1

MODULUL 5: CIRCUITE ELECTRONICE DE BAZA IN ELECTRONICA DIGITALA

A. DISPOZITIVE ELECTRONICE DE BAZA

NOŢIUNI DE ELECTRONICA CORPULUI SOLID

1. Emisia electronică. Conductibilitatea intrinsecă şi extrinsecă. Tehnologii de dopare (dotare)

Din punct de vedere al conducţiei curentului electric corpurile solide se împart în:

- conductoare (reprezentate prin metale) având ;10 3 cmΩ< −ρ - semiconductoare cu ;1010 103 cmcm Ω<<Ω− ρ - izolatoare cu cmΩ> 1010ρ

Pentru a explica mecanismul diferit al conducţiei electrice prin cele trei categorii de

materiale trebuie să apelăm la teoria atomică a structurii materiei. Într-o imagine simplificată atomul este un complex material format dintr-o serie de

particole elementare: un nucleu în jurul cărora gravitează pe diverse orbite (straturi) electronii. Pe fiecare orbită (strat) există un anumit număr de e- plasaţi pe diverse straturi. Fiecărui strat electronic dintr-un atom îi corespunde o valoare a energiei pe care o vor avea obligatoriu toţi electronii situaţi pe acest strat.

• Electronii aflaţi pe straturile ultimei orbite a atomilor se numesc electroni de valenţă.

Metalele şi semiconductoarele au o structură microcristalină.

Legătura metalică. Legătura covalentă Conductibilitatea semiconductoarelor, spre deosebire de cea a conductoarelor este

puternic dependentă de temperatură, iluminare şi de dotarea cu impurităţi. Mişcarea de agitaţie termică sau aportul de temperatură sau iluminarea poate comunica

energie suficienţa electronilor de valenţă pentru a ieşi din legatură. Există deci posibilitatea ca să avem e- liberi ce pot servi – sub acţiunea câmpului electric – la conducţia curentului electric prin semiconductoare. Plecarea unui e- orbital al unui atom creează un deficit, numit “gol” şi echivalează cu o particulă elementară fictivă cu sarcina pozitivă. Captarea unui e- de la un atom vecin va creea un alt gol prin plecarea sa, determinand deplasarea unei sarcini pozitive.

Curentul electric e determinat atât de e- liberi cât şi de golurile +.

2

În semiconductorul pur, aparţina e- prin ruperea legaturilor covalente corespunde apariţiei simultane a unui gol. Conductibilitatea va fi realizată de un număr egal de e- şi goluri şi este denumită conductibilitate intrinsecă.

Materialele semiconductoare de bază sunt germaniu (Ge) şi siliciu (Si), elemente situate în grupa a IV a tabelului periodic a lui Mendeleev.

Experienţa arată că introducerea într-o reţea cristalină de semiconductor pur a unei cantităţi foarte mici de atomi străini – dopare (dotare) cu impurităţi – va modifica substanţial conductibilitatea semiconductorului în sensul creşterii puternice a acesteia. Vom deosebi însă 2 cazuri:

a) Impurificarea cu elemente pentavalente crează un exces de sarcini -, deci purtătorii majoritari de sarcină vor fi e- iar golurile purtătorii minoritari: semiconductorul se va numi de tip n iar impurităţile, impurităţi donoare

b) Impurificarea cu elemente tetravalente conduce la apariţia unei sarcini + necompensate prin legătura covalentă, deci a unui gol: vor apare astfel purtători de sarcină + în exces în raport cu cele – (golurile sunt purtători majoritari iar e- minoritari), semiconductorul fiind de tip p iar impuritatea numindu-se impuritate acceptoare.

De exemplu: la tipul n: la 107 atomi Si – 1 atom donor.

la tipul p: la 106 atomi Si – 1 atom acceptor. - dopare puternică:

De exemplu: la tipul n si p: la 104 atomi de Si – 1 atom donor, respectiv 1 atom acceptor. O dopare mai puternică sau mai slabă se reflectă în valoarea rezistivităţii. De exemplu:

- la tipul n: ρ variază de la 5 Ω cm la doparea normală la 0,03 Ω cm în cazul dopării puternice.

- La tipul p: de la 2 Ω cm la doparea normală la 0,05 Ω cm la doparea puternică.

• Unele dispozitive electronice se bazează pe posibilităţile de scoatere din metal a e- adică să avem o emisie de e-. Emisia electronică

Emisia electronică poate fi de mai multe feluri:

a) Termoelectronica; b) Fotoelectronica; c) Emisia secundară; d) Emisia autoelectronică.

