ex 1 spora

1. Dioda semiconductoare (VD) este un dispozitiv electronic constituit dintr-o joncţiune p-n, prevăzut cu 2 contacte metalice la regiunile p şi n, introdusă într-o capsulă din sticlă, metal, ceramică sau plastic. Prioritatea de bază a VD semic. este că permite circularea curentului într-o singură direcţie, de la anod spre catod. Electronul de la regiunea p se numeşte anod, iar electrodul de la regiunea n – catod. Se numeşte joncţiune p-n regiunea de trecere de la materialul semiconductor (dopat) cu conductibilitate de tip–p spre mat. semic. cu conductibilitate de tip–n, ce fac parte din acelaş monocristal.

Diagrama energetică a VD semiconductoare: În fig. alăturată sunt prezentate: a) Distribuţia concentraţiilor impurităţilor acceptoare Na şi donoare Nd. Dacă Na>Nd - joncţiunea se numeşte asimetrică. b) Distribuţia concentraţiei golurilor şi electronilor la echilibru; c) Distribuţia sarcinii spaţiale q; d) Distribuţia câmpului electric; e) Potenţialul câmpului electric.

În vecinătatea regiunii de trecere există variaţii ale concentraţiilor purtătorilor majoritari (b). Diferenţa dintre concentraţii determină apariţia procesului de difuzie şi recombinare a purtătorilor de sarcină. În consecinţă în apropierea regiunii de trecere are loc micşorarea concentraţiei golurilor şi electronilor. În urma difuziei şi recombinării, în apropierea regiunii de separaţie rămâne o sarcină a ionilor necompensată (sarcină fixă negativă în reg. p şi sarcină fixă pozitivă în reg. n), care duce la formarea sarcinii spaţiale

q (c). Porţiunea joncţiunii cu sarcină spaţială se numeşte regiune de trecere, iar zonele joncţiunii fără sarcină spaţială se numesc regiuni neutre. Sarcina spaţială duce la formarea unui câmp intern, care se opune procesului de difuzie a purtătorilor majoritari (d). Câmpul intern formează o barieră de potenţial (e), pentru depăşirea căreia este necesară o energie mai mare decât valoarea tensiunii U0. Atunci când VD nu este polarizată, în condiţii de echilibru termic, T=0K, prin VD circulă totuşi un curent de difuzie produs de purtătorii majoritari, care au suficientă energie pentru a învinge bariera de potenţial, acest curent creează un câmp intern care accelerează purtătorii majoritari, care la rândul lor formează curentul de conducţie. Curentul de difuzie este egal ca valoarea, însă opus ca sens curentului de conducţie, ca urmare curentul total prin diodă este nul.

Funcţionarea VD semiconductoare poate fi descrisă prin intermediul caracteristicii statice a diodei. Caracteristica statică a VD r-tă dependenţa dintre valoarea curentului ce circulă prin diodă şi valoarea tensiunii aplicată la bornele ei. Pe caracteristică putem evidenţia 2 regiuni de lucru: 1. La polarizare directă (pozitivă); 2. La polarizarea inversă (negativă).

Regimul de funcţionare a VD la polarizare pozitivă este caracterizat prin: a. Pentru UA<Uprag val. curentului ce va circula prin diodă (IA) va creşte treptat. Si: Uprag=(0,45÷0,6)V; Ge: Uprag=0,2V

b.Pentru UA>Uprag val. IA va creşte rapid conform relaţiei: (1) A qU KT A 0 I I (e 1) Unde: IA – curentul ce circulă prin diodă; I0 – curentul la polarizarea inversă şi este numit curent de scurgere; UA – tensiunea aplicată la bornele diodei; e – sarcina elementară a electronului, valoarea lui este 1,63 x 10-19 C; K – constanta lui Boltzmann, valoarea ei este de 1,38 x 10-23 J/K; T – temperatura semiconductorului în grade K. Tensiunea maximă aplicată la bornele diodei la care prin diodă va circula curent este aproximativ 0,7V (1V). Regimul de funcţionare a VD la polarizare negativă este caracterizat prin: Val. curentului IA va fi: ,val. acestui curent este foarte mică şi se consideră a fi nulă; A 0 I I Funcţionarea VD la variaţiile temp. semiconductorului: Valoarea curentului IA se modifică la variaţiile temperaturii semic-lui astfel: 1) Pentru UA>0, T2>T1 – val. curentului IA va creşte brusc la UVD=const.

2) Pentru UA<0, T2>T1 – val. curentului IA va creşte rapid, dacă IA>30mA va avea loc străpungerea termică diodei.

Străpungerea diodei poate fi realizată prin 3 metode: 1. Instabilitatea termică ce va duce la străpungerea termică a diodei; 2. Efectul Zener (tunel) - apariţia unui nr. mare de purtători de sarcină prin ruperea legăturilor covalente sub acţiunea câmpului electric; 3. Multiplicarea în avalanşă - apare la aplicarea unor tensiuni inverse înalte la bornele diodei Ustr, astfel purtătorii de sarcină majoritari primesc o energie suplimentară suficientă pentru a traversa reg. de trecere, după ciocnirea cu atomii reţelei cristaline se rup legături covalente, care duc la formarea purtătorilor majoritari noi, care la rândul lor provoacă apariţia altor purtători de sarcină, în consecinţă are loc majorarea val. curentului IA. La tensiunea de străpungere, multiplicarea în avalanşă practic este infinită, ducând la creşterea nelimitată a curentului.

Trasarea dreptei de sarcină: Conform teoremei II a lui Kirchhoff, suma tensiunilor de-a lungul unui ochi este nulă, astfel obţinem pentru circuitul următor relaţia: (2) VD s VD IRUE 0 Pentru a trasa dreapta de sarcină admitem că: 1. IVD=0, atunci obţinem UVD=E; 2. UVD=0, atunci obţinem IVD=E/Rs.

VD semiconductoare sunt elemente rezistive neliniare, adică valoarea rezistenţei lor nu este constantă şi depinde de valoarea curentului. Astfel diodele sunt definite prin două rezistenţe: a) Rezistenţa statică: Rst=UVD/IVD (3) b) Rezistenţa dinamică: Rdin=dUVD/dIVD≈tg α (4)

2.Diode redresoare. Principiul de funcţionare. Caracteristica curent-tensiune. Parametrii de bază şi utilizarea diodelor redresoare în circuite electronice

Dioda redresoare r-tă de fapt o joncţiune p-n, scopul utilizării ei este redresarea curentului alternativ prin proprietatea semiconductorilor de a conduce curent doar la polarizare pozitivă, la care rezistenţa lui internă este nulă. Pentru redresarea efectivă caracteristicile şi paranetrii diodei

redresoare trebuie să permită obţinerea unui curent major redresat şi o tensiune inversă cît mai mare. De obicei tensiunea inver să admisibilă constituie 75 -80% din tensiunea de străpungere. Parametrii de bază a VD redresoare sunt: 1. Tensiunea pe VD la polarizare directă pt un curent nominal definit; 2. Valoarea curentului continuu la polarizare directă; 3. Valoarea curentului indirect pt o anumită tensiune de polarizare; 4. Diapazonul temperaturilor de lucru (-60º...+75º)C; 5. Frecvenţa maximă, la care nu are loc înrăutăţirea parametrilor de bază; 6. Capacitatea maximă a diodei; 7. Rezistenţa diferenţială a diodei în punctul de lucru: Rδ=ΔU/ΔI; 8. Rezistenţa după curent continuu: R0=U/I; 9. Coeficientul de pulsaţii: KP=Um/U0;

Curentul la ieşirea diodei redresoare are formă continuă pulsatorie, pentru netezirea pulsaţiilor în circuitele de redresare se cuplează elemente de netezire, de ex. capacitatea, care se caracterizează prin încărcarea şi descărcarea grea.

3.Diode varycap. Principiul de funcţionare.Caracteristica capacitate-tensiune. Parametrii de bază şi utilizarea diodelor varycap în circuite electronice.

Dioda varicap sau dioda cu capacitate variabilă se utilizează la polarizare inversă în calitate de capacitate a cărei capacitate este dirijată de câmpul electric. La polarizare directă

comportându-se ca o diodă semic. obişnuită. În fig. alăturată este prezentată schema echivalentă a diodei varicap. Diodele varicap se utilizează de obicei la frecvenţe înalte şi supraînalte. Avantajele diodei varicap faţă de capacitatea obişnuită sunt: 1) Gabarite mici; 2) Fiabilitatea înaltă; 3) Valori ale capacităţii de unităţi şi zeci de pF.

Separarea sarcinilor electrice în regiunea de trecere a joncţiunii duce la apariţia unei capacităţi de ordinul unităţilor şi zecilor de pF, val. capacităţii este cu atât mai mare, cu cât val. tensiunii de polarizare este mai mică.

Unde capacitatea joncţiunii este determinată de relaţia:

Unde: - permitivitatea electrică a semic-lui; S - aria joncţiunii; XB – grosimea regiunii de trecere. VD varicap este utilizată în contururi oscilante controlate în tensiune, frecvenţa de rezonanţă a cărora se dirijează prin tensiunea de polarizare. Frecvenţa de rezonanţă pentru conturul oscilant cu capacitate obişnuită (7) iar pentru conturul oscilant cu VD varicap (8) sunt:

Parametrii de bază ai diodei varicap dunt: 1. Coeficientul de acoperire după capacitate: KA=CB1/CB2 , unde CB1 şi CB2 sunt capacităţile diodei la tensiunile UIND1 şi UIND2; 2. Factorul de calitate la frecvenţe joase: QFJ=ωCbarrJ; 3. Factorul de calitate la frecvenţe înalte: QFÎ=1/ ωCbarrS; 4. Coeficientul dependenţei capacităţii de temperatură: αΔC=ΔCB/(CBΔT); 5. Coeficientul dependenţei factorului de calitate de temperatură: αΔQ=ΔQB/(QBΔT);

4.Diode Zener. Principiul de funcţionare.Efectul Zener. Caracteristica curent-tensiune. Parametrii de bază şi utilizarea diodelor Zener în circuite electronice.

Dioda Zener (stabilizatoare de tensiune): Principiul de funcţionare: 1) UA>0 - se comportă ca o diodă sem. obişnuită; 2) UA<0 - val. curentului IA creşte rapid la UA~const.

În limitele IZ1 ÷ IZM are loc străpungerea electrică diodei, această zonă se numeşte regiune de stabilizare sau de funcţionare normală. Tensiunea minimă la care are loc stăpungerea electrică a diodei depinde de concentraţia impurităţilor în cristal şi se află în limitele (6....200)V. Valoarea minimă a curentului în momentul apariţiei străpungerii

constituie 0,2...0,3mA.

Pentru IZmax>30mA are loc străpungerea ireversibilă a diodei. Circuitul alăturat p-tă schema cea mai simplă de conectare a diodei Zener, unde R0 are scopul de limitare a tensiunii şi de dirijare a regimului de lucru. Valoarea rezistenţei R0 trebuie să fie mai mare decât rezistenţa internă a diodei Zener, dar să nu fie foarte mare, ca să nu provoace pierderi de puetere mari. Parametrii de bază ai diodei Zener sunt: 1. Tensiunea de stabilizare UST; 2. Curentul minim şi maxim la stabilizare IZ1 şi IZM; 3. Coeficientul de temperatură a tensiunii de stabilizare: CTT=(ΔUST/UST)(1/ΔT); 4. Rezistenţa diferenţială în punctul de lucru: Rδ=ΔU/ΔI; 5. Rezistenţa statică în punctul de lucru: R0=U/I; 6. Factorul de calitate: Q= Rδ/ R0;

Utilizare: a) Surse de tensiune continuă constantă cu valori ale tensiunii cuprinse între 3 ÷ 400 V şi puteri cuprinse între 0,25 ÷ 50 W; b) Protecţia dispozitivelor la supratensiuni tranzitorii.

Puterea disipată pe dioda Zener este determinată de relaţia: P=UzIz.

5.Tranzistoare bipolare. Principiul de funcţionare. Diagrame energetice. Caracteristicile statice

ale tranzistoarelor bipolare în circuitul de cuplare emitor comun. Trasarea dreptei de sarcină. Parametrii de bază.

Tranzistorul bipolar (VT) este un dispozitiv electronic, al cărui principiu de funcţionare este dirijat de interacţiunea a două joncţiuni p-n.

Structural VT este compus din 3 zone semiconductoare Emitor (E), Bază (B) şi Colector (C) prevăzute cu contacte ohmice.

