1. No category

1
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Predstavitev informacije
Informacijo lahko prenašamo, če se nahaja v primerni obliki. V elektrotehniki se informacija
lahko nahaja v analogni ali digitalni obliki (analogni in digitalni signali).
Za analogno informacijo je značilno, da jo predstavlja signal, ki:
• se zvezno spreminja
• ima lahko neskončno število vrednosti (stanj), kar je tudi lastnost zveznih funkcij
Primeri:
osvetljenost okolice,
zvok kitare,
kazalec na merilniku hitrosti avtomobila npr. v vsakem trenutku daje (prikazuje)
drugačno velikost signala, ki pomeni drugačno vrednost
Primerjava analognega
signala, pri katerem vsak
nivo signala predstavlja
svojo vrednost in
digitalnega signala, ki loči
le dve logični vrednosti.
Pri digitalnem signalu vse
električne vrednosti
signala ustrezajo tema
dvema logičnima
nivojema.
Slika prikazuje pretvorbo
analognega v digitalni signal in
pretvorbo v obratni smeri.
Vidimo, da zavzame analogni
zapis neskončno različnih
vrednosti, ker je analogni signal
zvezen, digitalni zapis pa le
končno število diskretnih
vrednosti.
To pomeni, da z digitalnim
zapisom lahko zapišemo neko
vrednost z določeno natančnostjo
in da se dva sosednja zapisa med
seboj razlikujeta za določen
korak - nista zvezna - stopničasta
funkcija.
2
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Digitalna -diskretna informacija
Digitalna informacija je sestavljena iz končnega števila diskretnih, točno določenih stanj.
Primeri:
zapis glasbe na digitalni plošči,
signalizacija na semaforju
prikaz časa na digitalni uri se npr. ne spreminja zvezno ampak v korakih (prikazi se
razlikujejo v sekundah ali desetinkah sekunde
Digitalno informacijo zapišemo z uporabo nabora veljavnih znakov, od katerih vsak
predstavlja črko ali digit
Primeri kodiranja:
• s 25 črkami abecede lahko zapišemo 25 različnih stanj {A, B, C, ... , Ž)}
• z 10 števkami desetiškega številskega zapisa lahko predstavimo 10 različnih stanj {0,
1, 2, ... , 9}
• z dvema števkama dvojiškega številskega sestava pa lahko ponazorimo dve različni
stanji {0,1}
Več takih znakov povežemo v bolj obsežne informacije, npr.: črke abecede v besedo,
števke v večmestno število, itd., s čemer povečamo število stanj, ki jih lahko zapišemo.
Zapis informacij v digitalnih računalnikih je praviloma binaren (dvojiški) z uporabo dveh
stanj za vsak signal.
Za vsako digitalno informacijo je značilno, da dolžina zapisa določa njeno natančnost.
Tako je npr. zapis z 8 biti manj natančen od zapisa s 16 biti.
Odločitev za digitalno informacijo je lahko posledica naslednjih lastnosti:
•
digitalna informacija je naravna informacija, ko npr. gre za pritisk tipke, sklenitev
stikala, impulze iz detektorja delcev, itd.
•
informacijo moramo imeti v digitalni obliki, če jo želimo obdelovati z digitalnimi
vezji (to je vezji, ki poznajo le logična stanja 1 in 0)
•
digitalna informacija je manj občutljiva na motnje pri prenosih na večje razdalje
3
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Polprevodniki in polprevodniški elementi
Osnova za izdelavo polprevodniških elementov je večinoma kristal silicija (Si), včasih tudi
germanija (Ge) ali kakega drugega elementa.
Atomi silicija so 4-valentni in se stabilno
povezujejo med seboj.
Če atom izgubi elektron, postane atom
pozitiven - pravimo, da nastane vrzel.
Elektron, ki zapusti atom, postane prost.
Vrzeli in elektroni povzročajo v polprevodnikih
električni tok.
Osnovi silicija ali germanija dodajo primesi, ki so lahko:
• petvalentne, ki težijo za oddajo elektrona, zato tak polprevodnik vsebuje veliko
prostih elektronov in mu pravimo n-tip polprevodnika
• trivalentne, ki težijo za sprejemom elektronov. Tega sprejmejo od bližnjega atoma
silicija, ki odda elektron. Na ta način nastane vrzel, ki kmalu spet sprejme elektron.
Tako nastane vrzel na drugem mestu. Na ta način vrzel potuje, saj se mehansko
zaradi vpetosti atoma ne more premikati. Polprevodniku pravimo p-tip
polprevodnika
Na prvi sliki so v silicijevo kristalno
strukturo difundirani atomi fosforja,
ki so 5-valentni, zato so vir prostih
elektronov.
Na drugi sliki je siliciju dodan bor, ki
je 3-valenten, zato iz okolice
prevzema elektrone in nastajajo
vrzeli.
V polprevodniku prihaja do električnega toka na dva načina:
• pod vplivom električnega polja - električno polje, ki ga ustvarja električna
napetost, povzroči usmerjeno gibanje nosilcev elektrin proti poloma - negativni
elektroni pozitivnemu polu in pozitivne vrzeli proti negativnemu
• zaradi difuzije - difuzijo povzroča premik nosilcev elektrin s področja večje
koncentracije k področju manjše koncentracije (izenačevanje koncentracij)
Polprevodniki predstavljajo osnovo za izdelavo polprevodniških elementov kot so: diode,
tranzistorji, tiristorji, triaki, itd.
4
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Dioda
Dioda je najbolj preprost polprevodniški element. Dobijo jo z združitvijo dveh
polprevodnikov - polprevodnika n-tipa in polprevodnika p-tipa.