2. Joncţiunea p-n

Să considerăm acum o joncţiune p-n adică un semiconductor eterogen în care o regiune

este de tipul n şi alta de tipul p. Ea apare ori de câte ori concentraţia de impurităţi se schimbă pe o distanţă suficient de mică de la o majoritate de impurităţi. Donoare la una acceptoare.

3

• Să considerăm mai întâi această joncţiune în condiţii de echilibru termic.

p n

x

x

x

x

x

- NA

U0

Jonctiune

Zona (regiunea) detrecere (difuzie) ND Concentratia neta de impuritati

-

n Concentratia de e-

x+

p Concentratia de goluri

+

Distributia sarcinii spatiale curepartitia densitatii de volum ρ = f(x)

ρ

E Camp electric

ϕ Potentialul electrostatic

+

Jonctiunea pn in echilibru termic

• Să considerăm acum joncţiunea pn că este scoasă din starea de echilibru anterioară. Vom

considera două situaţii: a) Dacă se execută conexiunea sursei cu + la zona n şi – la p, ceea ce numim

polarizare inversă, bariera de potenţial creşte. În acest fel purtătorii majoritari de sarcină nu vor mai putea trece prin joncţiune. Va apare un curent foarte mic pe seama purtătorilor minoritari.

b) La polarizarea directă bariera de potenţial scade. Ca atare numărul golurilor şi e- care trec din p în n, respectiv din n în p creşte cu creşterea lui Au .

4

p n

iA > 0 UA

+ -

UA

p n

iA < 0 UA

+-

UA

U0

UA

iA

a) b)

Jonctiunea pn in afara echilibrului termic

Experienţa arată că joncţiunea pn are o caracteristică statică curent- tensiune neliniară. Creşterea rapidă a curentului cu tensiune în polarizarea directă rezultă din existenţa numărului mare de purtători majoritari de sarcină capabili să treacă peste bariera de potenţial micşorată. Curentul mic invers (curentul de saturaţie), aproape constant, este dat de numărul limitat de purtătorii minoritari disponibili de a curge în josul bariarei de potenţial mărite, care blochează curgerea purtătorilor majoritari. Toate diodele cu joncţiune prezintă o regiune în polarizare inversă în care pot să apară

curenţi mari dacă tensiunea inversă depăşeşte o anumită valoare critică numită tensiune de străpungere.

Străpungerea inversă în diode cu joncţiune pn se poate datora unuia din următoarele două mecanisme, ambele bazate pe creşterea câmpului electric cu tensiunea inversă în zona de sarcină spaţială.

- Multiplicarea în avalanşă. - Efectul tunel (sau Zener)

5

3. Dispozitive electronice de baza Dioda semiconductoare

În ipoteza unei diode idealizate (câmpul electric are efect neglijabil la nivel mic de injecţie şi purtătorii minoritari se mişcă numai prin difuzie), comportarea în regim static este descrisă de ecuaţia:

−Ι= 1kT

qn

s ei

cu Is curentul de saturaţie. Din analiza modelului rezultă:

- o diodă cu joncţiune permite în conducţia inversă un curent foarte mic (de 6 ori mai mic) care este independent de tensiunea inversă;

- în cazul polarizării directe dioda cu joncţiune permite o cădere foarte mică de tensiune la bornele ei, pe când în cazul polarizării inverse o cădere de tensiune mare.

De aceea,în multe aplicaţii este suficientă o caracteristică aproximativă a diodei.

iS

uA

iA

ustr.

iA

uA

Caracteristica i-u a unei diode semiconductoare

• Diode redresoare - Dioda cu joncţiune are o serie de dezavantaje printre care menţionăm o serie de

capacităţi parazite care nu permit utilizarea lor la frecvenţe înalte. De aceea se preferă în acest caz diodele cu contact punctiform.

- O diodă redresoare funcţionând la tensiuni foarte mari (ordinul kV) este dioda pin. Între cele două zone p şi n puternic dopate se găseşte o regiune de tip i, adică o zonă constituită dintr-un semiconductor intrinsec (0,2 mm având ρ foarte mare).

6

• Diode cu utilizări speciale Dioda tunel (Esaki)

iA

uA

P

V

IP

IV

UP UV

Punctda varf

Punctda vale

comportare normala:injectie de purtatorimajoritari

strapungerea Zenerdetermina o conductanta

mare pentru u injurul lui 0

inceteazastrapungereazener

iA uA

Caracteristicile i-u a unei diode tunel

Dioda Zener .