Regiunea de trecere dintre zonele semiconductoare E şi B se numeşte joncţiunea Emitor – JE, iar regiunea de trece de la zona semiconductorului B şi C se numeşte joncţiunea colector – JC.

Baza este regiunea centrală a VT şi se caracterizează prin grosimea mult mai îngustă decât grosimile extremităţilor E şi C, (valori de micrometri), doparea slabă cu impurităţi, precum şi prin tipul conductibilităţii este opusă conductibilităţii E şi C.

Emitorul este una din extremităţile VT şi se caracterizează printr-o concentraţie mai mare a impurităţilor injectate decât colectorul, precum şi prin faptul că tipul conductibilităţii este aceeaşi ca şi a colectorului.

Colectorul este una din extremităţile VT şi se caracterizează prin acelaşi tip de conductibilitate ca şi emitorul, dar o concentraţie a impurităţilor injectate mai slabă decât în emitor.

În dependenţă de tipul conductibilităţii în aceste zone distingem: VT pnp şi npn.

E este sursa de purtători, care determină în general curentul prin VT, iar C colectează purtătorii ajunşi aici. Baza are rolul de a controla intensitatea curentului prin tranzistor în funcţie de tensiunea dintre aceasta şi E.

Principiul de funcţionare a VTÎn timpul funcţionării

tranzistorului, la bornele sale este aplicată o tensiune de la sursa de alimentare. În dependenţă de polaritatea tensiunii aplicate, fiecare din joncţiunile p-n ale VT bipolar poate fi polarizată direct sau indirect, adică sunt posibile 4 modalităţi de funcţionare a tranzistorului:

a) Regim de blocaj;b) Regim de saturaţie;c) Regimul activ;d) Regim de inversie;În regim de blocaj joncţiunile

tranzistorului sunt polarizate indirect, fapt ce duce la apariţia curenţilor de scurgere în VT, care reprezintă parametrii statici ai regimului dat. Valoarea curenţilor de scurgere sunt foarte mici, astfel se consideră că prin VT nu circulă curent.

În regim de saturaţie joncţiunile tranzistorului sunt polarizate direct, fapt ce duce la saturarea lor cu purtători de sarcină mobili, regiunea Emitor – Colector are o

conductibilitate ridicată, astfel încât ea se consideră a fi scurtcircuitată. Parametrii statici ai regimului sunt curenţii de saturaţie IE sat, IB sat şi IC sat

precum şi tensiunile de rest UBE sat şi UCE sat, raportându-le obţinem rezistenţa de saturaţie.

Funcţionarea VT cu amplificarea maximă a semnalului este asigurată în regimul activ de funcţionare.

Fie VT npn în regim activ de funcţionare, adică E este conectat la terminalul negativ al bateriei în timp ce C este conectat la terminalul pozitiv al bateriei.

La polarizarea directă a emitorului, în regiunea bazei sunt injectaţi electroni din emitor, care formează

curentul şi respectiv din bază în

emitor se injectează curentul , a

cărei valoare este .Relaţia dintre componentele

curentului emitorului poate fi descrisă prin intermediul coeficientului de

injecţie:

(1)Transferul purtătorilor de sarcină

din emitor în sarcină poate fi descris prin intermediul coeficientului de

transfer: (2)Utilizând relaţiile (1) şi (2) putem

determina coeficientul de transfer a curentului emitorului în circuitul colectorului:

(3) Grosimea bazei se alege astfel

încât să fie mai mică ca lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină mobili, astfel puţini din electronii injectaţi din emitor se vor combina cu golurile din bază, concomitent pentru a neutraliza regiunea bazei, de la sursă injectăm goluri, adică extragem electroni,

curentul prin procesul de difuzie şi drift se deplasează spre regiunea colectorului, traversează JC şi formează

curentul . Astfel, curentul ce circulă prin VT este:

(4)Unde: IE – curentul emitorului;IB – curentul bazei, valoarea

curentului IB ~10-6A;IC – curentul colectorului, valoarea

curentului IC ~10-3A;IC0 – curentul de scurgere a

colectorului provocat de polarizarea inversă a colectorului.

Deoarece valoarea curentului de scurgere este foarte mică (~10-6A) comparativ cu valoarea curentului emitorului ea se exclude şi obţinem că curentul ce circulă prin VT este:

.În regim de inversie JE este

cuplată invers, iar JC direct. De aceea, în comparaţie cu regimul activ, în regim de inversie injecţia purtătorilor de sarcină este înfăptuită de JC , iar extracţia purtătorilor de JE. Practic, E şi C îşi schimbă funcţia şi poziţia în circuit.

Ca element al circuitului electric, VT este utilizat în aşa mod, ca unul din pini să fie conectat la intrare, altul la ieşire, iar al treilea pin este comun.

Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar cuplat în schema BC şi EC

Caracteristicile statice ale tranzistorului reprezintă dependenţa dintre curenţii ce trec prin bornele tranzistorului şi tensiunile ce se aplică bornele VT.

Pentru VT cuplat EC caracteristicile statice de intrare şi ieşire sunt:

UBE=f(IB), dacă UCE=const.;IC=f(UCE), dacă IB=const.Considerând VT a fi un nod,

aplicăm teorema I a lui Kirchhoff şi obţinem: IE=IC+IB, de unde folosind

relaţia de bază: IC=αIE+IBC0 obţinem:

(6)Astfel, factorul static de

amplificare în curent va fi:

(7)În caracteristica de intrare

deosebim 3 ramuri – prima ramură (I) se află mai la stânga decât cea de-a doua şi arată curentul de intrare egal

cu suma curenţilor prin două joncţiuni paralele deplasate în sens direct.

Cea de-a doua ramură (II) determină curentul de intrare, care este IB, iar caracteristica I-a

Ramurile II şi III trec mai la dreapta faţă de prima, fiindcă curentul bazei este numai o parte din curentul emitorului. Diferenţa dintre caracteristica II şi III constă în faptul că la o anumită tensiune şi la tensiuni mai mari ca ea, joncţiunea colectorului se deplasează în sens indirect, iar la o tensiune mai mică joncţiunea este deplasată direct.

În caracteristica statică de ieşire distingem 3 regiuni:

1.Regiunea ce se află în interiorul graniţei haşurate, corespunde regimului activ limitat de parametri electrici maximi permişi: IC mac, PC max, UCE max.2.Regiunea de blocaj corespunde regiunii situate sub caracteristica de ieşire pentru IB=0, unde curentul este determinat de relaţia:

(8)3.Regiunea de străpungere, în care la tensiuni majore UCB curentul IC creşte brusc ce duce la străpungerea tranzistorului.Cuplarea VT în EC se utilizează în circuitele de amplificare, de comutaţie sau digitale, deoarece furnizează valori mari ale tensiunii, curenţilor şi respectiv puterii. Conexiunea EC se caracterizează prin rezistenţă de intrare foarte mică şi rezistenţă de ieşire foarte mare.

Trasarea dreptei de sarcină şi selectarea punctului de funcţionare:

Una din problemele de bază ale funcţionării tranzistorului este stabilirea şi menţinerea valorilor corecte pentru tensiune şi curent în circuit (determinarea polarizării în

funcţiile de condiţiile mediului - T, K) ce poate modifica funcţionarea VT sau chiar distorsionarea semnalului precum şi determinarea punctului static de funcţionare a VT.

Pentru aceasta utilizăm caracteristica de ieşire IC=f(UCE), dacă IB=const.

Conform teoremei II a lui Kirchhoff pentru circuitul dat avem: Ec=ICRc+UCE

Admitem:1)1)1)1)1)1)1)1)1)1)1)1)1)1)

1)1)1)1)

IC=0, atunci: UCE=Ec;2) UCE=0, atunci: IC=Ec/Rc;Ec şi Ec/Rc sunt coordonatele pe

axa UCE şi respectiv IC, pentru IB=const. Determinăm punctul de funcţionare la intersecţia dreptei de sarcină cu caracteristica statică a curentului IB. coordonatele punctului de funcţionare al VT vor fi: tensiunea UCE şi val. curentului IC ce circulă prin VT la tensiunea corespunzătoare.

6. Tranzistoare bipolare. Principiul de funcţionare. Diagrame energetice. Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare în circuitul de cuplare bază comună. Trasarea dreptei de sarcină. Parametrii de bază.




Baza este regiunea centrală a VT şi se caracterizează prin grosimea mult mai îngustă decât grosimile extremităţilor E şi C, (valori de micrometri), doparea slabă cu impurităţi, precum şi prin tipul conductibilităţii este opusă conductibilităţii E şi C.




E este sursa de purtători, care determină în general curentul prin VT, iar C colectează purtătorii ajunşi aici. Baza are rolul de a controla intensitatea curentului prin tranzistor în funcţie de tensiunea dintre aceasta şi E.Principiul de funcţionare a VT

În timpul funcţionării tranzistorului, la bornele sale este aplicată o tensiune de la sursa de alimentare. În dependenţă de polaritatea tensiunii aplicate, fiecare din joncţiunile p-n ale VT bipolar poate fi polarizată direct sau indirect, adică sunt posibile 4 modalităţi de funcţionare a tranzistorului:

e) Regim de blocaj;f)Regim de saturaţie;g) Regimul activ;h) Regim de inversie;În regim de blocaj joncţiunile

tranzistorului sunt polarizate indirect, fapt ce duce la apariţia curenţilor de scurgere în VT, care reprezintă parametrii statici ai regimului dat. Valoarea curenţilor de scurgere sunt

foarte mici, astfel se consideră că prin VT nu circulă curent.

În regim de saturaţie joncţiunile tranzistorului sunt polarizate direct, fapt ce duce la saturarea lor cu purtători de sarcină mobili, regiunea Emitor – Colector are o conductibilitate ridicată, astfel încât ea se consideră a fi scurtcircuitată. Parametrii statici ai regimului sunt curenţii de saturaţie IE sat, IB sat şi IC sat

precum şi tensiunile de rest UBE sat şi UCE sat, raportându-le obţinem rezistenţa de saturaţie.

Funcţionarea VT cu amplificarea maximă a semnalului este asigurată în regimul activ de funcţionare.

Fie VT npn în regim activ de funcţionare, adică E este conectat la terminalul negativ al bateriei în timp ce C este conectat la terminalul pozitiv al bateriei.

La polarizarea directă a emitorului, în regiunea bazei sunt injectaţi electroni din emitor, care formează

curentul şi respectiv din bază în

emitor se injectează curentul , a

cărei valoare este .Relaţia dintre componentele

curentului emitorului poate fi descrisă prin intermediul coeficientului de

injecţie: (1)Transferul purtătorilor de sarcină

din emitor în sarcină poate fi descris prin intermediul coeficientului de

transfer: (2)Utilizând relaţiile (1) şi (2) putem

determina coeficientul de transfer a curentului emitorului în circuitul colectorului:

(3) Grosimea bazei se alege astfel

încât să fie mai mică ca lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină mobili, astfel puţini din electronii injectaţi din emitor se vor combina cu golurile din bază, concomitent pentru a neutraliza regiunea bazei, de la sursă injectăm goluri, adică extragem electroni,

curentul prin procesul de difuzie şi drift se deplasează spre regiunea colectorului, traversează JC şi formează

curentul . Astfel, curentul ce circulă prin VT este:

(4)Unde: IE – curentul emitorului;IB – curentul bazei, valoarea

curentului IB ~10-6A;

IC – curentul colectorului, valoarea curentului IC ~10-3A;

IC0 – curentul de scurgere a colectorului provocat de polarizarea inversă a colectorului.

Deoarece valoarea curentului de scurgere este foarte mică (~10-6A) comparativ cu valoarea curentului emitorului ea se exclude şi obţinem că curentul ce circulă prin VT este:

.În regim de inversie JE este

cuplată invers, iar JC direct. De aceea, în comparaţie cu regimul activ, în regim de inversie injecţia purtătorilor de sarcină

este înfăptuită de JC , iar extracţia purtătorilor de JE. Practic, E şi C îşi schimbă funcţia şi poziţia în circuit.

Ca element al circuitului electric, VT este utilizat

în aşa mod, ca unul din pini să fie conectat la intrare, altul la ieşire, iar al treilea pin este comun

Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar cuplat în schema BC

Caracteristicile statice ale tranzistorului reprezintă dependenţa dintre curenţii ce trec prin bornele tranzistorului şi tensiunile ce se aplică bornele VT.

