Dispozitive Semiconduc
7
• DISPOZITIVE SEMICONDUC-TOARE MULTIJONCŢIUNE. TRANZISTORUL UNIJONCŢIUNE • 1. Dioda pnpn 1.1. Structură. Simbol Dioda pnpn este o structură de siliciu monocristalin cu patru zone dopate alternativ cu impurităţi acceptoare şi donoare. Modelul structural unidimensional al acestui dispozitiv este prezentat în figura 1, a, iar în figura 1, b este prezentat simbolul acestuia. • Zonele extreme, mai puternic dopate, se numesc emitoare, iar zonele interioare, mai slab dopate, se numesc baze. Emitorul p 1 + se numeşte anod, iar emitorul n 4 + se numeşte catod. Joncţiunile se află la distanţe mici între ele, astfel ca regiunile A–J 3 şi J 1 – C să poată îndeplini funcţia de tranzistor. Alte denumiri utilizate pentru dioda pnpn sunt: dinistor, diodă Shocley, diodă cu patru straturi. 1.2. Caracteristica statică • La polarizarea inversă joncţiunile J 1 şi J 3 sunt alimentate invers, iar J 2 direct şi, ca urmare, curentul prin dispozitiv are valori mici de ordinul curentului invers printr-o joncţiune pn. La o anumită tensiune inversă V B curentul invers prin diodă creşte aproape abrupt datorită străpungerii prin multiplicare în avalanşă la joncţiunea J 1 sau J 3 . • La polarizarea directă, dioda pnpn se comportă ca elementele de comutaţie, cu două stări stabile. Una dintre aceste stări se caracterizează prin curent mic şi rezistenţă mare, iar cealaltă, prin tensiune şi rezistenţă de valori mici. Crescând tensiunea directă pe diodă, curentul are valori mici, practic curentul invers al joncţiunii centrale J 2 alimentate invers. La o anumită tensiune de aprindere (de amorsare sau de întoarcere), notată cu V B0 , dispozitivul comută în cealaltă stare, prin el trecând un curent mare la o tensiune de ordinul a 1 V. (La tensiunea V B0 la joncţiunea J 2 apare fenomenul de multiplicare în avalanşă). Regiunea OA se numeşte regiune de blocare, iar regiunea BC regiune de conducţie. Porţiunea intermediară AB, având rezistenţă dinamică negativă este instabilă. Comutarea inversă, care are loc atunci când curentul sau tensiunea scad sub valorile „de menţinere“ I H , respectiv V H , se face pe porţiunea BO (punctată în fig. 2). Parametrii şi caracteristicile statice depind puternic de temperatură. Dioda pnpn este utilizată în circuitele de comandă a porţii tiristoarelor, în circuitele de protecţie la supratensiuni, în generatoarele de impulsuri de relaxare. • La o anumită tensiune de aprindere (de amorsare sau de întoarcere), notată cu V B0 , dispozitivul comută în cealaltă stare, prin el trecând un curent mare la o tensiune de ordinul a 1 V. (La tensiunea V B0 la joncţiunea J 2 apare fenomenul de multiplicare în avalanşă). 1
description
Jonctiunea pn
Transcript of Dispozitive Semiconduc
DISPOZITIVE SEMICONDUC-TOARE MULTIJONCIUNE. TRANZISTORUL UNIJONCIUNE 1. Dioda pnpn 1.1. Structur. Simbol Dioda pnpn este o structur de siliciu monocristalin cu patru zone dopate alternativ cu impuriti acceptoare i donoare. Modelul structural unidimensional al acestui dispozitiv este prezentat n figura 1, a, iar n figura 1, b este prezentat simbolul acestuia.