∆Uz

uA

iA

uz

iA

uA

∆ Iz

Uz

Iz min.

Iz max.

Iz

iz

uz

Tensiuneade stabilitate

Caracteristica i-u a unei diode Zener

Diode cu barieră Schottky

7

x

Zona de trecere

ρ

−

+

xU0

m

n

+ -Polarizare directa

Lm

WFNivelFermi

Ls

WFNivelFermi

WV

WC

Banda deconductie

Banda devalente

Dioda cu bariera Schottky Diode varicap (varactor).

Zona de trecere

p n

+-

U [V]

C [pF]

1020

5

10

15

Dioda varicap Dioda

• În regim staţionar, deci când se aplică o tensiune externă de polarizare se arată că această joncţiune are o polarizare ce poate fi descrisă de o ecuaţie de tipul:

• În regim dinamic (variabil)

8

Tranzistoare bipolare cu joncţiune

• Principiul de funcţionare. Din joncţiunile p – n se pot realiza combinaţii diverse cu aplicaţii interesante. Prin legarea

a trei straturi alternante de n şi p se obţine un sistem p-n-p sau n-p-n numit tranzistor bipolar. Tranzistorul bipolar are două jonctiuni pn. Regiunea comună acestor joncţiuni se numeşte

bază iar celelalte două colector şi emitor. La limitele de separaţie apar cele două joncţiuni: joncţiunea emitorului sau E-B şi cea a colectorului sau C-B.

În joncţionarea normală joncţiunea E-B se polarizează direct iar joncţiunea B-C în sens invers.

p

(1-α)iE

iB

pn

+ -+ -

itiE

E B C

iCB0

Tranzistor bipolar cu jonctiuni pnp in conexiune BC

Dacă baza ar avea o grosime mare, atunci cele două joncţiuni ar fi independente. Întrucât baza este foarte mică şi mai puţin impurificată ca acestea, cele doua joncţiuni vor interacţiona şi apare efectul de tranzistor care, în esenţă, constă în aceia că purtătorii majoritari injectaţi de E în B ajung în cea mai mare parte la C, restul recombinandu-se în bază (cu e- sau goluri). De remarcat este faptul ca în joncţiune B – C alimentată invers apare şi un curent invers, de saturaţie al diodei C – B notat ICBo.

• Conexiunile tranzistorului. Există trei moduri fundamentale de conectare a tranzistorului în montajele practice. În

funcţie de terminalul comun intrări şi ieşiri, obţinem: - conexiunea cu emitor comun (EC); - conexiunea cu bază comună (BC); - conexiunea cu colector comun (CC). • Caracteristicile statice ale tranzistorului.

Pentru conexiunea BC

( )CB const

E EB ui f u

== - caracteristicile de intrare

( )( )

E

EB

C CB i const

C CB u const

i f u

i f u

=

=

=

= - caracteristicile de ieşire

9

uEB [mV]

iE [mA]

a)

Regiuneade taiere

- uCB [V]

iC [mA]

iE [mA]

iE = 0

- uCB [V]

iC [mA]

uEB [V]

Regiuneaactiva

Regi

unea

de sa

tura

tie

b)

Caracteristicile statice ale unui tranzistor pnp in conexiune BC: a) caracteristicile de intrare; b) caracteristicile de iesire

Pentru conexiunea cu EC

( )CEB BE u consti f u == - caracteristica de intrare la care se adaugă E C Bi i i= +

( )( )

BE

B

C CE u const

C CE i const

i f u

i f u

=

=

=

= - caracteristicile de ieşire

CEu din circuitul de iesire influenteaza starea circuitului de intrare; se observa ca Bi scade daca

CEu creste. Efectul se numeste reactie interna negativa.

- uEB [mV]

iB [mA]

iCB0

uCE [V]

a)

10

- uCE [V]

iC [mA]

uBE < 0 [V]

uBE = 0

- uCE [V]

iC [mA]

iB [µA]

iB = 0

b)

Caracteristicile statice ale unui tranzistor pnp in conexiune EC:

a) caracteristicile de intrare; b) caracteristicile de iesire

• Parametrii de semnal mic ai tranzistorului

Scheme echivalente

u1 u2

i1 i2

Reprezentare tranzistor bipolar cu un cuadripol

1 1 12 2

2 21 1 22 2

uu h i h ui h i h u= += +

2

111 0

1u

uhi == - impedanta de intrare cu ieşirea în scurtcircuit.