Conectarea VT în circuit BC (EC), presupune că baza (emitorul) devine electrodul comun al schemei, adică acesta este de referinţă pentru ambele circuite - de intrare şi de ieşire.

Pentru tranzistorul cuplat BC caracteristicile statice de intrare şi ieşire sunt:

UBE=f(IE), dacă UBC=const.;IC=f(UBC), dacă IE=const.;În caracteristica de intrare a VT

cuplat BC se observă o creştere liniară a ramurilor, această liniaritate depinde exclusiv de puterea VT. În general ramurile cresc exponenţial, conform relaţiei:

(5)

În caracteristica statică de ieşire putem distinge 4 regiuni:

1.Regiunea activă normală;2.Regiunea de blocaj;3.Regiunea de saturaţie;4.Regiunea de străpungere.În reg. activă normală se constată

o dependenţă foarte mică a curentului IC de tensiunea UCB.

În reg. de blocaj ambele joncţiuni sunt polarizate indirect. În consecinţă curentul emitorului este negativ, iar curentul IC poate fi mai mic decât IBC0, conform relaţiei IC=αIE+IBC0.

În reg. de saturaţie pentru tensiuni UCB< 0, curentul IC scade datorită polarizării în conducţie directă a JE şi a JC.

În reg. de străpungere are loc creşterea rapidă a curentului IC care provoacă străpungerea tranzistorului.

Pentru circuitul de cuplare a VT în BC tensiunile de intrare şi ieşire vor fi în fază.

Cuplarea VT în BC se utilizează datorită valorilor impedanţelor de intrare şi ieşire

( 30 ~160 /250~550k ). Neajunsul acestui tip de conexiune este limitarea de rezistenţa mică de intrare şi câştigul în curent mai mic de 1. Se utilizează în amplificatoarele de voce.

7.Tranzistoare bipolare. Principiul de amplificare a semnalelor cu ajutorul tranzistoarelor bipolare. Selectarea punctului de funcţionare. Trasarea dreptei de sarcină pentru circuitul cu parametrii definiţi.




Baza este regiunea centrală a VT şi se caracterizează prin grosimea mult mai îngustă decât grosimile

extremităţilor E şi C, (valori de micrometri), doparea slabă cu impurităţi, precum şi prin tipul conductibilităţii este opusă conductibilităţii E şi C.




E este sursa de purtători, care determină în general curentul prin VT, iar C colectează purtătorii ajunşi aici. Baza are rolul de a controla intensitatea curentului prin tranzistor în funcţie de tensiunea dintre aceasta şi E.

Principiul de amplificare a semnalelor cu ajutorul VT

Amplificarea este procesul de mărire a valorilor instantanee ale unei puteri sau ale altei mărimi (curent, tensiune), fără a modifica modul de variaţie a mărimii în timp şi folosind energia unor surse de alimentare.

Schema electrică se prezintă pe figura următoare:

Condensatoarele de cuplaj Cd1 şi Cd2 au rolul de a filtra componenta de curent continuu, respectiv de a lăsa să treacă semnalul variabil care trebuie amplificat.

Condensatorul CE devine scurtcircuit la frecvenţa de lucru, punând la masă emitorul.

Ţinându-se cont că pentru polarizarea directă a VT din Ge este suficient 0,2V, iar pentru cele din Si – 0,6V şi pentru că bateriile uzuale nu permit tensiuni atât de mici, în circuitele de polarizare ale VT se utilizează divizorul rezistiv format din R1 şi R2. Rezistenţele R1 şi R2 cuplate în circuitul amplificator elimină efectele negative produse de variaţiile de temperatură asupra polarizării.

Dacă VT este polarizat corect, în circuit va exista un curent chiar şi în lipsa semnalului de intrare. Tensiunea şi curentul ce există în circuit până la aplicarea semnalului de intrare se numesc tensiune şi curent de menţinere „reziduale”.

Rezistorul Rs se cuplează în circuit pentru a menţine efectul tensiunii de

alimentare a colectorului, în lipsa lui tensiunea ce va cădea pe Colector va fi egală cu Ec.

Semnalul de intrare se aplică prin condensatorul de cuplaj Cd1 între Bază şi Emitor, în alternanţă pozitivă. După aplicarea semnalului de intrare, tensiunea pe JE devine mai mare în valoare pozitivă, precum creşte şi valorile curenţilor IE, IC şi IB. Odată cu majorarea valorii curentului IC

valoarea tensiunii ce cade pe RS va creşte. Deoarece tensiunea de pe RS şi colector formează împreună tensiunea Ec, creşterea valorii tens. pe RS duce la micşorarea valorii tensiunii pe

tranzistor. Tensiunea de ieşire a amplificatorului culeasă la colector este alternanţă negativă a tensiunii de amplitudine mai mare ca valoare decât intrarea, cu formă sinusoidală.

Pe durata alternanţei negative a semnalului de intrare, acesta se opune polarizării directe, ca rezultat scade val. curentului IB şi respectiv IE şi IC. Căderea curentului prin RS micşorează căderea de tensiune pe RS, deci creşte tensiunea UCE. Tensiunea de ieşire este de formă sinusoidală în alternanţă pozitivă mai mare ca valoare ca tens. de intrare.

Trasarea dreptei de sarcină şi selectarea punctului de funcţionare:

Una din problemele de bază ale funcţionării tranzistorului este stabilirea şi menţinerea valorilor corecte pentru tensiune şi curent în circuit (determinarea polarizării în funcţiile de condiţiile mediului - T, K) ce poate modifica funcţionarea VT sau chiar distorsionarea semnalului precum şi determinarea punctului static de funcţionare a VT.

Pentru aceasta utilizăm caracteristica de ieşire IC=f(UCE), dacă IB=const.

Conform teoremei II a lui Kirchhoff pentru circuitul dat avem: Ec=ICRc+UCE

Admitem:3) IC=0, atunci: UCE=Ec;4) UCE=0, atunci: IC=Ec/Rc;Ec şi Ec/Rc sunt coordonatele pe

axa UCE şi respectiv IC, pentru IB=const. Determinăm punctul de funcţionare la intersecţia dreptei de sarcină cu caracteristica statică a curentului IB. coordonatele punctului de funcţionare al VT vor fi: tensiunea UCE şi val. curentului IC ce circulă prin VT la tensiunea corespunzătoare.

8. Tranzistoare cu efect de câmp. Principiul de funcţionare. Caracteristicile de ieşire şi transfer pentru tranzistoarele cu joncţiune p-n. Principiul de amplificare a semnalelor alternative cu ajutorul tranzistoarelor cu efect de câmp. Selectarea punctului de funcţionare. Trasarea dreptei de sarcină.

Tranzistorul cu efect de câmp (TEC) este un dispozitiv semiconductor unipolar a cărui funcţionare este asigurată de un singur tip de conductori (electroni sau goluri). TEC are ca principiu de funcţionare efectul de câmp, adică controlul valorii curentului prin tranzistor se obţine cu un câmp electric care modifică conducţia căii de trecere a curentului prin dispozitiv. Calea de trecere se numeşte canal şi este partea activă a unui TEC. Clasificare TEC: TEC din punctul de vedere al tipului de canal poate fi: a) Cu canal n atunci când curentul prin dispozitiv este asigurat de electroni ca sarcini electrice; b) Cu canal p atunci când curentul prin dispozitiv este asigurat de goluri ca sarcini electrice.

TEC după modul în care se controlează valoarea curentului prin canal se împart în: 1. TEC cu joncţiuni (TECJ); 2. TEC cu grilă izolată (MOSFET).

În fig. alăturată sunt prezentate: a. TECJ cu canal tip n; b. TECJ cu canal tip p; Unde terminalele TEC sunt: - Sursă (S) - electrodul prin care purtătorii pătrund în canal. - Drenă (D) - electrodul prin care purtătorii sunt evacuaţi din canal. -Poartă sau Grilă (P sau G) – electrodul prin care se controlează valoarea curentului prin dispozitiv creat de o tensiune aplicată între două terminale ale tranzistorului.

Principiul de funcţionare. Caracteristicile de ieşire şi transfer a TEC: Fie un TECJ cu canal de tip n, dacă UGS=0 şi UDS=0, atunci regiunea de trecere are aceeaşi lărgime în lungul canalului, reducând într-o mică măsură lărgimea canalului. Fie TECJ cu canal de tip n, polarizat ca în fig. alăturată,

atunci prin grila TECJ circulă un curent de intensitate mică, de ordinul nano-amperilor, iar dipolul drenă-sursă implică curenţi mult mai mari decât cei de grilă. Curentul de drenă ID este dat de electronii care se deplasează de la sursă spre drenă atunci când tensiunea drenă-sursă UDS este pozitivă. Funcţionarea TECJ de tip n poate fi descrisă cu ajutorul caracteristicii de ieşire ID=f(UDS), când UGS=const. În fig. alăturată este prezentată caracteristica de ieşire a TECJ cu canal de tip n.

În caracteristică se observă 3 zone (regimuri) de funcţionare:

1. La valori mici ale UDS – val. curentului ID creşte liniar. Pt UGS=0 se obţine panta cea mai mare; 2. La valori medii ale UDS valoarea ID creşte neliniar; acest regim nu are o aplicaţie practică; 3. La valori UDS ≥UDSsat tranzistorul se comportă ca un generator de curent constant ID, în zona (S) are loc saturaţia curentului ID; dacă tensiunea UGS< Up (Up - tensiune de blocare grilă-sursă) atunci tranzistorul se blochează si curentul de drenă ID=0. Pentru valori mari ale UDS are loc străpungerea electrică a canalului şi curentul va creşte brusc.

Dependenţa ID=f(UGS), când UGS=const. se numeşte caracteristica de transfer. Caracteristica de transfer a TECJ cu canal de tip n este prezentată în fig. alăturată. Valoarea maximă pe care o poate atinge curentul de drenă se notează cu IDSS şi se numeşte curent de drenă de saturare şi se obţine pentru UGS=0 şi

Pentru TECJ cu canal p funcţionarea este similară, dar sensul curentului ID şi polarităţile tensiunilor trebuie schimbate.

Tranzistoarele TEC – MOS: Tranzistoarele TECJ şi TEC-MOS sunt asemănătoare în ce priveşte principiul de funcţionare şi caracteristicile electrice. Clasificarea TEC-MOS: 1. Cu canal indus (de tip n sau p); 2. Cu canal intercalat (de tip n sau p) – canalul există chiar şi la UGS=0 . Tranzistoarele TEC-MOS funcţionează în două moduri de bază: 1) La polarizare inversă a grilei; 2) La polarizare directă a grilei pentru creşterea nr. de purtători de sarcină în canal.

Principiul de amplificare a semnalelor alternative cu ajutorul TEC:

în fig. alăturată este prezentat circuitul amplificator cuplat cu TEC-MOS.

Rezistenţele R1…R5 se folosesc pentru polarizarea tranzistorului astfel încât punctul static de funcţionare a lui să fie situat în regim de saturaţie. Semnalul de intrare se aplică prin condensatorul C2 la grila tranzistorului. Grila şi substratul semiconductor formează un condensator minuscul, astfel o capacitate mică şi o sarcină stocată poate duce la apariţia unei tensiuni mari între armăturile condensatorului. Semnalul de ieşire este obţinut după separarea componentei continue prin condensatorul C1. O prioritate importantă a etajelor amplificatoare cuplate cu TEC-MOS este că la tensiuni de peste 100V precum şi la atingerea terminalului grilei TEC-MOS cu mâna – dielectricul format de stratul SiO2 se va străpunge.Selectarea punctului de funcţionare. Trasarea dreptei de sarcină:Conform teoremei II a lui Kirchhoff pentru circuitul din fig. alăturată avem

şi formulele:

9. Tranzistoare cu efect de câmp. Principiul de funcţionare. Caracteristicile de ieşire şi transfer pentru tranzistoarele cu canal indus. Principiul de amplificare a semnalelor alternative cu ajutorul tranzistoarelor cu efect de câmp. Selectarea punctului de funcţionare. Trasarea dreptei de sarcină.



În fig. alăturată sunt prezentate: a. TECJ cu canal tip n; b. TECJ cu canal tip p;

Unde terminalele TEC sunt: - Sursă (S) - electrodul prin care purtătorii pătrund în canal. - Drenă (D) - electrodul prin care purtătorii sunt evacuaţi din canal. -Poartă sau Grilă (P sau G) – electrodul prin care se controlează valoarea curentului prin dispozitiv creat de o tensiune aplicată între două terminale ale tranzistorului.

