: I0 este curentul de saturaie invers al diodei unde:e: sarcina electric a electronilor (e=1,610-19C)S: seciunea transversal prin jonciune cdg: coeficientul de difuzie pentru goluri pm0: concentraia purttorilor minoritari w: grosimea zonei de recombinri cr - coeficientul de recombinare a golurilor (are valarea 1 pentru Ge, valoarea 2 pentru Si)UT este tensiunea termica: Where: K este constanta lui Boltzmann (K= 1,3810-23J/K)T este temperatura absoluta

Rezisten n curent continuu a diodei, valoare care depinde de punctul de funcionareRezisten n curent alternativ, numit rezisten dinamic sau diferenialCapacitatea barierei Cb, depinde n mod neliniar de tensiunea de polarizareCapacitatea de difuzie Cd, se datoreaz sarcinilor stocate prin difuzia purttorilor minoritari. Ea depinde de tensiunea de polarizare direct

UT tensiunea de prag, Rd rezistena difereniala, ID0 curentul rezidual dau aproximarea liniara a caracteristicii volt-amper a diodeiValori tipice:I0 = 0,05AUT = 0,5V Rd = 15ohm doua dreptei=0, uUT

Parametrii dinamici de comutare ai diodelor semiconductoare Timpul de comutare directTimpul necesar pentru ca dioda sa treac din starea blocat la starea conductoare la diodele de comutare acest timp este n general Mai mic decat timpul de comutare invers

Doua cazuri:-impulsul de curent are o amplitudine mare i frontul anterior scurt; supracresterea tensiunii diodei (b)

-dac impulsul de curent are o amplitudine mic i front anterior mai puin abrupt; dioda poate fi reprezentat sub forma unui circuit RC trece-jos (d)

Timpul de comutaie invers Durata de trecere a unei diode din starea conductoare n starea blocatAnaliza comutarii se face folosind circuitul de mai josDoua componente de timp:Timp de stocare :

Timp de cdere:tc = 2,3RCb Cb este capacitatea de barier a diodeiTimpul de comutare invers: tci = tc + ts

Diode cu barier Schottky (diode cu purttori 'fierbini)Bazate pe un contact metal-semiconductorCurentul electric se realizeaz prin micarea purttorilor majoritariRealizate dintr-un material semiconductor (siliciu) de tip n, n contact cu un metal, aur sau aluminiuPolarizarea direct (pozitiv) a metalului: ia natere un curent prin jonciune, deplasarea prin jonciune a electronilor din semiconductorCurentul este realizat prin deplasarea electronilor, purttori majoritariAu o energie mai mare dect electronii liberi, numiti 'purttori fierbini' Polarizarea invers: electronii care au ptruns n metal nu se disting de electronii liberi ai metalului; nu exista curent rezidualTimpul de comutaie invers al diodei Schottky este foarte mic ( 10ps )Diodele Schottky sunt folosite pentru realizarea circuitelor de comutaie de mare vitez

Cderea de tensiune direct pe o diod Schottky este de 0,4V, spre deosebire de 0,75V pentru diodele cu siliciu i de 0,3V pentru cele cu germaniu.

Diode Zener La aplicarea unei polarizri inverse pe o jonciune pn: dac cmpul electric posed energia necesar extragerii electronilor de pe orbitele de rotaie, rezult o cretere brusc a curentuluiPerechile electron-gol nou create contribuie la generarea unui curent important, i se spune c dioda lucreaz n regiunea ZenerValoarea tensiunii de prag Zener depinde de gradul de dopare i poate avea valori de la 2V la sute de voli

Diode luminiscente LED Light Emitting DiodeLa polarizarea direct electronii din regiunea n se recombin cu golurile din regiunea p elibernd energie sub forma cldurii i a luminiiPrin adugarea de impuriti in procesul de dopare se poate determina lungimea de und a luminii emise determinand in acest fel culoarea LED-uluifosfo-arseniur de galiu (GaAsP) - lumin roie sau galbenfosfur de galiu (GaP) - lumin roie sau verdeTensiunea directa este mai mare dect cea corespunztoare diodelor cu siliciu (1,2V - 3,2V)Curentul direct trebuie s aib o valoare relativ mare (10mA)

Display cu LED-uri 7-segmente: 7 LED-uri aranjate astfel nct s poat fi afiate numerele zecimaledou tipuri:catod comun - comanda se face n anodul LED-urilor folosindu-se un semnal activ 1anod comun - comanda se face n catodul LED-urilor folosindu-se un semnal activ 0

ProblemePentru schemele din figura sa se calculeze valoarea curentului prin dioda.