1

112 0

2i

uhu == - factor de transfer în tensiune inversă cu intrarea în gol (factor de

reacţie inversă)

2

221 0

1u

ihi == - factor de transfer direct în curent cu ieşire în scurtcircuit

(amplificarea directă în curent)

1

222 0

2i

ihu == - admitanţa de ieşire cu intrarea în gol

Tranzistorul cu efect de câmp (TEC)

TEC face parte din categoria tranzistoarelor unipolare (monopolare) în care controlul

curentului care trece prin dispozitiv se face cu ajutorul unui câmp electric care modulează conductanţa căii de trecere a curentului.

Calea de trecere a curentului se realizează în volumul sau la suprafaţa unui semiconductor şi se numeşte canal. Canalul poate fi de tip n sau p, de unde denumirea de TEC cu canal n sau TEC cu canal p.

11

La capetele canalului se găsesc două contacte chimice care servesc la introducerea şi extragerea curentului, numite sursă, respectiv drenă.

În vecinătatea canalului se găseşte electrodul care prin potenţialul său determină un câmp electric perpendicular pe canal, determină valoarea curentului ce trece prin dispozitiv şi se numeşte grilă.

Structura generală a TEC este data in figura de mai jos.

CANAL

GRILA

G

SSursa

DDrena

+

+-

-

p

n

uDS

iD

uGS = 0

uGS < 0

a) b) Tranzistor unipolar (monopolar) cu efect de camp (TEC):

a) circuitele de alimentare; b) caracteristica de drena (TEC cu grila jonctiune TEC-J cu canal n)

Se deosebesc două tipuri de TEC în funcţie de modul în care se poate obţine un canal:

- TEC cu grilă joncţiune (TEC-J ); mecanismul de control al curentului se explică prin efectul variaţiei conductanţei canalului ca urmare a modificării lărgimii acestuia în funcţie de intensitatea câmpului electric din zona grilă- canal care la rândul ei este determinată de tensiune de grilă ( conducţia are loc în volumul semiconductorului);

uDS

iD

uGS

iD

uDS

uGS = 0

a) b)

Caracteristicele de drena la un TEC cu grila izolata, TEC-MIS (Metal-Izolator-Semiconductor): a) TEC-MIS cu canal de tip n indus (regim de imbogatire);

b) TEC-MIS cu canal de tip n cu canal initial (regim de imbogatire) - TEC cu grilă izolată în care în general substratul pe care se construieşte zonele de

S,D şi canalul este din material semiconductor numit şi TEC-MIS (Metal-Izolator- Semiconductor). Dacă izolantul plasat pe canal între S şi D este bioxid de siliciu tranzistorul se numeşte TEC-MOS (Metal-Oxid-Semiconductor) sau pe scurt MOS; conducţia are loc la suprafaţa semiconductorului într-un strat subţire;

• TEC-MIS în funcţie de modul cum se formează canalul conductor la suprafaţă poate fi:

1. TEC – MIS cu canal indus (de tip p sau n) 2. TEC – MIS cu canal initial (n sau p) (exista un canal iniţial chiar la UGS = 0

12

Alte dispozitive electronice Dispozitive electronice pnpn

• Dinistorul (dioda pnpn) sau dioda de comutaţie sunt dispozitive de mică putere. Este

constituit din patru regiuni cu conductibilitate alternantă, create într-un semiconductor de Si. Regiunile extreme sunt puternic dopate, în schimb cele mediane au o dopare mai slabă.

p pn n

T1 T2

+ -A K

J1 J2 J3

+

-i

Ustr, i

UAK

Ustr, d = Uam

Uam

C

AKdUdt

0

B A

A K

i

Dinistorul

• Tiristorul Este o structură pnpn ce poate fi privită ca o combinaţie de două elemente: pnp şi npn. Dacă EA < 0 deci VK >VA, J1 şi J3 sunt polarizate invers şi întregul element se comportă

ca o joncţiune obişnuită polarizată în sens invers. Dacă VA > VK, deci EA > 0, J2 este blocată invers şi tiristorul rămâne blocat: de fapt prin

el trece un curent foarte mic de ordinul curentului invers al joncţiunii centrale. Dacă se măreşte UAK > 0 pe A - K, fara a aplica o tensiune pe grila, în joncţiunea centrală

se vor injecta din ce în ce mai mulţi purtători minoritari care lovind atomii reţelei cristaline zmulg din ce în ce mai mulţi purtători liberi suplimentari. Efectul acesta de multiplicare face ca iA prin tiristor să crească o dată cu UAK şi la o anumită valoare a acesteia, acest efect este aşa de intens încât polarizarea joncţiunii centrale se inversează, devenind directă.