Principiul de funcţionare. Caracteristicile de ieşire şi transfer a TEC: TEC-MOS cu canal indus: Conducţia se realizează la suprafaţa substratului de Si între sursă (S) şi drenă (D). pentru a se putea stabili un curent electric între S şi D, suprafaţa semiconductorului trebuie inversată ca tip de conductibilitate prin aplicarea tensiunii pe grilă. 1. UGS<0 – între S şi D nu circulă curent electric d-ce regiunile sursei şi drenei formează împreună cu semiconductorul de tip n 2 joncţiuni p-n în opoziţie, astfel încât la orice polarizare una din joncţiuni va fi polarizată invers, blocând calea de conducţie. 2. UGS>0 – apare un curent dinspre grilă spre semiconductor, care duce la respingerea golurilor de la suprafaţa semic-lui formând o porţiune de sarcină spaţială. La depăşirea val. UGS>Up – concentraţia electronilor devine mai mare ca concentraţia golurilor, astfel se schimbă tipul de conductibilitate a semic-lui. Stratul semiconductorului unde s-a produs inversia tipului de conductibilitate se numeşte Canal indus. În fig. alăturată este sunt prezentate caracteristicile de transfer şi ieşire pentru TEC-MOS cu canal indus de tip n. caracteristica de transfer pentru TEC-MOS cu canal indus de tip p va fi în cadranul II oglindită.

Principiul de amplificare a semnalelor alternative cu ajutorul TEC:

în fig. alăturată este prezentat circuitul amplificator cuplat cu TEC-MOS.

Rezistenţele R1…R5 se folosesc pentru polarizarea tranzistorului astfel încât punctul static de funcţionare a lui să fie situat în regim de saturaţie. Semnalul de intrare se aplică prin condensatorul C2 la grila tranzistorului. Grila şi substratul semiconductor formează un condensator minuscul, astfel o capacitate mică şi o sarcină stocată poate duce la apariţia unei tensiuni mari între armăturile condensatorului. Semnalul de ieşire este obţinut după separarea componentei continue prin condensatorul C1. O prioritate importantă a etajelor amplificatoare cuplate cu TEC-MOS este că la tensiuni de peste 100V precum şi la atingerea terminalului grilei TEC-MOS cu mâna – dielectricul format de stratul SiO2 se va străpunge.Selectarea punctului de funcţionare. Trasarea dreptei de sarcină:Conform teoremei II a lui Kirchhoff pentru circuitul din fig. alăturată avem

şi formulele:

10. Tranzistoare cu efect de câmp. Principiul de funcţionare. Caracteristicile de ieşire şi transfer pentru tranzistoarele cu canal intercalat.Principiul de amplificare a semnalelor alternative cu ajutorul tranzistoarelor cu efect de câmp. Selectarea punctului de funcţionare. Trasarea dreptei de sarcină.



În fig. alăturată sunt prezentate: a. TECJ cu canal tip n;

p1n1p2

n4

n3

G T1

T2

a

n2IG

IT

n3

GFig. 6.18

IT

-IT

UT2-UT2-UB0

UB0

IG=0IG>0

HI

HIIG<0IG=0

Fig. 6.19a

cadranul IT1 (+)

cadranul IIIT2 (+)

b. TECJ cu canal tip p; Unde terminalele TEC sunt: - Sursă (S) - electrodul prin care purtătorii pătrund în canal. - Drenă (D) - electrodul prin care purtătorii sunt evacuaţi din canal. -Poartă sau Grilă (P sau G) – electrodul prin care se controlează valoarea curentului prin dispozitiv creat de o tensiune aplicată între două terminale ale tranzistorului.

Principiul de funcţionare. Caracteristicile de ieşire şi transfer a TEC: TEC-MOS cu canal intercalat(iniţial) (TEC-MIS): Canalul intercalat poate fi realizat prin intermediul unei anumite sarcini la suprafaţa semiconductorului sau modificând prin difuzie de impurităţi tipul conductibilităţii pe o mică adâncime la suprafaţa substratului. Dacă UGS=0, între S şi D există o anumită conductanţă TEC-MIS lucrează în 2 regimuri: 1. De sărăcire: UGS<0; 2. De îmbogăţire: UGS>0;

Selectarea punctului de funcţionare. Trasarea dreptei de sarcină:Conform teoremei II a lui Kirchhoff pentru circuitul din fig. alăturată avem

şi formulele:

11.Tiriacul.Principiul de funcţionare.Parametrii de bază.Deducerea caracteristicii current-tensiune, utilizând modelul cu două tranzistoare bipolare. Utilizarea tiriacului în circuite electronice (exemple).

Triacul.Descriere, funcţionare, caracteristiciTriacul sau tiristorul bidirecţional este o structură de şase straturi care delimitează cinci joncţiuni, fig. 6.17.a. În loc de anod şi catod se întâlnesc două terminale notate cu T1 şi T1. Schema echivalentă conţine două tiristoare conectate în antiparalel şi comandate de un electrod de comandă unic, notat cu G, fig. 6.17.b. Tiristorul Th1 este format din regiunile p1n1p2n2

iar tiristorul Th2 din regiunile p2n1p1n4. Grila este conectată la regiunile n3p2.

Dacă terminalul T2 se polarizează pozitiv faţă de T1, iar poarta tot pozitiv atunci structura se comportă la fel ca un tiristor convenţional, format din straturile p1n1p2n2. Sensul de circulaţie

a curentului principal, IT, şi a curentului de comandă, IG, este indicat în fig. 6.18.a cu linie continuă şi respectiv întreruptă.

Dacă terminalul T1 se polarizează pozitiv faţă de T2 iar poarta negativ atunci structura se comportă ca o structură cu şase straturi cu emitor auxiliar în circuitul electrodului de comandă. Terminalul T1 constituie anodul structurii principale (de tiristor) p2n1p1n4, iar joncţiunea n3p2 constituie emitorul auxiliar polarizat direct de tensiunea de comandă. Sensul de circulaţie a curentului principal, IT, şi a curentului de comandă, IG, este indicat în fig. 6.18.b cu linie continuă şi respectiv întreruptă. În acest caz structura se comportă ca un tiristor orientat invers faţă de primul caz şi comandat prin impulsuri negative aplicate pe poartă.

Caracteristica statică a triacului, corespunzătoare celor două moduri de funcţionare (în cadranul I şi III) este dată în fig. 6.19.a iar modul de reprezentare simbolic în fig. 6.19.b.

Deoarece curentul principal din structură influenţează curentul de comandă injectat prin electrodul de poartă, amplitudinea curentului IG

necesar pentru amorsare este diferită de la un mod de funcţionare la altul. În cazul în care cei doi curenţi circulă în acelaşi sens (spre terminalul T1) sensibilitate la comandă este mare, curentul cerut pentru amorsare fiind redus. Dacă însă cei doi curenţi sunt de semne contrarii, sensibilitatea la comandă este mică.

p1

n1

p2

n4

n2n3

G T1

T

G

Th1 Th2

T1

T2

a bFig. 6.17

a

u

IG

uS

t

α

Fig. 6.20

t

tb

u~ uS Zs

IG

Circuit de comandă

α

Spre deosebire de tiristor, triacul poate fi amorsat cu semnal atât pozitiv cât şi negativ, aplicat în grilă, în raport cu oricare dintre cei doi electrozi, indiferent de polaritatea tensiunii

aplicată la un moment dat.

Majoritatea caracteristicilor şi parametrilor definiţi pentru tiristoare rămâne valabilă şi pentru triacuri, cu precizarea că triacul are performanţe

dinamice , , în general mai slabe decât ale tiristorului.

Triacul este folosit în circuitele de reglare şi comandă a puterii în circuitele de curent alternativ şi joasă frecvenţă, iar circuitele integrate utilizate pentru comanda tiristoarelor pot fi utilizate şi pentru comanda triacelor.

Principiul comenzii prin control de fază a unui triac este prezentat în fig. 6.20, unde impedanţa de sarcină ZS este alimentată de la o tensiune alternativă u, prin intermediul unui triac. Circuitul de comandă, realizat sub formă integrată, generează câte un impuls de comandă după fiecare trecere prin zero a tensiunii u, fig. 6.20.b. Intervalul de timp considerat între momentul anulării tensiunii de reţea şi apariţia impulsului de comandă se numeşte unghi de comandă şi este notat cu α. Acest unghi este reglabil, iar valoarea sa poate fi modificată ca şi în cazul tiristoarelor modificând tensiunea aplicată din exterior la terminalul „comandă fază impuls” al circuitului de comandă.

Forma tensiunii aplicate impedanţei de sarcină este dată în fig. 6.20.b. În particular, dacă α = 0 impulsurile de comandă sunt emise la fiecare trecere prin zero a tensiunii de reţea iar tensiunea aplicată impedanţei de sarcină este identică cu cea de intrare, u.

12. Amplificatoare de audiofrecvenţă (EC). Circuitul echivalent. Analiza detaliata a circuitul de amplificare cu tranzistoare bipolare cuplate emitor comun.

Se numește Amplificator dispozitivul la ieșirea căruia se obține un semnal de un număr întreg de ori mai mare de cît acelaș semnal aplicat anterior la intrarea lui. Amplificatoarele sunt utilizate pentru a majora puterea semnalelor electrice dat fiind faptul că aceste semnale electrice reprezintă o tensiune sau un curent amplitudinea cărora este proporțională cu informația semnalului transmis (”1” – 2,4V; ”0” - <0,2V). Mai jos este prezentată schema bloc al unui amplificator:

SS –Sursă de semnal EN – Element Neliniar

Clasificarea amplificatoarelor 1. După tipul elementului activ: - Cu tranzistori; - Cu tuburi electronice. 2. După tepul de legătură între etaje: - Cu legătură capacitivă; - Cu legătură mutuală; - Cu legătură galvanică. 3. După structură: - Cu un singur etaj; - Multietaj.

Deasemenea amplificatoarele mai pot fi: 1. De curent: - De curent continuu; - De curent alternativ. 2. De tensiune ; 3. De putere; 4. De audiofrecvență(AF); 5. De radiofrecvență(RF); 6. De bandă largă(ABL); 7. De bandă îngustă(ABÎ) sau selectiv; 8. Amplificatoare diferențiale(cu 2 intrări); 9. Amplificatoare operaționale. Analiza detaliată a circuitul de amplificare cu tranzistoare bipolare cuplate emitor comun

Semnalul alternativ selectat de pe alte surse trebuie sa se supună condițiilor:

condensatoare de divizare(divizează componenta

continuă de cea alternativă);

Divizor de tensiune(formează );

fixează punctul de funcționare al circuitului de ieșire;

circuit de corecție la variația temperaturii mediului ambiant. Circuitul echivalent al amplificaturului cu VT cuplat cu Emitor Comun la frecvențe medii: La frecvențe medii condensatoarele scurtcircuitează circuitul, adică din

circuit dispare

13. Amplificatoare de audiofrecvenţă (CC). Circuitul echivalent. Analiza detaliata a circuitul de amplificare cu tranzistoare bipolare cuplate colector comun.



Analiza detaliata a circuitul de amplificare cu tranzistoare bipolare cuplate colector comun. În acest tip de cuplaj semnalul de ieșire se extrage de pe emitorul tranzistorului VT. Elementele circuitului practic indeplinesc aceleași funcții doar că colectorul tranzistorului este cuplat

direct la sursa de alimentare

Semnalul de ieșire se preia din emitor

prin condensatorul

Rezistența reprezită rezistența de ieșire din etajul actual precum și rezistența de intrare în etajul următor.

14.Amplificatoare de audiofrecvenţă. Stabilizarea punctului de funcţionare după curent continuu la modificarea valorii temperaturii mediului ambiant.



Stabilizarea punctului de funcţionare la variaţia temperaturii. 1.Prin utilizarea unui circuit RC cuplat între emitorul elementului activ și punctul comun al schemei. 2. La majorarea temperaturii mediului se schimbă caracteristica de intrare a elementului active al amplificatorului provocînd o majorare bruscă a curentului bazei după cum este arătat în figură. Totodată dacă crește temperature crește numărul purtătorilor de sarcină

adică crește valoarea Din relatia

Putem spune ca la cresterea

tensiunea pe va creste iarasi

va scade ceea ce provoaca

micsorarea

2. Termostabilizare cu ajutorul VD semiconductoare. Dioda semiconductoare este un element a cărei caracteristică current tensiune(CCT) se modifică la varierea temperaturii. Această proprietate este aplicată în amplificatorul de mai sus.