DC

D1

DC5V

R11K

DC

D1

DC5V

R11K

Pentru schema din figura sa se calculeze valoarea rezistentei astfel incat prin fiecare LED intensitatea curentului sa fie 10 mA

DC

LED2

LED1

LED3

LED4

DC12V

R1

Tranzistorul bipolar n regim de comutaie Regimurile de funcionare ale tranzistorului bipolarStructura unui tranzistor bipolar

Jonciunea emitor-baz, polarizat direct Jonciunea emitor-baz, polarizat inversJonciunea colector-baz, polarizat direct Regiunea de saturaie Regiunea activ invers Jonciunea colector-baz, polarizat inversRegiunea activ normal Regiunea de blocare

Relaiile de calcul cele mai importante pentru regiunea activ normal sunt:IC = IE. este ctigul n curent al tranzistorului cu baza comunAplicnd un curent IB n baz, va rezulta un curent de colector:IC = IB (/(1-)) = IB. este ctigul n curent pentru configuratia cu emitor comun, sau amplificarea n curent (valori de la 10 la 1000)Caracteristica de iesire Caracteristica de intrare

Regiunea de blocare cand ambele jonciuni sunt polarizate invers; Starea este definita de relatiile: VBE 0 VCE - VBE > 0 Regiunea de saturaie implic ca ambele jonciuni s fie direct polarizate Relaiile pentru regimul de saturaie sunt:VBE > VCEIC < IB

VCEs 0,2V Regiunea activ invers se echivaleaz cu o funcionare in regiunea activa normala, n care rolurile emitorului i colectorului se inverseazUtilizare mai rara deoarece amplificarea n curent are valori foarte mici (i 0,1)

Punctele de funcionare ale tranzistorului n regim de comutarePunctul S marcheaz saturarea i punctul B blocareaParametri dinamici ai comutarii directe si inverse

Parametri dinamici de comutaie ai tranzistorului bipolar Timpul de comutare direct tcd este definit ca timpul necesar comutrii unui tranzistor din starea blocat n starea de conducie (incluzand starea de saturaie)Doua componente: ti, - timpul de ntrziere tr, - timpul de ridicare Timpul de ntrziere ti este format deci din trei componente:- timpul necesar pentru ncrcarea capacitii jonciunii baz-emitor de la valoarea iniial (U2), la valoarea corespunztoare nceperii polarizrii directe- timpul necesar ca purttorii minoritari s traverseze baza- timpul necesar ca valoarea curentului de colector s creasc de la IC0 (sau de la 0), la 0,1ICsValorile acestor timpi, componente ale timpului de ntrziere, sunt mici, neglijabile, important fiind timpul de ridicare

Timpul de ridicare, notat tr se definete prin intervalul de timp pentru care curentul din colector crete de la valoarea 0,1ICs la valoarea 0,9ICs

Timpului este determinat de valoarea curentului direct prin jonciunea bazei IBd, si de obicei acesta este curentul de baza direct pentru atingerea punctului S (inceputul saturatiei)Pentru deblocarea mai rapida: factor de supra-actionare

Timpul de comutare invers Comutarea tranzistorului din starea de conducie (regiunea activ normal/saturaie), n starea de blocare Timp numit tci are dou componente:timpul de stocare tstimpul de cdere tc Timpul de stocare ts are dou componente:ts1 reprezinta timpul necesar eliminrii excesului de sarcini din baz, fa de situaia funcionrii tranzistorului n regiunea activts2 reprezinta timpul n care curentul de colector scade de la valoarea ICs la valoarea 0,9ICsIBi estecurentul invers de baz tc, timpul de cdere (necesar scderii valorii curentului de colector de la valoarea 0,9ICs la valoarea 0,1ICs)Nb reprezint coeficientul de supra-acionare la blocare

Metode de accelerare Se specific urmtoarele metode de micorare a timpilor de comutare pentru un tranzistor:- supra-acionarea la deblocare, pentru micorarea timpului de comutare direct- supra-acionarea la blocare, pentru reducerea timpului de comutare invers - evitarea intrrii n saturaie pentru anularea timpului de stocare