Zonele extreme, mai puternic dopate, se numesc emitoare, iar zonele interioare, mai slab dopate, se numesc baze. Emitorul p1+ se numete anod, iar emitorul n4+ se numete catod. Jonciunile se afl la distane mici ntre ele, astfel ca regiunile AJ3 i J1C s poat ndeplini funcia de tranzistor. Alte denumiri utilizate pentru dioda pnpn sunt: dinistor, diod Shocley, diod cu patru straturi. 1.2. Caracteristica static La polarizarea invers jonciunile J1 i J3 sunt alimentate invers, iar J2 direct i, ca urmare, curentul prin dispozitiv are valori mici de ordinul curentului invers printr-o jonciune pn. La o anumit tensiune invers VB curentul invers prin diod crete aproape abrupt datorit strpungerii prin multiplicare n avalan la jonciunea J1 sau J3. La polarizarea direct, dioda pnpn se comport ca elementele de comutaie, cu dou stri stabile. Una dintre aceste stri se caracterizeaz prin curent mic i rezisten mare, iar cealalt, prin tensiune i rezisten de valori mici. Crescnd tensiunea direct pe diod, curentul are valori mici, practic curentul invers al jonciunii centrale J2 alimentate invers. La o anumit tensiune de aprindere (de amorsare sau de ntoarcere), notat cu VB0, dispozitivul comut n cealalt stare, prin el trecnd un curent mare la o tensiune de ordinul a 1 V. (La tensiunea VB0 la jonciunea J2 apare fenomenul de multiplicare n avalan).Regiunea OA se numete regiune de blocare, iar regiunea BC regiune de conducie. Poriunea intermediar AB, avnd rezisten dinamic negativ este instabil. Comutarea invers, care are loc atunci cnd curentul sau tensiunea scad sub valorile de meninere IH, respectiv VH, se face pe poriunea BO (punctat n fig. 2).Parametrii i caracteristicile statice depind puternic de temperatur.Dioda pnpn este utilizat n circuitele de comand a porii tiristoarelor, n circuitele de protecie la supratensiuni, n generatoarele de impulsuri de relaxare. La o anumit tensiune de aprindere (de amorsare sau de ntoarcere), notat cu VB0, dispozitivul comut n cealalt stare, prin el trecnd un curent mare la o tensiune de ordinul a 1 V. (La tensiunea VB0 la jonciunea J2 apare fenomenul de multiplicare n avalan). Amorsarea diodei pnpn prin creterea tensiunii anodice reprezint modul normal de funcionare. Exist ns i moduri parazite de amorsare cum sunt cele prin efect dv/dt, adic prin variaia brusc a tensiunii anodice, care poate avea loc la tensiuni anodice mici, sau prin creterea temperaturii.Parametrii i caracteristicile statice depind puternic de temperatur.Dioda pnpn este utilizat n circuitele de comand a porii tiristoarelor, n circuitele de protecie la supratensiuni, n generatoarele de impulsuri de relaxare. 2. Diacul 2.1. Structur. SimbolDiacul este un dispozitiv multijonciune care are proprietile diodei pnpn n ambele sensuri de conducie. Dispozitivul are cinci straturi i patru jonciuni, reprezentate schematic n figura 3., a. Simbolul este cel din figura 3, b. Diacul poate fi considerat ca fiind realizat din dou structuri pnpn aezate antiparalel n acelai monocristal de siliciu (fig. 3, c). Diacul are conducie bidirecional, cei doi electrozi ntre care se stabilete curentul principal iT, fiind notai cu T1 i T2. 2.2. Caracteristica staticFuncionarea diacului La aplicarea unei tensiuni vT > 0, structura din dreapta (fig. 3, c) este polarizat direct, amorsarea dispozitivului avnd loc la o tensiune VBD (fig. 4). Cnd polaritatea tensiunii se inverseaz, intr n conducie la tensiunea VBR (fig. 4) structura din stnga (fig. 3, c). Este de dorit ca VBD VBO, adic caracteristica s fie simetric. Datorit conduciei sale bidirecionale, diacul se folosete n circuitele de curent alternativ. Este un dispozitiv de putere mic, fiind folosit n circuitele de comand a tiristoarelor i a triacelor. 3. Tiristorul 3.1. Structur. Simbol Tiristorul este o structur pnpn la care zona p adiacent catodului se conecteaz la un electrod de comand, numit poart (notat cu G), (fig. 5, a). n figura 5, b este prezentat simbolul tiristorului.