3. Termostabilizare prin utilizarea unui termorezistor La creșterea temperaturii nominala

rezistenței va scade ceea ce va

provoca scăderea tensiunii

4. Termostabilizare prin curentul colectorului. Cu majorarea temperaturii rezistența tranzisturului descrește adică potențialul colectorului se micșorează ceea ce provoacă micșorarea curentului bazei.

15. Amplificatoare de audiofrecvenţă. Caracteristica amplitudine-frecvenţă. Metode de corecţie a caracteristicii amplitudine-frecvenţă în amplificatoare.

Se numește Amplificator dispozitivul la ieșirea căruia se obține un semnal de un număr întreg de ori mai mare de cît acelaș semnal aplicat anterior la intrarea lui. Amplificatoarele sunt utilizate pentru a majora puterea semnalelor electrice dat fiind faptul că

aceste semnale electrice reprezintă o tensiune sau un curent amplitudinea cărora este proporțională cu informația semnalului transmis (”1” – 2,4V; ”0” - <0,2V). Mai jos este prezentată schema bloc al unui amplificator:


Caracteristica amplitudine – frecventa

In cazul unui amplificator ideal, un semnal de amplitudine consta si de diferite frecvente, aplicat la intrare, este redat la iesire tot cu amplitudine constanta. In cazul amplificatoarelor reale, amplitudinea semnalelor de diferite frecvente de la iesire nu mai este constanta, fiind mai mica spre capetele benzii, datorita urmatoarelor cauze:

- elementele reactive din circuit (C, L) prezinta reactante ce variaza cu frecventa;

- factorii de amplificare (α, β), ai tranzistoarelor depind de frecventa;

- amplificarea reprezinta un numar complex.

Raportul semnal/zgomot reprezinta raportul intre tensiunea de iesire produsa de semnalul amplificat si tensiunea de zgomot propriu. Tensiunea de zgomot a unui amplificator este semnalul aleator produs de elementele componente ale amplificatorului: rezistoare, tranzistoare, datorita structurii discontinue a curentului electric.

Valoarea raportului semnal/zgomot se reda sub forma:

raport semnal/zgomot = 20 log

U sies

U zies .

Gama dinamica reprezinta raportul intre semnalul de putere maxima si cel de putere minima aplicat la intrarea amplificatorului.

D=P int . max /P int . min

Sensibilitatea reprezinta semnalul necesar la intrarea acestuia pentru a

obtine la iesire tensiune sau putere nominala. Cunoscind amplificarea si puterea nominala se poate calcula sensibilitatea.

16.Reacţia după curent şi tensiune in amplificatoare. Modalităţi de introducere a reacţiei. Particularităţile reacţiei negative şi pozitive. Utilizarea practică a reacţiei în amplificatoare.

Reacție – Procedura cînd o parte din semnalul de ieșire este transferat la intrarea amplificatorului. Circuitul prin intermediul căruia semnalul cules la ieșire se aplică la intrarea sistemului se numește Buclă de reacție. Reacția poate fi: - Pozitivă - Negativă - Reacție după tensiune(serie și paralelă); - Reacție după curent(serie și paralelă); -Reacție după curent și tensiune; Schema unui amplificator cuprins cu rețea de reacție este prezentat mai jos:

Reacția negativă: Dacă semnalul de reacție este în contrafază cu semnalul de intrare reacția se numește negativă, se folosește cu scopul de a îmbunătăți performanțele sistemului în care se utilizează. Avantaje: - Micșorează în mod dorit distorsiunile liniare; - Lărgește banda de frecvență lucrătoare; - Schimbă în mod dorit rezistența de intrare și cea de ieșire a circuitului amplificator; - Micșorează instabilitatea factorului de amplificare condiționată de variația temperaturii, tensiunea SA; schimbării componentelor etc.

Dezavantaje: - Micșorează amplificarea; - Este pericolul de autoexcitare a circuitului amplificator.

Cînd reacția este negativă - semnalul aplicat la intrare este:

- Coeficientul de amplificare la aplicarea reacției este:

- Factorul de variere a amplificării

- Tensiunea de ieșire :

- Gradul de reacție :

Reacție pozitivă: Dacă semnalul de reacție este în fază cu semnalul de intrare reacția se numește pozitivă. Se folosește de regulă în oscilatoare în oscilatoare de semnal și în anumite cazuri, în sisteme amplificatoare cu scopul de a majora coeficientul de amplificare la o anumită frecvență sau întră subgamă de frecvențe. Cînd reacția este pozitivă: - semnalul aplicat la intrare este:

- Coeficientul de amplificare la aplicarea reacției este:

- Factorul de variere a amplificării

- Tensiunea de ieșire :

- Gradul de reacție:

Modalitati de introducere a reactiei

Atunci cind semnalul de reactie este in antifaza cu semnalul de intrare, reactia este negativa si factorul de amplificare se va micsora

K RN= K1+βK :

Reacția Serie în curent:

Reacția paralelă în curent:

Rezistența de ieșire a circuitului amplificator în cazul reacției de curent este :

Reacția serie în tensiune:

Reacție paralelă în tensiune:

Rezistența de ieșire a circuitului amplificator în cazul reacției de tensiune este :

Această relație ne demonstrează că rezistența de ieșire a sarcinii dinamice în cazul utilizarii ei în amplificatoare se majorează atinci cîn în serie cu emitorul tranzistorului sarcina este introdusa reacția.

Practic este mult mai des utilizata Reactia Pozitiva, care permite sa transformam amplificatorul in generator de semnal.Reactia pozitiva este folosita la oscilatoarele electronice, în timp ce reactia negativa se foloseste pentru îmbunatatirea performantelor amplificatoarelor.

17.Reacţia în amplificatoare. Relaţia Barchauzen. Utilizarea reacţiei pozitive în generatoarele de semnale sinusoidale. Exemple de circuite cu reacţie pozitivă – generatoare de semnal sinusoidal.Reacție – Procedura cînd o parte din semnalul de ieșire este transferat la intrarea amplificatorului. Circuitul prin intermediul căruia semnalul cules la ieșire se aplică la intrarea sistemului se numește Buclă de reacție. Reacția poate fi: - Pozitivă - Negativă - Reacție după tensiune(serie și paralelă); - Reacție după curent(serie și paralelă); -Reacție după curent și tensiune;

Schema unui amplificator cuprins cu rețea de reacție este prezentat mai jos:

Astfel, mentionam relatia Barkhausen

(2 conditii de amorsare):

De regula, utilizam generatoare de semnal sinusoidal, pentru care folosim contururi oscilante.

Dacă cheia K este inchisa, atunci armătura de sus a condensatorului va fi încărcată pozitiv, iar cea de jos – negativ. În acest caz toată energia comunicată sistemului este concentrată în condensator. Cheia este deconectata.

18. Categoriile surselor de radiaţie. Caracteristicile de bază. Tranziţiile radiative de bază în semiconductori. Diode luminescente pe baza joncţiunii p-n. Diode luminescente cu hetorojoncţiuni. Eficienţa cuantică şi metodele de optimizare a eficienţei cuantice. Materiale şi construcţii ale diodelor luminiscente. Dioda Baras şi dioda supraluminiscentă. Conexiunea diodei cu fibra optică.

Categoriile surselor de radiaţie. Caracteristicile de bază.

Sursele de radiaţie pot fi de două categorii:

- surse termice;- surse luminescente.

Radiaţia termică este generată de corpurile încălzite. Intensitatea radiaţiei termice şi distribuţia spectrală se determină după relaţia lui Planc, conform căreia:

1.energia totală a radiaţiei emise de un

corp în timp de 1s este ¿T 4;

2.λmax=b2⋅T−1

- lungimea de undă în maximumul spectrului de emisie,

unde b2 - constantă, iar

hν=1, 24 / λ .De regulă, sursele termice emit în domeniul infraroşu şi puţin în vizibil.

În optoelectronică se utilizează sursele luminescente (sau efectul luminescenţei reci). Aici energia necesară pentru apariţia luminescenţei poate fi transmisă corpului prin orice metodă, în afară de metoda termică.

Luminescenţa posedă următoarele forme:

fotoluminescenţă; bioluminescenţă; catodoluminescenţă; electroluminescenţă; etc.Luminescenţa are loc la temperatura camerei sau la temperaturi mai joase. Aici, radiaţia termică, practic, lipseşte şi toată radiaţia este cauzată de procesul de luminescenţă.

Definirea lui Vavilov: „Luminescenţa este radiaţia ne termină la temperaturi relativ joase, care are loc sub acţiunea factorilor externi şi după încetarea excitării externe, într-un timp mai mare ca perioada undei de lumină

t s≈10−14 s”.

Luminescenţa are loc pe baza recombinării electronilor cu cedarea energiei sub formă de fotoni.

Practic toate tranziţiile inverse ale electronilor în corpul solid (după cer electronul a căpătat o energie din exterior) pot fi urmate de emiterea cuanţilor de lumină.

Tranziţiile de bază în semiconductor:

1 – tranziţii „zonă – zonă” („bandă – bandă”);

2 – „zonă – zonă” cu participarea purtătorilor de sarcină fierbinţi;

3 – tranziţii „bandă – nivel acceptor”;

4 – tranziţii „nivel donor – banda de valenţă”;

5 – tranziţii „nivel donor – nivel acceptor”;

6 – tranziţii prin intermediul centrelor adânci;

7 – tranziţie interzonă (cu purtători fierbinţi).

Utilizând semiconductori cu

diferite valori ale Eg şi cu diferite

impurităţi se poate de obţinut radiaţie în tot spectrul vizibil şi infraroşu.

Însă, nu toate tranziţiile inverse sunt însoţite de emiterea cunaţilor de lumină. Se consideră material de perspectivă pentru confecţionarea surselor de lumină, materialul (semiconductorul) în care tranziţiile cu emiterea fotonilor prevalează asupra tranziţiilor ne iradiante.

- Impurităţile şi defectele ce participă la emiterea fotonilor se numesc centre de iradiere.

- Impurităţile şi defectele ce participă la recombinarea purtătorilor de sarcină fără generarea fotonilor, se numesc centre de stingere.

Raportul dintre numărul tranziţiilor iradiante (numărul fotonilor emişi) şi numărul electronilor ce au recombinat prin tranziţii se numeşte

eficienţă cuantică internă ηi .

Deoarece nu toţi fotonii generaţi pot ieşi din material (fenomene de reflexie internă, de reabsorbţie, etc) este introdus

parametrul eficienţă cuantică externă

ηe ce caracterizează emiţătorul real.

ηe=ηi⋅k0 ,

k 0 - coeficient ce reflectă procesele de reabsorbţie şi reflexie în cristal (pierderile optice interne).

DIODE LUMINESCENTE PE BAZA JONCŢIUNII p–n

Dioda luminescentă este cea mai utilizată sursă de radiaţie în optoelectronica modernă.

Dioda luminescentă – este o joncţiune p–n polarizată direct, încare electronii şi golurile recombinează iradiant (cu emiterea fotonilor) în regiunea de sarcină spaţială şi la o distanţă de la regiunea de sarcină spaţială egală cu lungimea de difuzie a

purtătorilor de sarcină (Ln ,

Lp ).

Polarizarea directă micşorează bariera de potenţial şi înlesneşte injecţia purtătorilor de sarcină dintr-un domeniu în altul.

Expresia matematică a caracteristicii volt-amperice (CVA) este:

I=I s (exp ( eU /kT )−1 )≈I s⋅expeUkT .

Fluxul de lumină iradiat, adică numărul fotonilor iradiaţi în 1s este:

Φ=ηiIq=ηi

I s

q⋅eeU /kT

.

Aici eficienţa cuantică internă este:

ηi=γ⋅G,

unde γ - coeficientul injecţiei (partea electronilor ce nimeresc în regiunea

„p”); G - partea tranziţiilor iradiante.

Dependenţa grafică a

ηi=f ( j ) este:

La valori mici ale curentului de injecţie, prevalează recombinaţia în stratul de sarcină spaţială, unde probabilitatea tranziţiilor iradiante este mai mică. Pentru densităţi mari ale

curentului ηi scade din cauza

încălzirii diodei luminescente.

Eficienţa cuantică externă

ηe=ηi⋅k0 tot timpul este mai mică ca eficienţa cuantică internă, din cauza pierderilor luminii la ieşirea ei din diodă. Cauzele sunt:

Reflexia internă totală; Reabsorbţia fotonilor

generaţi.