Condensatoare de accelerare Constanta de timp pentru incarcarea condensatorului este:inc = C (Rg + Rin) curentul de baz scade exponenial,cu aceeai constant de timp ctre o valoare constantcare nu permite intrarea n saturaie IBd=U1/(Rg+RB+Rin) Aplicarea unui impuls de tensiune la intrarea circuituluiU1 nivel ridicat, U2 nivel coboratPentru o comutare tensiune pozitiva:Pentru o comutare tensiune negativa:Curentul de baz scade la IBi a carui valoare este determinat de U2 i Rin - rezistena de intrare mare a tranzistorului blocat. Apoi, odat cu blocarea tranzistorului i prin descrcarea condensatorului, curentul invers scade exponenial ctre o valoare constant: IBi = IC0 Constanta de timp de descrcare a condensatorului are acum valoarea: disc CRB

Folosirea reaciei negative neliniare de tensiune pentru evitarea saturaieiEvitarea saturarii tranzistorului T prin folosirea diodelor D1 si D2Diodele au cderi de tensiune diferite

Folosirea unui circuit DarlingtonT2 tranzistor de comand i T1 tranzistor de ieire T1 nu intr n saturare deoarece potenialul din colectorul su este ntotdeauna mai mare dect potenialul din baza sa: UC1=UCE2+UB1Deci VC1>VB1, i jonciunea baz-colector devine polarizat invers

Tranzistorul cu efect de cmp Clasificare-tranzistoare cu poart jonciune-tranzistoare cu poart izolat-tranzistoare cu substraturi subiri.Studiul IGFET (insulated-gate field-effect transistor) (numit si MOSFET (metal-oxide FET)) sau tranzistor cu poarta izolataGrupate dup tehnologia de realizare in:Grouped by the manufacturing technology in:- tranzistoare MOS cu canal indus (n regim de mbogire ) - tranzistoare MOS cu canal iniial (cu strat srcit) Este prezentata structura fizica a unui tranzistor MOSSectiune transversala a unui tranzistor MOS cu canal indus n, numit si NMOS

Componente:-substrat-sursa-drena-grila (poarta)

NMOS PMOS CMOSSimbolurile tranzistoarelor MOS

Funcionarea tranzistorului MOS ntre surs i dren, prin intermediul substratului de baz, se pot pune n eviden dou jonciuni pn Dac ntre dren i surs se aplic o tensiune pozitiv, una din jonciuni este polarizat invers; nu exista curent ntre dren i surs; tranzistorul este blocat Dac la poarta (gril) se aplic un potenial pozitiv fa de regiunile sursei i drenei, sarcinile electrice de tip p din substratul de baz vor fi respinse, iar electronii din regiunile drenei i sursei vor fi atrai ctre suprafaa substratului de siliciu aflat sub poart Intre dren i surs se formeaz un canal, a crui adncime crete odat cu tensiunea aplicat n poart Pentru o valoare a tensiunii gril-surs, numit tensiune de prag i notat VT, concentraia de electroni din zona canalului va depi concentraia de goluri i atunci aceast regiune i va inversa tipul, devenind regiune de tip n Astfel s-a format un canal de tip n care unete regiunile de tip n ale drenei i sursei Conductibilitatea ntre dren i surs crete, crescnd curentul de dren IDS

Avantaje ale folosirii tranzistoarelor MOS:fabricate mai usor decat tranzistoarele bipolaredensitate de intagrare mai mareimpedanta de intrare mare (1014-1016), curent de comanda micfolosirea in structura MOS a unei rezistente active

Prezinta unele dezavantaje datorita precautiilor la depozitare si transportMetode de implementare a rezistentei active

Caracteristica de intrare Caracteristica de iesireDin caracteristica de iesire, pot fi deduse si analizate trei regiuni: Regiunea de blocare: curentul de iesire, curentul drena-sursa IDS este aproximativ nul si tensiunea de intrare, VGS, este mai mica decat tensiunea de prag: VGS < VTRegiunea liniara (de trioda): regiunea situata la stanga caracteristicii de curent, cand VDS = VGS - VT; curentul de drena IDS cresterapid ca o functie de potential drena-sursa VDS Deasemenea: 0

Regiunea de saturare: regiunea situata la dreapta caracteristicii de curent, cand VGS-VT=VDSUrmatoarele relatii definesc aceasta stare: 0

Parametrii dinamici pentru tranzistorul MOSSchema unui inversor MOS Timpii de comutare