13

A

K

J1

J2

J3

ustr, ip

p

n

n

uAK

(ustr, d)

C

uAKEA

uG

iG

iARA

T1 T2

G

(P)

K

A

P(G)

K

AP (G)

uam0

uam1

iA

uG > 0uG = 0

Tiristorul În acest moment are loc amorsarea tiristorului, adică intrarea lui in ositivee: in

conditiile in care UAK ≈ EA, la amorsare scade la o valoare redusa iar iA creste foarte mult stabilindu-se la o valoare limitată doar de RA. Amorsarea are loc la tensiunea de amorsare Uamo.

Dacă înainte de amorsare între G – K se aplică o tensiune de comandă UG > 0, deci se injectează un iG pozitiv, multiplicarea purtătorilor în regiunea ositiv este accelerată şi amorsarea are loc la o tensiune mai mică.

Dacă iG ↑ , Uam ↓ până când la un ositiv de comandă numit critic, Uam scade până la 1÷2 V adică amorsarea are loc la orce UAK > 0. În acelaşi timp cu cât iG ↑ şi iA ↑ .

După amorsare electrodul de comandă nu mai are nici un rol, tiristorul blocându-se numai dacă EA = 0, mai ositi când iA scade sub o anumită limită denumită curent de menţinere.

S-au realizat tiristoare ositiv de mică putere, care permit o comandă a blocării şi prin aplicarea unei tensiuni pe grila de polaritate inversă celei normale. Aceste tiristoare au catodul fragmentat în mai multe regiuni (tiristor bioperaţional).

Dacă se scot spre exterior contactele de la ambele baze ale tiristorului se obţine o ositiv de tiristor numită tiristor-tetrodă. Poarta PK comandă deschiderea tiristorului prin impulsuri pozitive iar PA prin impulsuri negative. În acest fel se lărgeşte gama de utilizare a tiristoarelor ca intrerupatoare comandate.

K

A

PK

PAPoartaanodului

Poartacatodului

Tiristor – tetroda

14

• Triacul şi diacul Triacul

Triac si diac

Poarta triacului se poate comanda în patru moduri diferite, însă în mod obişnuit se

foloseşte comanda cu impulsuri pozitive (când electrodul vecin porţii este polarizat negativ) şi cu impulsuri negative (când electrodul vecin porţii este polarizat pozitiv).

Dacă triacul se deschide numai la up = 0 prin creşterea lui u12, atunci electrodul de comandă poate lipsi şi se obţine un dispozitiv echivalent cu doua diode conectate antiparalel numit diac. El se foloseste de regula pentru comanda triacurilor si tiristoarelor.

• Tranzistorul programabil (TUP) numit si TUJ programabil datorita asemanarii caracteristice cu cea a unui TUJ. Spre deosebire de TUJ, TUP are o caracteristica statica ai carei parametri pot fi modificati

in functie de dorinta utilizatorului.

Tranzistorul programabil

15

Dispozitive optoelectrice

Sunt diapozitive ce transforma energia radiatiilor din spectrul vizibil sau invizibil in energie electrica pe baza efectului fotoelectric, sau invers.

Fotorezitorul

• Fotorezistorul

16

• Fotodioda .

Fotodioda • Fototranzistorul

Fototranzistorul

• Fotodiode emisive sau diodele luminiscente LED (Licht Emittierende Diode).

LED-ul

17

Termistoare si varistoare

RT

t 0C

PTR (pozitermistor)

NTR (negatermistor)

I

U

αβ

t1t2

M

t3↑ t 0CRT

Termistorul

Rezistenta statica: MS

M

UR tgI

α= =

Rezistenta diferentiala: ddUR tgdI

β= =

2EBkTT

TR Ae Ae∆

= = A, B – constante

TT R R A∞→∞⇒ = = B – constanta electronic [eV]

E∆ - energie de activare Coeficientul termic al rezistivitatii ,T ρα :

( )0 ,1T T Tρρ ρ α= + ∆

- mediu 0,

0

TT Tρ

ρ ραρ−

=∆

;

- diferentiala ,1

TT

ddTρρα

ρ=

Coeficientul termic al rezistentei: 1

RdR

R dTα = ⋅

( )( )

0

0R

R

NTR

PTR

α

α

<

>

Circuite integrate.