Din structură vor ieşi fotonii ce se propagă într-un unghi spaţial mai mic decât unghiul reflexiei interne

totale (θ ).

19. Generatoare cuantice de lumină. Tranziţii cuantice şi principiul de generare optică. Sisteme cuantice cu

trei şi patru nivele energetice. Schema – bloc a generatorului cuantic. Rezonatorul, funcţia rezonatorului, modele rezonatorului. Condiţie de apariţie a undei staţionare în rezonator. Tipuri de rezonatoare.

GENERATOARE CUANTICE – LASERI

Avem un mediu cu grosimea

d . Pe el cade un flux de lumină cu

intensitatea I 0 .

1. Dacă N2< N1 atunci

avem un mediu obişnuit (energia este absorbită):

I=I 0⋅e−kd;

2. Dacă N2> N1 atunci

avem un mediu activ (lumina este generată):

I=I 0⋅ekd. Astfel de

mediu se numeşte mediu cu populaţie inversată a purtătorilor de sarcină;

3. Dacă N2=N1 atunci

avem un mediu transparent.

Analizăm cazul 2 (

N2> N1 ):

hν21=E2−E1 ;

ν21=E2−E1

h ;

Dacă E2 şi

E1 sunt fixate absolut,

atunci Δν=0 şi radiaţia este absolut monocromatică.

În realitate nivelele

energetice E2 şi

E1 nu sunt fixate absolut, şi depind de temperatură. Deaceea şi

ΔE=E2−E1≠const.

Deci şi ν21≠const

, şi avem un interval de frecvenţe ale fotonilor

emişi Δν .

Din teoria oscilaţiilor se cunoaşte, că:

Δt⋅Δν=1 ,

unde Δt - timpul de emisie a

semnalului; Δν - banda frecvenţelor.

Dar: Δν=ΔE /h , şi, deci,

ΔE⋅Δt≈h - relaţia lui Heizemberg.

De aici reiese, că instabilitatea nivelelor energetice generează nedeterminalitatea timpului

de emisie Δt (de tranziţie a purtătorilor de sarcină).

Pentru radiaţia

monocromatică Δν=0 . Aceasta

are loc numai când ΔE=0 . Atunci

Δt=τ→∞ .

Cu alte cuvinte, timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină pe

nivelul E2 este infinit. Aceasta nu

este posibil, deci ΔE / Δt≠0 . Şi, deci, orice radiaţie nu este absolut monocromatică.

Δν este determinat de timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină pe nivelul superior.

După forma stratului activ (mediului activ) generatoarele cuantice se divizează în 4 tipuri:

Cu gaze; Pe corp solid; Cu lichide; Pe semiconductori.

1. În toate laserele elementul principal este formarea stării de populaţie inversată. Pentru formarea stării cu populaţie inversată sunt utilizate mai multe metode de pompare a structurii laser.

Cea mai răspândită metodă este metoda pompajului optic (utilizarea unui câmp electromagnetic suplimentar, cu frecvenţa ce coincide cu frecvenţa tranziţiilor electronice).

Metoda injecţiei purtătorilor de sarcină (polarizarea directă a joncţiunii p–n)

2. Formarea stării de rezonanţă optică. Cu alte cuvinte, asigurarea condiţiilor pentru propagarea multiplă a luminii prin structură, ceea ce provoacă recombinarea stimulată.

REZONATOR OPTIC

Rezonator al undelor electromagnetice se numeşte sistemul optic, format din două plane reflectoare (oglinzi), pe pereţii cărora unda electromagnetică, ce se propagă în interiorul acestui sistem, posedă componenta vectorului câmpului electric egală cu zero. În cazul a două oglinzi plane, rezonatorul se numeşte rezonator Fabri – Perot.

x

LxNx=1

Nx=3Nx=0

x

zy

Lx

Ly

Lz

zc

1

ZNZN

1

ZN... ...

x

y

(1,1)(0,1)(1,0)(Nx, Ny)=(0,0)

Ex

Undă staţionară de ordinulNx

Numărul de intersecţii a vectorului

câmpului electric cu axa N x ,

N y ,

N z , determină ordinul modei (a undei cu lungimea de undă stabilă).

Dacă N x=0

atunci moda este de ordinul zero, iar în caz dacă

N x=N z=1 atunci moda este de

ordinul 1 pe axele x şi z.

În dependenţă de ordinul modei undei electromagnetice, intensitatea radiaţiei optice în secţiune se repartizează în felul următor:

Să presupunem că în laser pereţii perpendiculari cu axa z sunt formaţi cu

proprietăţi de oglindă

semitransparentă. Pereţii semitransparenţi formează aşa-numitul rezonator Fabri – Perot.

În astfel de rezonatoare, condiţii stabile există numai pentru radiaţia cu

lungimea de undă λN z cu frecvenţa

νN z . Aceasta reiese din relaţiile undelor staţionare:

λNz

2 n⋅N z =L z

;

νN z= c

λN z .

unde n – coeficientul de refracţie a mediului de propagare a luminii;

λN z, ν N z - lungimea şi frecvenţa

undei staţionare în rezonator.

Câmpul electric ce reprezintă moda de

ordinul N z are forma:

Frecvenţele modelor longitudinale sunt aranjate pe axa frecvenţelor cu intervalul:

Δν z=c

2nLz .

Lărgimea spectrului la fiecare

frecvenţă Δν c depinde de pierderile

optice în rezonator, adică de absorbţie, disiparea luminii, de coeficientul de reflexie a luminii de la oglinzi.

Suma tuturor pierderilor este:

α tl=αl+1

2 Lz

ln1

R1 R2 ,

unde: α l - pierderile la absorbţie;

12 Lz

ln1

R1 R2 - pierderile cauzate de transparenţa oglinzilor rezonatorului.

Lărgimea spectrului se exprimă astfel:

Δν c =νN z

Q ,

unde Q este factorul de calitate, exprimat prin relaţia:

Q=2 πnνcα tl .

Factorul de calitate determină calitatea rezonatorului şi caracterizează pierderile lui.

20.Tipurile de bază ale generatoarelor optice. Construcţii şi caracteristici de bază a laserilor cu gaze şi corp solid. Diagramele

energetice ale laserilor cu gaze şi cu corp solid. Puterea de emisie şi categorii de pierderi în lasere cu corp solid. Aplicaţii ale laserelor cu gaze şi cu corp solid.

LASERI PE BAZĂ DE CORP SOLID

- În calitate de element activ se folosesc substanţa cristaline sau amorfe;

- Primele lasere au fost confecţionate pe baza rubinului sintetic;

- Un progres mare a fost apariţia laserelor din sticlă cu neodim (simplu şi ieftin).

Aici generarea luminii are loc datorită folosirii tranziţiilor electronice dintre nivelele energetice ale atomilor (ionilor) elementelor „pământuri rare” şi metalelor, introduşi în cristale sub formă de impurităţi în materialul activ. Factorul excitant, care formează starea de populaţie inversată este un flux puternic de lumină. Elementele active sunt: rubin (

λ=0 ,69 μm ), sticlă cu neodim (

λ=1 ,06 μm ), aluminiu-itriu-granat

(λ=1 ,06 μm ). Elementele pentru pompaj optic (elementele excitante) sunt folosite becurile optice cu impuls sau continue, cu un spectru de emisie ce acoperă spectrul de absorbţie al elementului activ.

Pentru a primi putere mare în impuls scurt cu o mică frecvenţă se folosesc lasere din sticlă cu neodim. Aici frecvenţa impulsurilor este mică (milisecunde) din cauza conductibilităţii termice mici a sticlei. O frecvenţă mai mare şi o putere medie mai mare poate fi obţinută utilizând rubinul, care are o conductibilitate termică foarte bună. Dacă este necesară o mică putere de consum, frecvenţe foarte înalte şi gabarite mici atunci se utilizează granat cu Al şi Y. Aici obţinem o eficienţă de conversie mult mai mare.

1. Element activ:

Al2 O3 : Cr3+;

Y 3 Al3 O12 + neodim; sticlă + neodim.

2. Lampa de pompaj: Lămpi cu

He . Spectrul de emisie al

lămpilor cu He este mult mai larg. Se foloseşte numai 30% din spectru. Cealaltă energie încălzeşte fără folos laserul.

3. Reflector: Pentru focusarea luminii lămpii de pompaj. Se folosesc suprafeţe plane sau curbe acoperite cu Ag, Au. Se mai folosesc pelicule interferenţiale ce reflectă selectiv numai lumina absorbită de elementul activ.

4. Rezonator: Plane sau sferice cu o rază de curbură mare.

5. Blocul de alimentare al lămpii de pompaj.

6,7 Sistemă de răcire: Pe bază de

apă (H2 O

) sau alt agent cu o capacitate termică înaltă.

8. Element de reglare.

CARACTERISTICILE DE BAZĂ

Puterea de emisie; Ordinul coerenţei

luminii emise; Directivitatea; Coeficientul de calitate.

Q=ω⋅Eacumulat

Epierdut ,

unde Eacumulat - energia acumulată în

rezonator; E pierdut - energia pierdută

într-o unitate de timp; ω - frecvenţa oscilaţiilor în rezonator.

Q≈2 πλ

⋅La ,

unde L - lungimea rezonatorului, iar

a=1−R1

R2 - pierderile la reflexie.

REGIMURILE DE LUCRU ALE LASERILOR PE CORP SOLID

Depind de metoda de pompaj şi de metoda de reglare cu pierderile în rezonator.

Utilizând metoda de impulsuri pentru pompajul optic, laserul generează în regim liber, în regim cu modularea calităţii şi în regim de sincronizare a modelor.

1. Regimul liber de generare:Aici impulsurile de lumină

coerent se încep în momentul depăşirii pragului de generare şi durează tot timpul impulsului de pompaj cât nivelul de pompaj este mai mare ca cel de generare.

τ≈10 μs .. . 1 μs . Impulsul de lumină generat posedă un front lung de creştere şi o formă complicată a impulsului. Se utilizează atunci când avem nevoie de mari puteri optice.

2. Regim de modulare a calităţii:

Se utilizează pentru a primi impulsuri de lumină cu o durată mică –

(10 .. . 15 ns ) şi cu un front abrupt. Acest regim este asigurat introducând între oglinda rezonatorului (

R1=100%) şi elementul activ un

opturator optic, care în intervalul de timp „începutul impulsului de excitare (de pompaj) – momentul realizării stării de inversie maxime” introduce în rezonator mari pierderi optice. Deci, aici are loc modularea coeficientului de transparenţă al rezonatorului.

În dependenţă de metoda de dirijare cu coeficientul de transparenţă (pierderile optice) în rezonator există câteva tipuri de comutatoare a calităţii rezonatorului:

Comutator de calitate opto-mecanic (CCOM);

Comutatoare de calitate pasive sau fototrope (CCP) – cere îşi schimbă transparenţa sub acţiunea luminii;

Comutatoare de calitate electro-optice (CCEO);

Comutatoare de calitate acusto-optice.

PRINCIPIILE DE FUNCŢIONARE A COMUTATOARELOR DE

CALITATE

Comutatoarele de calitate trebuie să fie absolut transparente în stare deschisă şi să introducă pierderi maxime în rezonator în stare închisă.

Parametrii comutatoarelor de calitate:

% de pierderi în stare deschisă;

% de pierderi în stare închisă;

timpul de comutare.

Comutatoare de calitate optico-mecanice(CCOM):

1 – prismă cu reflexie internă totală. Se

roteşte cu o viteză de ~ 60000 turaţii pe minută. Frecvenţa de lucru

f ~1 kHz ; 2 – element activ; 3 – oglindă semitransparentă.

Comutatoare de calitate pasive sau fototrope (CCP):

1 – element activ; 2 – coloranţi organici. Efectul se bazează pe schimbarea bruscă a coeficientului de transparenţă după absorbirea unei cantităţi de energie optică.

Comutatoare de calitate electro-optice (CCEO):

1 – element Pockels (electro-optic); 2 – analizator.

În dependenţă de tensiunea aplicată elementului Pockels se schimbă vectorul de polarizare al undei de lumină. Când vectorii de

polarizarea ai elementului Pockels şi al analizatorului coincid, coeficientul de transparenţă al rezonatorului se schimbă brusc, deci, creşte brusc coeficientul de calitate al rezonatorului.

Comutatoare de calitate acusto-optice (CCAO):

Utilizat pentru frecvenţe mai

mari ca 1 .. .2kHz .