Se presupune c un tranzistor MOS trebuie s comande n gril unul sau mai multe tranzistoare MOS. El trebuie s asigure ncrcarea, respectiv descrcarea capacitilor de intrare ale tranzistoarelor comandate. Se noteaza cu Cp suma capacitilor de intrare ale tranzistoarelor comandate. Se pot asocia timpii de comutare ai tranzistorului MOS timpilor de ncrcare/descrcare ale capacitii Cp. Relaiile pentru constantele de timp ale circuitelor RC sunt:inc = RsCpdesc = RTCpunde, RT este rezistena de trecere a tranzistorului conductor, iar Rs rezistena de sarcin.Se alege, pentru ca tensiunea de ieire pentru nivelul cobort s fie ct mai aproape de potenialul de mas, Rs >> RT.n aceste condiii timpii de ridicare i coborre ai tranzistorului MOS se dau dup formula: tr = 2,2RsCptc = 2,2RTCp

Probleme1.Sa se proiecteze un circuit inversor realizat cu tranzistor bipolar i componente pasiveEtape:proiectarea n regim static, studiind realizarea funciilor propuseproiectarea n regim static, cu analiza cazului cel mai defavorabil de funcionareanaliza funcionrii circuitului n regim dinamic, cu estimarea parametrilor dinamici

Proiectarea n regim static Dac Ui=0V=0, la ieire trebuie s se obin UeEC=1, sau tranzistorul T s fie blocatDac UiEC=1, la ieire trebuie s se obin Ue0V=0, fapt care impune ca tranzistorul T s fie saturatStarea de blocare:UBEb0V i IB=IC0 IR+IC0=IRB deoarece UBEb0V

Starea de blocare:IR-IRB=IB IBIBs=IC/N0 Relaiile obinute pentru R i RB trebuiesc ndeplinite i pentru IC0=IC0max i N0=N0min Rezistena RC se calculeaza cu formula:ICso - curentul de colector de saturaie 'optim', pentru care are valoarea maxim

Studierea cazului cel mai defavorabil Se impune datorit multiplelor posibiliti de modificare a valorilor ce caracterizeaz elementele unui circuitElementele circuitului nu au valorile calculate, ideale, iar o nsumare nefericit a anumitor abateri poate duce la schimbarea regimului de funcionare a circuituluiObiective:analiza influenei pe care o are modificarea valorilor elementelor din schem asupra condiiilor de funcionaredeterminarea combinaiei cele mai defavorabile pentru un anumit cazPentru RB, n cazul blocrii tranzistorului:tranzistorul funcioneaz la temperatura maxim admis, ceea ce face ca valoarea ICB la blocare s fie maxim, ICBmax EB este la valoarea minim (90% din normal)tolerana RB este la limita superioar din cmpul de tolerane

Pentru R in cazul saturarii tranzistorului:IC are valoare maxim, dat de o valoare maxim admis pentru EC i o valoare minim pentru RC (n cmpul de tolerane admis)factorii iau valori extreme N0minalimentarea bazei se face de la EBmin Studiul influenei sarcinii asupra comportrii circuituluiPortile comandate de catre inversor sunt echivalate prin Rs conectat la EsCnd T este blocat, UCEb depinde de Rs UCEb intervine n calculul rezistenei RInfluena sarcinii trebuie s fie estompatConectarea unei diode D, avnd catodul conectat la o tensiune de limitare ELVCb EL+VD

Comportarea n regim dinamic Trebuiesc avui n vedere parametri dinamici de funcionare ai tranzistorului, respectiv timpii de comutare reprezentai funcie de curenii de baz: pentru deblocare tr=f(IBd)pentru blocare: tc=f(IBi) i ts=f(IBi)

Tensiunea la intrarea inversorului variaz de la 0V la ECDeblocarea tranzistorului se face n t egal cu trBlocarea tranzistorului se face n t egal cu tc+ts Cazul deblocarii:IBd0 curentul de baz direct de supra-acionare la deblocare Nd factorul de supra-acionare la deblocare IBd curentul de baz direct la frontiera dintre regimul activ normal i cel de saturaie

Cazul blocarii:

2.Pentru schema din figura sa se determine IC si VCE, stiind ca =200, V1=+12V si V2=5V.Ce se intampla daca V2=0V?Ce se intampla daca V2=12V?Daca V2=0V tranzistorul este blocat

Daca V2=12V trebuie sa determinam daca tranzistorul se afla in regiunea activa normala sau in saturatiePresupunem ca tranzistorul se afla in regiunea activa normalaPrin urmare tranzistorul este saturat

3.Pentru schema din figura sa se determine ID si VDS, stiind ca VT=4V si K=400A/V2.

*Semiconductor Materials

***Reverse biasing applied on a pn junction, if the existing electric field possesses the necessary energy to extract the electrons from their covalent rotating orbits, there will be a sudden increase of current The electron-hole pairs newly created contribute to the generation of an important current, and it is said that the diodes work in the Zener region ***New value******