Circuitul integrat (CI) reprezintă un micro circuit electronic realizat pe o bucată (cip) mică

de material semiconductor, de obicei Si (1,5 mm2 şi grosime de 0,2 mm). Elementele pasive şi active ale circuitelor sunt deci inseparabil asociate într-o structură mică.

După gradul de intrare deosebim: a) CI-SSI (Small Scale Integraţion) cu cca 100 componente/cip (gen. a I-a);

18

b) CI-MSI (Medium Scale Integraţion) cu 100÷1000 componente/cip (gen. a II-a) c) CI – LSI (Large Scale Integraţion) cu 100 ÷1000 componente/cip (gen. a III-a); d) CI – VLSI (Very Large Scale Integraţion) cu peste 10000 componente/cip

(generatia a IV-a).

O clasificare tehnologică ne permite să evidenţiem următoarele tipuri de CI:

• CI monolitice Într-un circuit integrat monolitic toate elementele de circuit şi firele de interconexiune se

formează simultan într-un cip unic, mic, de SI. Sunt două variante de realizare:

- CI bipolare (analogice şi numerice) în care componentele de circuit se formează una lângă alta, într-o singură bucată de Si. Componentele se izolează între ele prin formarea unor joncţiuni pn ce se polarizează invers. În realizarea CI bipolare se poate folosi tehnologia planară şi cea epitaxială. Tehnologia planară se realizează pe plachete de Si şi constă într-o succesiune de oxidări ale suprafeţei, îndepărtarea selectivă a anumitor regiuni de oxid şi apoi difuzia în stare solidă în deschiderile practicate în oxid, această succesiune de operaţii se repetă până se obţine structura dorită. În tehnologia creşterii epitaxiale se formează un strat subţire de Si pe suprafaţa unei plachete de Si, conductibilitatea acestui strat putând fi controlată prin dopare. Tranzistorul de bază al CI bipolare este de tipul npn, avându-se în vedere performanţele mai bune şi tehnologia mai uşoară de realizarea în raport cu tipul pnp, ( în structurile pnp purtatorii de sarcină sunt e- care au o modalitate mai mare decât cea a golurilor, ceea ce conduce la frecvenţe de lucru maxime mai mari şi la curenţi reziduali mai mici). Structurile pnp se realizează în două variante: laterale (efectul de tranzistor se manifestă transversal pe domeniul de tranziţie între emitor şi substrat).

- CI unipolare MOS (analogice şi numerice) cuprind numai tranzistoare MOS având funcţii de componente pasive şi active. CI sunt realizate într-o tehnologie similară cu cele bipolare. Structurile MOS reprezintă o serie de avantaje faţă de cele bipolare: tehnologie de fabricaţie mai simplă, impedanţă de intrare mare, este posibilă o densitate mai mare de componente, poate îndeplini atât funcţia unor componente pasive cât şi active. S-au dezvoltat diverse variante care pun în valoare o multitudine de proprietăţi electrice: p-MOS si n-MOS cu poarta de Al şi poarta de Ai, precum şi C-MOS (tranzistoare complementare cu canal p si n). O tehnologie utilizată pentru circuite LSI, de exemplu pentru memorii PROM este aceia de a obţine o structură MNOS: structura foloseşte un strat dublu de izolant pentru poartă (din bioxid de Si şi din nitrura de Si).

În perspectivă se intrevăd următoarele structuri: α) SOS (Si pe safir) foloseşte un substrat de safir pe care apoi se fac depuneri (prin

tehnica epitaxială) de Si a cărei dopare este controlată: se obţin elemente (dispozitive) complementare;

β) CCD (circuite cuplate prin purtatori de sarcina) care se bazeaza pe transportul purtatorilor de sarcina printr-o zona apropriata de suprafata cristalului de Si.

• CI hibride sunt structuri ce cuprind componente pasive si interconexiunilor lor, la care, ulterior, se adauga sub forma discreta componentele active.

19

B. IMPULSUL ELECTRIC Impulsurile se pot obtine fie printr-un proces de formare, plecand de la semnale de forma

sinusoidala, fie prin generare directa sub forma dorita. Prin impuls se intelege un semnal cu o variatie foarte rapida de tensiune sau current in

comparative cu perioada de succesiune a acestor variatii, precum si cu procesele tranzitorii pe care ele le produc in circuite.

Sub o alta exprimare, prin impulsul electric se intelege o forma de unda aproximativ dreptunghiulara sub forma de curent sau tensiune, care are, in anumite portiuni ale sale, variatii rapide sau foarte rapide.