Aici se utilizează un element acusto-optic. Lumina ce cade sub unghiul Brag faţă de reţeaua de difracţie formată de ultrasunet se abate sub un unghi dublu, dacă se îndeplineşte condiţia:

πlλΛ

>>1,

unde l - lungimea cristalului; λ - lungimea de undă a undei ultrasunet.

Regimul de sincronizare a modelor: se foloseşte un piezoelement

pe oglinda R=100 % , deci se

schimbă lungimea rezonatorului Lz .

LASERI PE GAZE. CONSTRUCŢIA ŞI PARAMETRII

- Emite lumină de culoare roşie

λ=633nm ;

- Lungimea rezonatorului

Lz=20 cm;

- Tubul subţire are

lungimea 10 cm şi

diametrul 1cm ;- Tensiunea parţială a

gazului 0,4 kPa ;- Tensiunea electrică

aplicată 1 .. .3 kV ;- Curentul ce apare în

tub ~ 5mA ;- Dimensiuni mici,

zgomot mic; utilizat în telemetrie.

Deoarece nivelele energetice superioare sunt îndepărtate mult de la cel de bază, inversia de populaţie apare între nivele superioare. Generarea

luminii are loc cu E≈1 , 95 eV sau

λ=633nm .

La sfârşitul tubului cu He:Ne sunt încleiate două sticle poleite sub un

unghi θb=tgnb

−1

numit unghiul

Brewster, unde nb - indicele de

refracţie aş sticlei. Sub un astfel de unghi de reflexie, doar radiaţia polarizată liniar poate ieşi în exterior, deci pentru ea, coeficientul de reflexie este zero. Astfel este generată numai lumina liniar polarizată.

Oglinzile R1 şi

R2 formează rezonatorul Fabry-Perout.

Coeficienţii R1=R2=90%

.

Deoarece nivelul energetic de bază este relativ departe de cele superioare, absorbţia luminii în He şi

Ne lipseşte, deci α tl=0

. Lipsa pierderilor optice provoacă generarea luminii chiar dacă coeficientul de

amplificare gth este mic. Sunt

generate 2 – 3 mode longitudinale.

Puterea laserului cu

He:Ne 0,1 .. . 5mW ;

Eficienţa

Poptic / Pspectru=0 ,01 %;

Unghiul de disipare a luminii

θ=√ 2 λπ⋅Lz

=2 mrad

; Raza spotului de

lumină, adică distanţa de la centru până la punctul unde amplitudinea vectorului câmpului

electric constituie 1/e de la mărimea lui în centru,

ωs=√ Lz⋅λ /π=0 ,15 mm.

Dacă pe oglinda rezonatorului este încleiat un element piezoelectric, atunci, prin intermediul lui, este modulată frecvenţa laserului (ci nu a luminii). Frecvenţa maximă de

modulare este 100 kHz .

Lărgimea spectrului luminii

laser Δν laser depinde de fluctuaţiile

radiaţiei spontane, de factorul de calitate al rezonatorului.

Δν laser=2π (Δν c )2

P⋅hν⋅

N a

( Na−Nd )th - relaţia Şavlov–Taunas,

unde Δν c - lărgimea spectrului

luminii spontane; P - puterea luminii.

21. Lasere pe bază semiconductorilor. Crearea inversiei de populaţie în laserul semiconductor. Lasere semiconductoare pe bază homo – şi heterojoncţiunilor. Laserul cu

structura unidimensională şi bidimensională. Curentul de prag laserului semiconductor. Dirijarea cu modele transversale şi longitudinale ale laserului. Laserul cu contactul în formă de bandă.

LASERI PE SEMICONDUCTORI

Se utilizează următoarele materiale semiconductoare:

Intervalul de lungimi de undă ale radiaţiei laserului

Rezonatorul Fabry – Perout este creat prin aşchierea cristalului din ambele părţi. Structura laserului este cu mai multe straturi. Stratul activ se

găseşte între alte două straturi cu coeficient de refracţie mai mic.

- Lungimea rezonatorului

Lz=300 μm;

- Grosimea stratului activ

d=0,1 μm ;- Lăţimea stratului activ

W =2 μm ;- Coeficientul de reflexie al

oglinzilor R=0,2 ,

R1=R2=( n−1n+1 )

2

,

unde n - coeficientul de refracţie al stratului activ.

Pentru GaAs: n=3,5 ;

R1=R2=30%. Atunci

α tl=50 cm−1.

- Factorul de calitate

Q=5,6⋅103;

- Curentul de prag

I th=1. .. 2 kA /cm2.

-λN z

=0 ,85 μm;

Δλ Nz=0 , 34nm

.

Spectrul de amplificare al diodei laser pe semiconductori este de

100 ori mai larg ca lărgimea unei

mode. Deci sunt amplificate ~ 100 mode longitudinale.

REGLAREA CU NUMĂRUL DE MODE

Reglarea cu modele transversale.

Din cauza generării modelor transversale se măreşte valoarea curentului de prag, apare o instabilitate în diagrama directivităţii, se înrăutăţeşte caracteristica de modulare. De aceea, este necesar de a lichida aceste mode, sau de ignorat numai modele de ordin mic.

Aceasta se efectuează constructiv. Sunt micşorate gabaritele secţiunii transversale ale laserului. Dacă stratul activ posedă coeficientul

de refracţie n1 , straturile vecine -

n2 , iar diferenţa lor relativă este:

Δ=n1−n2

2=0 , 08

,

atunci pentru a excita o singură modă transversală sunt necesare condiţiile:

d<0 , 45μm ; W <0 , 45 μm . Este uşor de primit

d=0,1. .. 0,2 μm , însă, a primi

W =0 , 45 μm ste destul de

complicat. Ca regulă W≈2 μm .

Pentru a rezolva problema dată a fost inventat un ghid de unde cu efect de refracţie.

Esenţa: ghidul de unde posedă o diferenţă a coeficientului de refracţie în ambele direcţii (X şi Y).

Cristalizare dublă şi izolarea stratului activ

Efectuate prin epitaxie selectivă

În astfel de construcţii modele transversale sunt absorbite, iar unda longitudinală poartă caracter unimod.

Reglarea cu modele longitudinale.

Exploatând dioda laser a fost observat următorul efect. În timpul modulării emisiei laser are loc trecerea de la o modă la alta instantaneu. Deci,

este necesar de a forma un rezonator, care, spre deosebire de rezonatorul Fabry – Perout, posedă pierderi mici numai pentru o singură modă longitudinală.

Deci se foloseşte o structură cu legătură inversă distribuită.

Aici, în ghidul de unde este formată o reţea de difracţie. Lungimea de undă pentru care coeficientul de reflexie va fi maximal este:

λ=λB±δλ1 ,

unde λB - lungimea de undă Brag;

λB=2nΛ /m,

unde Λ - perioada reţelei de difracţie;

m - număr întreg ce reflectă ordinul

difracţiei; δλ1 - constantă ce

caracterizează adâncimea reţelei, lungimea rezonatorului etc.

Se mai utilizează şi structuri ale diodelor laser cu reflector Brag.

Aici, reţeaua de difracţie Brag se formează de o parte a stratului activ sau pe ambele părţi. Materialul reţelei este diferit de materialul stratului activ. Aici este generată doar o singură modă, chiar şi în regim de modulare la frecvenţe înalte. Astfel de lasere se formează din soluţii solide de

InGaAsP. Lungimea de undă a luminii

generate este λ=1,3 .. . 1,6 μm .

Pentru sistemul GaAs–AlGaAs este necesară o reţea de

difracţie cu o perioadă ( Λ ) mult mia mică, ceea ce este destul de dificil de efectuat. În afară de aceasta, prezenţa Al complică tehnologia confecţionării (el se oxidează).

CARCATERISTICILE DIODELOR LASER ŞI A LUMINII EMISE

1. Puterea luminii emise şi eficienţa cuantică.

2. Curentul de prag depinde de eficienţa cuantică internă, pierderile optice în rezonator, grosimea şi lăţimea stratului activ etc. Valoarea lui minimă pentru generare în continuu este

~ 2,5 mA (teoretic). Practic, pentru laserii pe bază de AlGaAs el

constituie 10−30 mA .3. Puterea luminii în regim

continuu şi la temperatura camerei constituie

1 .. .10mW . În cele mai bune lasere pe baza soluţiilor solide AlGaAs

P=200 mW .

4. Eficienţa cuantică:

η=Po /Pemis≤60 %.

Eficienţa diferenţială este raportul numărului de cuante de lumină la creşterea numărului de electroni injectaţi este

40 . .. 60 % . Pentru frecvenţa curentului de modulare

f ≤10 MHz predomină efectul de temperatură. Pentru

f ≥10 MHz predomină efectul purtătorilor de sarcină, deci, efecte de rezonanţă şi relaxare.

5. Caracteristicile de temperaturăToate caracteristicile

laserului depind mult de temperatură. Cu mărirea

temperaturii (T ) se măreşte

curentul de prag I th , se

micşorează eficienţa cuantică diferenţială.

I th =I th (S )⋅exp [ (T−T S )/T 0],

unde I th (S )

- curentul de prag pentru temperatura

etalon; T 0 - constantă,

caracteristică pentru materialul laserului şi se numeşte temperatură caracteristică.

Pentru GaAs

T 0=120. . .150 K, iar

pentru InGaAsP

T 0=50. . .70 K.

23. Clasificarea dectorilor de lumină. Caracteristici de bază şi parametrii detectorilor foto. Tipurile fotodetectoarelor semiconductoare (fotorezistor, fotodiodă, fototranzistor).

Detectorii de radiaţii electromagnetice se pot clasifica după mai multe criterii.

Astfel, după modul în care este procesată informaţia primită prin intermediul radiaţiei, detectorii sunt de două feluri:

detectori cu răspuns incoerent, la care, în procesul de detecţie se pierde informaţia asupra fazei şi frecvenţei radiaţiei detectate;

detectori cu răspuns coerent, la care, în procesul de detecţie, informaţia asupra fazei şi frecvenţei radiaţiei detectate se păstrează.

Un alt criteriu de clasificare este cel al mecanismului de interacţie a radiaţiei cu substanţa, conform căruia detectorii se clasifică în:

detectori fotonici, în care fotonii interacţionează direct cu electronii din material, producându-se diferite efecte fotonice;

detectori termici, în care radiaţia produce încălzirea materialului detectorului; din această categorie fac parte termistorul, bolometrul, detectorul piroelectric, detectorul termoelectric, detectorul piromagnetic şi altele;

detectori pe bază de interacţie de undă; din această categorie fac parte detectorul heterodină, care, funcţionând pe principiul heterodinării converteşte unda incidentă într-o alta, cu frecvenţă mai joasă, în domeniul radio sau microunde şi amplificatorul parametric în care sunt mixate două radiaţii coerente, rezultând o radiaţie cu frecvenţa egală cu suma sau diferenţa frecvenţelor celor două radiaţii iniţiale.

Primele două categorii sunt detectori cu răspuns incoerent, în timp ce a treia categorie reprezintă detectori cu răspuns coerent.

În ceea ce priveşte efectele fotonice, pe baza cărora funcţionează prima categorie de detectori, ele constau în interacţiuni directe ale radiaţiei (fotonilor) cu electronii materialului, ele putând fi interne, când electronii excitaţi rămân in interiorul materialului sau externe, când aceştia sunt emişi în exterior.

Efectele fotonice interne, care pot avea loc în semiconductori, se pot clasifica, la rândul lor, în trei categorii:

generare de purtători de neechilibru, caz în care pot fi generaţi purtători de sarcină electrică liberi, de nechilibru, prin procese asemănătoare cu cele de generare termică. Ca urmare a acestor procese, se produc două efecte care sunt: fotoconductivitatea intrinsecă sau extrinsecă (creşterea conductivităţii sub acţiunea radiaţiilor) şi efectul fotovoltaic (apariţia unei tensiuni fotoelectrice datorită unui câmp electric intern care separă perechile de electron-gol generate de radiaţie)

interacţiunea fotonilor incidenţi cu purtătorii liberi

interacţii localizate (sub acţiunea radiaţiei incidente, electronii sunt excitaţi pe stări energetice localizate), aşa cum este cazul proceselor care au loc în luminofori, filme fotografice şi detectori cuantici în infraroşu.

1.1.1. Fotorezistori

Fotorezistorul este un dispozitiv semiconductor a cărui rezistenţă electrică se modifică sub acţiunea radiaţiei electromagnetice incidente. El poate fi construit din semiconductor intrinsec sau extrinsec şi funcţionează pe baza fenomenului de generare optică ce duce, aşa cum s-a văzut, la modificarea conductivităţii materialului şi deci a rezistenţei sale.