Amorsarea tiristorului Dispozitivul poate amorsa la o tensiune vA < VBO, dac pe poart i se aplic un curent iG > 0. 2. Caracteristicile curent-tensiune ale tiristorului Curentul n regiunea de conducie BC trebuie s fie limitat exterior pentru a preveni distrugerea dispozitivului prin nclzire. Dac curentul de poart este mare, amorsarea poate avea loc la tensiuni anodice mici, iar peste o anumit valoare a curentului de poart amorsarea se poate efectua direct pe curba punctat OB, ca la o jonciune pn. n funcionare normal tensiunea anodic VA trebuie s fie mai mic dect tensiunea de autoaprindere VBO. Considerm c tensiunea anodic aplicat tiristorului la un moment dat este Vz. Pentru comutarea direct a acestuia se aplic pe poart un curent iGx, cruia i corespunde o tensiune de aprindere VBOx < Vz. n polarizare invers tiristorul se comport ca o diod pnpn, prin el trecnd un curent de valoare mic. La tensiunea invers VB are loc strpungerea tiristorului. Pentru a bloca tiristorul curentul iA trebuie s scad sub valoarea de meninere IH sau tensiunea anodic s scad sub valoarea VH. Este larg acceptat ideea c dup amorsare poarta i pierde rolul de comand (n sensul c nu poate aciona n sensul blocrii tiristorului), ea relundu-i rolul doar dup blocarea tiristorului (acest lucru este valabil la tiristorul tradiional). 3. Semnale de comand. Utilizri. Aprinderi parazite Bascularea direct i blocarea unui tiristor se pot face att cu semnale continue, ct i cu impulsuri de polaritate corespunztoare. Tiristorul poate fi alimentat cu o tensiune continu sau alternativ. La alimentarea tiristorului cu o tensiune alternativ pe anod, funcionarea lui este asemntoare cu a unei diode semiconductoare, cu deosebirea c intrarea n conducie poate fi ntrziat n raport cu nceputul alternanei pozitive. n figura 7 se arat un exemplu simplu de redresor monoalternan cu tiristor. Aprinderile parazite prin creterea temperaturii i prin efect dv/dt se ntlnesc i la tiristoare.
4. Triacul 4.1. Structur. Simbol Triacul este un dispozitiv cu cinci straturi, echivalent cu dou tiristoare, aezate antiparalel n acelai monocristal de siliciu, avnd un singur electrod de comand. n figura 8, a este prezentat structura triacului, iar n figura 8, b este prezentat simbolul acestuia. 4.2. Caracteristica curent-tensiune Caracteristica curent-tensiune pentru ambele sensuri aplicate n circuitul principal, are forma corespunztoare tiristorului polarizat n sens direct. Este ntlnit i sub denumirea de tiristor bidirecional. Caracteristica curent-tensiune este dat n figura 9. Datorit conductibilitii bidirecionale, cei doi electrozi ntre care circul curentul principal iT se noteaz cu T1 i T2. Comanda pe poart se poate face cu semnale de ambele polariti pentru fiecare dintre cele dou sensuri ale curentului principal. Triacul se folosete n circuitele de comand i reglare a puterii de curent alternativ. Cu ajutorul triacelor se construiesc contactoare statice de curent alternativ. 5. Tranzistorul unijonciune Tranzistorul unijonciune (TUJ) (dioda cu baz dubl) este un dispozitiv de comutaie de putere mic, cu structura simplificat reprezentat n figura 10, a. O bar de siliciu monocristalin de tip n se contacteaz la cele dou extremiti realiznd bazele B1 i B2. n regiunea central se difuzeaz o zon p, care formeaz emitorul E. n felul acesta se realizeaz central o jonciune pn. Simbolul i sensurile pozitive pentru cureni i tensiuni sunt artate n figura 10, b. Pentru VBB = 0 (scurtcircuit ntre B1 i B2) se obine o caracteristic de diod avnd o rezisten serie mare (fig.12). Rezistenele rB1 i rB2 sunt rezistenele distribuite ale barei de Si ntre cele dou baze i punctul O din fig. 10, a. Funcionarea TUJ se poate explica pe schema echivalent de regim static din figura 12. Punctul O din schema din figura 12, corespunde punctului interior O din figura 10, a, situat aproximativ n dreptul jonciunii de emitor. Considerm caracteristica static din figura 13. Pe caracteristica static, la polarizarea direct a emitorului n raport cu B1, se disting regiunile: de blocare (AB), de rezisten dinamic negativ (BC) i de conducie (CD), specifice dispozitivelor de comutaie. n funcionarea cu emitorul nepolarizat, dac baza B2 are o polarizare pozitiv n raport cu baza B1 (VBB > 0), prin corpul dispozitivului trece un curent mic determinat de tensiunea VBB aplicat pe rezistena interbaz rBB = rB1 + rB2.
Raportul se numete raport de divizare intrinsec. Cu ajutorul su i al lui rBB se determin rB1 = rBB i rB2 = (1 ) rBB ( 0,5), iar tensiunea dintre O i B1 are expresia: V0 = VBB. Presupunem c se aplic o tensiune VE V0, dar insuficient pentru deschiderea diodei D, curentul IE este pozitiv dar de valoare foarte mic. n cazul n care VE=V0+VD, unde VD este tensiunea de deschidere a diodei, dioda D se deschide, fiind traversat de un curent IE mare, limitat doar de rezistena circuitului exterior. Curentul de emitor injecteaz purttori de sarcin n zona cuprins ntre punctul O i baza B1, unde are loc un proces de multiplicare n avalan, o scdere apreciabil a rezistenei rB1 i a tensiunii V0 care devin rB1