Deosebim unde: - periodice: succesiune de cicluri ce se repeat la infinit; - singular: cand forma de unda apare o singura data.

Pot fi diverse forme, cele mai utilizate fiind cele dreptunghiulare.

Semnale electrice: v1 - sinusoidal; v2 - dreptunghilar; v3 – triunghiular

Principalele tipuri de semnale

20

Impulsurile reale se abat de la formele ideale prezentate, aceste abateri putand fi apreciate pe baza parametrilor ce caracterizeaza un impuls:

- amplitudinea impulsului V0; - durata impulsului T; - perioada impulsurilor T0; - frecventa impulsurilor 01f T= ; - factorul de umplere 0T Tγ = , ( )0,01 0,99γ ∈ ÷ ;

- valoarea medie a tensiunii 0 00

mTV V VT

γ= = ;

v

tT

v0

T0

- timpul de crestere (durata frontului crescator) ft+ ;

- timpul de scadere (durata frontului descrescator) ft− ; - suprareglare (supracrestere) σ ; - prag (palier).

δV0

0,9 V0

0,5 V0

0,1 V0

T

ft + ft −t

frontuldescrescator

frontulcrescator

Prin prag (palier) intelegem portiunea din impuls care ramane constanta sau nu variaza

sensibil (se pastreaza in banda 90 – 100% din valoarea semnalului). In tehnica impulsurilor intalnim frecvent o operatie elementara ce consta din deschiderea

sau inchiderea unui contact cu scopul de a provoca salturi/discontinuitati de tensini sau de avantaje. Aceste circuite se numesc circuite de comutatie.

21

Dispozitivul de comutatie in cadrul carora avem aceste comutatoare pot fi de doua categorii:

- cu piese in miscare; - fara piese in miscare (statice).

In ceea ce priveste dispozitivele de comutatie statice acestea folosesc cel mai frecvent diode si tranzistorul in regim de comutatie, regim caracterizat prin faptul ca dispozitivul trece brusc – comuta – de la o stare de blocare la o stare in care conduce si invers.

Un comutator electronic ideal poate fi definit prin urmatorii parametrii: i) in stare inchis, ce permite conductia curentului electric la valoare maxima, ceea ce

insemna o rezistenta serie nula, precum si o tensiune reziduala nula. ii) in stare deschis cand avem circuitul interupt, ceea ce inseamna conductanta de

pierderi nula si curent rezidual nul. iii) trecerea dintr-o stare in alta se face instantaneu.

la care se mai pot adauga: - sensibilitate la comutare; - sensibilitate si reproductibilitatea pragurilor de comanda.

C. CIRCUITE FORMATOARE SI GENERATOARE DE IMPULSURI Deosebim:

- Circuite pentru formarea impulsurilor α) Circuite de derivare β) Circuite de integrare γ) Circuite de limitare

- Circuitele pentru generarea impulsurilor

a) Circuite basculante astabile b) Circuite basculante monostabile c) Generatorare de impulsuri in forma de dinte de fierastrau.

Circuite formatoare de impulsuri

i) Limitatoarele sunt circuite la care marimea de iesire variaza proportional cu marimea de

intrare numai cand aceasta se afla cuprinsa intre anumite limite numite praguri de limitare. Daca aceste praguri sunt depasite, marimea de iesire se mentine constanta. Se pot realiza circuite cu unul sau doua praguri de limitare.

Doua praguri Prag superior Prag inferior

Tipuri de praguri la un impuls electric

22

Cele mai simple circuite de limitare sunt realizate cu diode si rezistente. Pot fi realizate in varianta serie au paralel, dupa cum dioda se afla inseriata sau in paralel

pe circuitul de intrare.

a) Limitatoare serie

+-E

E

(cu dioda polarizata pentru pragul inferior)

+-

E

E

+-E

E

+-

E

E

b) Limitatoare paralel

23

Rd

2 1

1 2

1 2 1

0 00

dd

d

d

Ru u R RR R

u uu R u u

= ⋅+

> ≈< ≈ ∞→ ≈

+-E

E

+-

E1+- E2

E1

E2

ii) Circuite de derivare (circuite de ascutire) permit obtinerea unor impulsuri de scurta durata plecand de la impulsuri de durate mari.