Structura unui astfel de dispozitiv este prezentată în figura 2.2.

Fig. 6. 1 – Structura unui fotorezistor

În scurtcircuit, iluminat cu o radiaţie incidentă având fluxul , fotorezistorul este străbătut de un curent:

(6. 1)

unde A este aria suprafeţei fotorezistorului, randamentul cuantic, fluxul de radiaţie incidentă. şi a coeficientul de amplificare al fotorezistorului. Acesta din urmă, se defineşte ca raportul dintre numărul purtătorilor de sarcină electrică liberi din circuitul exterior şi cel al purtătorilor generaţi de radiaţie sau ca raportul dintre timpul de viaţă, , al purtătorilor (majoritari) şi timpul de tranzit, tT al acestora între electrozii fotorezistorului:

a =

(6. 2)

unde ℓ este distanţa dintre electrozi şi V este diferenţa de potenţial dintre aceştia.

Pentru cazul când radiaţia incidentă este modulată, curentul de scurtcircuit este dat de relaţia:

I sc ( ν )=I sc (0 )

√1+4 π2 ν2 τ2

(6. 3)

unde este frecvenţa de modulare.

Frecvenţa 0 = 1/2 , la care curentul de scurtcircuit scade de

ori din valoarea Isc(0) reprezintă frecvenţa de tăiere a fotorezistorului.

Se poate constata că produsul 0 este o constantă a dispozitivului pentru o tensiune de polarizare dată, ceea ce înseamnă că, la creşterea coeficientului de amplificare, scade frecvenţa de tăiere şi invers.

O caracteristică foarte importantă a unui fotorezistor este curba spectrală de răspuns, R = R(), în funcţie de care se stabileşte domeniul de utilizare a dispozitivului respectiv. De asemenea, raportul 0 este o mărime caracteristică ce ne arată sensibilitatea dispozitivului la acţiunea radiaţiei incidente.

Cele mai utilizate materiale pentru construirea de fotorezistori sunt sulfurile, selenurile şi telurile unor elemente, ca şi compuşi de tipul A3B5; astfel, , pentru vizibil şi ultravioletul apropiat, cele mai utilizate materiale sunt: CdS, CdSe, Tl2S iar pentru infraroşu: PbS, PbSe, PbTe, InSb.

Aplicaţia de bază a fotorezistorilor este cea de convertor optoelectric.

1.1.2. Fotodiode. Fotoelemente

Sub acţiunea radiaţiei electromagnetice incidente, în semiconductor are loc generarea unor purtători de neechilibru care, într-o joncţiune p-n determină apariţia unui curent suplimentar faţă de curentul de polarizare, numit fotocurent, de intensitate IL, dată de o expresie de forma:

IL =

(6. 4)

unde e este sarcina electrică elementară, eficienţa cuantică (numărul de purtători generaţi de un foton absorbit), h constanta Planck, fluxul radiaţiei incidente şi frecvenţa acesteia, mai mare sau cel puţin egală cu frecvenţa de prag.

În aceste condiţii, curentul electric total prin diodă are expresia:

I=I s⋅(eeVkT −1)−IL

(6. 5)

Se poate constata că, în scurtcircuit (fără polarizare exterioară, V = 0), prin diodă circulă un curent egal cu fotocurentul, I = IL. Un astfel de dispozitiv, posedând o joncţiune p - n sensibilă la radiaţia electromagnetică, se numeşte fotodiodă.

De obicei, fotodioda se foloseşte în circuite electronice ca traductor optic, permiţând comanda curentului electric din circuit prin intermediul unui flux luminos, aşa cum se poate vedea în figura 2.3.a. Ea se mai poate folosi şi în circuite de măsurare a mărimilor fotometrice (fotometre, luxmetre, exponometre), caz în care la bornele fotodiodei se leagă un galvanometru (figura 6.2.b) ce măsoară direct fotocurentul proporţional cu fluxul incident şi, deci cu iluminarea. Puterea debitată de o fotodiodă este mică.

Fig. 6. 2 – Scheme de utilizare a fotodiodei: traductor optic (a); detector pentru măsurarea unor mărimi fotometrice (b)

Dacă joncţiunea fotosensibilă este în circuit deschis (I = 0), atunci se constată că, sub acţiunea radiaţiei electromagnetice, la bornele acesteia apare o tensiune electromotoare, VL, având expresia:

V L=kTe

⋅(1+I L

I s)

(6. 6)

În acest caz, dispozitivul se numeşte fotoelement, celulă fotovoltaică sau celulă solară, reprezentând o sursă de tensiune electromotoare ce converteşte direct energia luminoasă în energie electrică. Pentru o eficienţă cât mai mare, fotoelementele trebuie să aibă o suprafaţă de recepţie a luminii cât mai mare (mult mai mare decât cea a unei fotodiode). Puterea debitată în mod obişnuit de un fotoelement este de

ordinul a 10-2 W iar randamentul de conversie (raportul dintre puterea electrică disipată şi fluxul energetic incident) atinge 21% utilizând GaAs, 18% utilizând Si şi 10 % pentru CdS.

Caracteristica curent-tensiune a unei joncţiuni p – n fotosensibile este reprezentată în figura 6.3, la diferite valori ale fluxului radiaţiei incidente. La valoarea = 0, caracteristica este cea a unei diode semiconductoare obişnuite. Cum sensul fotocurentului IL este invers curentului de difuzie caracteristic unei diode polarizate direct, curentul invers prin fotodiodă creşte odată cu creşterea fluxului radiaţiei incidente. Cadranul III corespunde regimului de fotodiodă,

reprezentând funcţionarea dispozitivului la polarizare inversă, în timp ce cadranul IV corespunde regimului de fotoelement.

Fig. 6. 3 – Caracteristica curent-tensiune a unei joncţiuni p-n fotosensibile

Evident, atât fotodiodele cât şi fotoelementele trebuie construite în capsule transparente în domeniul spectral al radiaţiei electromagnetice la care ele funcţionează. Construcţia trebuie să asigure ca marea majoritate a fotonilor radiaţiei incidente să ajungă în regiunea joncţiunii p – n.

Caracteristicile primare ale unei fotodiode sunt răspunsul, curentul la întuneric şi banda de trecere. Răspunsul este dat de raportul dintre fotocurentul IL şi puterea optică incidentă, P0. Fotocurentul maxim într-o fotodiodă este date de:

IL max =

(6. 7)

unde P0 este puterea optică incidentă.

Acest fotocurent maxim se obţine când fiecare foton incident creează o pereche electron-gol, care contribuie la fotocurent. Fotocurentul

în prezenţa unei reflecţii R la suprafaţa fotodiodei şi a unei absorbţii pe grosimea d în materialul cu un coeficient de absorbţie este dat de:

IL =

(6. 8)

Fotocurentul este redus şi mai mult dacă perechile electron-gol fotogenerate se recombină în fotodiodă în loc să ajungă în regiunile unde aceşti purtători sunt majoritari.

Curentul la întuneric este curentul prin diodă în absenţa luminii. În mod evident, el limitează puterea minimă detectată de fotodiodă, deoarece un fotocurent mult mai mic decât curentul de întuneric este dificil de măsurat. Totuşi, adevărata limitare este dată de zgomotul de alice, generat de curentul prin diodă (relaţia 6.17).

1.1.3. Fototranzistori

Fototranzistorul este un dispozitiv asemănător cu tranzistorul bipolar, realizat din Si, Ge sau GaAs, a cărui comandă se realizează pe cale optică, de către un flux luminos ce cade pe regiunea bazei.

Fototranzistorul funcţionează (de regulă) cu baza în gol şi este încapsulat într-o capsulă prevăzută cu o fereastră care permite iluminarea bazei de către radiaţia incidentă.

Fototranzistorul are simbolul specificat în fig. 6.11.a. Caracteristicile IC – VCE ale fototranzistorului sunt date în fig. 6.11.b. Curentul prin fototranzistor creşte cu iluminarea, ca rezultat al generării de perechi electron-gol, ca urmare a energiei primite din exterior.

Fig. 6. 11 – a) - simbolul fototranzistorului; b) - caracteristica

fototranzistorului

Aceste dispozitive au o sensibilitate mai mare, datorită amplificării, având însă un curent de întuneric mult mai mare decât al unei fotodiode.

25. Fotodiode pentru sisteme de comunicaţii cu fibre optice. Fotodioda p-i-n. Construcţia, diagrama energetică, distribuţia câmpului electric în fotodioda p-i-n. Eficienţa cuantică. Schema de conectare. Dioda cu multiplicare în avalanşă. Construcţii şi distribuţia

câmpului în FDMA.

1.1.4. Fotodiode p-i-n

Dezavantajul principal al fotodiodelor p-n constă în faptul că absorbţia are loc numai în stratul de baraj, care este foarte subţire.

Figura 6.8.a prezintă schematic structura unei fotodiode p-i-n, care are o regiune puternic dopată de semiconductor de tip p, o regiune largă intrinsecă (i) şi o regiune puternic dopată de tip n. Stratul intrinsec este mult mai gros decât regiunile p şi n, de obicei grosimea sa fiind de 5 ÷ 50 µm.

Figurile 6.8.b şi 6.8.c prezintă densitatea de sarcină spaţială netă şi câmpul electric intern de-a lungul dispozitivului. În stratul i-Si apare un câmp electric intern uniform, E0, orientat de la ionii donori pozitivi în regiunea n la ionii negativi acceptori din regiunea p (figura 6.8.c). În mod obişnuit, detectorul p-i-n este polarizat invers (figura 6.8.d). Tensiunea aplicată cade pe regiunea rezistivă intrinsecă şi determină creşterea câmpului electric intern la valoarea E = E0 + V/w, unde w este lărgimea regiunii intrinseci.

Când un foton cu energia mai mare decât lărgimea benzii interzise, Eg, cade pe joncţiune, el este absorbit în regiunea intrinsecă (regiunea p este foarte subţire) şi generează o pereche electron liber-gol. De obicei, energia fotonului este astfel încât fotogenerarea are loc în stratul intrinsec. Câmpul electric separă electronii şi golurile şi îi conduce în sensuri opuse până când ajung în regiunile neutre (figura 6.8.d). Această deplasare generează un fotocurent If în circuitul exterior, acesta reprezentând semnalul electric. Structura fotodiodei p-i-n prezentată în figura 6.8.a este, desigur, idealizată. În realitate, stratul i-Si are o oarecare dopare. De

exemplu, dacă acest strat are o slabă dopare de tip n, el este notat ca fiind stratul , iar structura este de tip p+n+. Stratul devine astfel un strat de sărăcire cu o mică concentraţie de donori pozitivi. În acest caz, câmpul intern nu este uniform de-a lungul structurii fotodiodei. El este maxim la joncţiunea p+ şi scade lent în stratul -Si, pentru a atinge un minim la stratul n+. Cu o bună aproximaţie, se poate totuşi considera stratul -Si ca un strat i-Si.

Fotodiodele p-i-n au un număr de avantaje clare faţă de fotodiodele p-n obişnuite. Având o regiune de sărăcire mai largă, ele au o eficienţă cuantică mai bună. Capacitatea regiunii de sărăcire este mult mai mică decât cea a joncţiunii p-n şi relativ independentă de tensiunea de polarizare inversă. În consecinţă constanta de timp RC asociată cu capacitatea regiunii de sărăcire C este mică dacă rezistenţa externă R în figura 6.8.d este mică. În plus, pe dioda p-i-n pot fi aplicate tensiuni de polarizare inversă mai mari decât pe joncţiunea p-n fără a se produce străpungerea. Viteza unei fotodiode p-i-n este în mod normal limitată de timpul de tranzit al celor mai lenţi purtători de sarcină fotogeneraţi. Ea creşte cu tensiunea de polarizare inversă până când viteza de drift a purtătorilor se saturează.

Fotodioda p-i-n este probabil unul dintre cei mai populari fotodetectori utilizaţi în aplicaţiile optoelectronice, datorită vitezei de lucru mari şi a răspunsului bun.

Fig. 6. 8 – a) - schema structurii unei fotodiode p-i-n ideale; b) - densitatea de sarcină spaţială netă în fotodiodă; c) - câmpul electric intern în fotodiodă; d) - fotodioda p-i-n polarizată invers pentru fotodetecţie

ex 1 spora

Documents

Transcript of ex 1 spora