C

R

A

At

t

24

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

1

2

1

2

1

1

u t i t dt Ri tC

u t Ri t

u s R i sCs

u s Ri s

= + = = +

=

∫

( ) ( )

( ) ( ) ( )

2

1

2 1

2 12

1 1

1

s

s

RCu Ru RCsR

CsTu s u s

Tsdu t du t

T u t Tdt dt

= =++

=+

+ =

iii) Circuite de integrare

Exemplu:

Circuit de prelucrare a impulsurilor

C

R

uR uCe(t)

e(t)

t

E

uC

t

E

uR

t

E

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

1

1

1

e t Ri t i t dtC

E t Ri t i t dtC

de t di tR i t

dt dt Cdi t dRC i t C e t

dt dt

= +

= +

= +

+ ≡

∫

∫

( )( )( )( )( )

0 0 0

0

0

C

R

C

R

e t E

t u

u E

t u E

u

=

= =

=

= ∞ ∞ =

∞ =

25

Circuite generatoare de impulsuri

Pentru generarea de impulsuri, având amplitudini, frecvență și fronturi dorite, pe lângă circuite liniare se folosesc și circuite neliniare din categoria celor de comutație regenerative (CR) (circuite basculante – CB), cât și a celor din categoria circuitelor neregenerative (CNR) (de tip circuite logice integrate cu rețele de temporizare).

După timpul în care un CB ramâne în unul din cele două stari deosebim: i) CB bistabil simetric (CBB): circuitul are două stări care sunt permanent stabile cu

durată, practic, initiată, conducerea realizându-se prin impuls exterior; ii) CBB asimetric (trigger Schmitt - CRS): are două stări permanent stabile dar care

depind și de tensiunea de intrare și de sensul ei de evoluție; iii) CB monostabil (CBM): are o singură stare stabilă în care poate rămâne oricât de

mult și o a doua stare, care este cvasiinstabilă: trecerea din starea stabilă în cea cvasiinstabilă se face prin impuls exterior iar revenirea se face automat;

iv) CB stabil (CBA) sau multivibratorul: prezintă două stări cvasiinstabile în care rămâne un timp determinat.

Observatie

1. Pe lângă aplicațiile cu circuite negenerative de tip CBB, în practica curentă se folosesc și CNR datorită simplicității realizării unor astfel de sisteme.

2. Trecerea dintr-o stare în alta a unui CB se face fie cu ajutorul unor dispozitive de circuit cu rezistență negative (ex.: diode tunel, etc.), fie cu ajutorul unui amplificator cu reacție pozitivă.

Nota Circuitul bistabil de bază este format din două etaje inversoare cu tranzistoare cuplate în

cruce aşa cum se arată în de mai jos. Presupunem că: tranzistorul T1 are iniţial tensiunea pe bază zero, şi se aplică un semnal pozitiv pe terminalul S (numit terminal Set).

Prin T1 va circula curent de colector şi deci tensiunea pe colectorul, său va scădea la 0. Baza tranzistorului T 2 este conectată la colectorului lui T 1 şi deci tensiunea pe baza lui T2 scade, T2 se blochează, iar potenţialul colectorului său creşte în valoare pozitivă pînă la tensiunea de alimentare V cc .

Colectorul lui T2 este conectat la baza lui T1 şi astfel o menţine pozitivă cand semnalul de intrare pe această bază devine zero. In absenţa semnalelor de intrare ulterioare, circuitul va rămîne în această stare nedefinit avand V01 în starea 0 logic şi V02 în starea 1 logic.

Mai târziu, circuitul poate fi comutat în cealaltă stare prin aplicarea unui semnal pozitiv pe terminalul R (numit terminal Reset).

Situaţia descrisă mai sus se inversează şi circuitul revine la situaţia iniţială când tranzistorul T2 conduce iar T1 este blocat. Acum V01 devine 1 logic iar V02 0 logic. Acest tip de bază al circuitului bistabil se numeşte bistabil SR. Se observă că cele două ieşiri ale bistabilului sunt totdeauna în stări opuse, una este totdeauna inversa celeilalte şi ambele se schimbă prin aplicarea unui semnal la intrare.

Un circuit bistabil poate memora o cifră binară sau bit de informaţie, adică, dacă semnalul aplicat era 0 logic va fi 1 logic.

Circuitul bistabil de bază poate fi considerat ca fiind format din două părţi NOR cuplate în cruce ca în figura urmatoare.

26

a)

S

R

v01

v02

b)

Circuit bistabil

a)cu tranzistori cuplati in cruce; b) cu parti NOR cuplate in cruce

27

STUDII DE CAZ CBB cu tranzistoare bipolare

B1

B2

B3

Circuitul este realizat cu inversoare cu tranzistoare bipolare. Exista o simetrie perfecta intre cele doua jumatati de circuit.