Na spoju polprevodnikov se ustvari zaporna plast zaradi rekombinacij, to je združitev
večinskih nosilcev nabojev - elektronov in vrzeli v obeh plasteh. Posledica tega je, da
nastane potencialni prag, ki preprečuje prehod toka.
Tok skozi diodo lahko steče šele, ko zunanja pritisnjena napetost premaga potencialni prag.
Prva slika prikazuje združitev dveh polprevodnikov in nastanek potencialnega praga, ker v
območju spoja zmanjka prostih nosilcev elektrin.
Na drugi sliki pa je prikazano zmanjševanje zaporne plasti in posledično potencialnega praga
zaradi pritisnjene zunanje napetosti.
Za diodo je značilno, da v eni smeri začne prevajati pri napetosti kolena (pri polarizaciji
električne napetosti, ki zmanjšuje potencialni prag).
Napetost kolena je odvisna od vrste polprevodnika:
Ge-0,3 V, Si-0,7 V, GaAs-1,2 V.
Koleno silicijeve diode je v prevodni smeri pri
napetosti okrog 0,7 V. Pri tej napetosti prične skozi
diodo teči električni tok.
V drugi smeri pa dioda predstavlja zaporo in ne prevaja (pri polarizaciji električne
napetosti, ki povečuje potencialni prag). V zaporni smeri prične dioda prevajati šele, ko
dosežemo prebojno napetost. Če toka v takem primeru ne omejimo, se dioda poškoduje!
5
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
V zaporni smeri prične dioda prevajati šele, ko
napetost preseže prebojno napetost.
Dioda preoblikuje električne signale.
Dioda deluje kot nekakšen ventil:
v prevodni smeri prevaja električni tok, v zaporni pa ne.
Dioda je za razliko od ohmskega upora, kondenzatorja in tuljave nelinearen element,
saj je povezava med tokom napetostjo nelinearna.
Tudi tranzistorji, tiristorji in triaki so nelinearni elementi.
Simboli diod
D1
D1
D1
navadna dioda
LED diodasvetleča dioda
Zener dioda
Uporaba diod
Diode uporabljamo npr. za:
• usmerjanje izmenične napetosti
• omejevanje napetosti (poreže vse signale, ki so višji od napetosti kolena diode)
• za stabilizacijo napetosti (Zener dioda, ki jo uporabljamo v zaporni smeri, omeji
napetost na velikost zaporne napetosti)
• kot svetlečo LED diodo za signalizacijo v vezjih in napravah
Dioda v vlogi polvalnega
usmernika izmenične
napetosti. Dioda prepušča
le pozitivne polvalove
izmenične napetosti.
6
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Prikaz polnovalnega
usmernika.
Vezava diod obrne tudi
negativne polperiode,
tako da iz izmenične
napetosti dobimo
enosmerno napetost.
Polnovalni usmernik
dopolnimo še s
kondenzatorjem, ki ima
veliko kapacitivnost in
omogoča glajenje
napetosti - zmanjšuje
nihanje napetosti.
Več LED diod - segmentov lahko oblikuje LED-prikaz
(display).
Na sliki a) je 7-segmentni LED-prikaz. Vsak segment
krmilimo s svojim signalom.
Na sliki b) pa je prikaz, ki ga sestavlja matrika pik in
zato omogoča več možnosti prikazovanja znakov.
Vsaka pika je krmiljena s svojim signalom.
Tranzistorji
Ločimo dve glavni skupini tranzistorjev: bipolarni tranzistorji in unipolarni tranzistorji.
Bipolarni tranzistor dobimo, če združimo dva p-n spoja. Tako nastane npn ali pnp
tranzistor.
Tranzistor imenujemo bipolarni zato, ker tok v bazi tranzistorja nastane kot gibanje dveh vrst
nosilcev elektrin: negativnih elektronov in pozitivnih vrzeli.
pnp tranzistor simbolizira puščica, ki je usmerjena proti
spoju (bazi), npn pa ima ven usmerjeno puščico
Elektrode tranzistorja so emitor (nožica s puščico),
baza (na sredi med emitorjem in kolektorjem) in
kolektor.
Emitor in kolektor sta istovrstna polprevodnika
(oba p-tipa ali n-tipa). Vmesno plast predstavlja
baza, ki je debela le nekaj Pm in je drugega tipa.
7
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Tranzistor si lahko predstavljamo kot združitev
dveh diod, ki pa ustvari povsem nove razmere ob
priključitvi na napetost.
Z ohmmetrom lahko preverimo tranzistor na
osnovno funkcijo "dober-slab" podobno kot bi
preverjali diode.
Tranzistor deluje normalno tako, da je spoj emitor-baza polariziran v prevajanje, spoj
kolektor-baza pa v zaporo.
npn tranzistor je priključen tako, da je na bazi pozitiven potencial
glede na emitor, na kolektorju pa pozitiven glede na bazo.
Padec napetosti UBE je tako kot pri diodi od 0,6 V do 0,8 V.
Polariteta priključene napetosti pri pnp tranzistorju je nasprotna v
primerjavi s priključitvijo npn tranzistorja
pnp in pnp tranzistor se med seboj razlikujeta le po polariteti priključenih napetosti.
Na sliki je lepo vidno, da z
majhnim baznim tokom
krmilimo velik kolektorski
tok. Prikazan je tok v pnp
tranzistorju.
Večinski nosilci, ki so pri pnp tranzistorju vrzeli, tečejo pri taki priključitvi napetosti kot je na
sliki, iz emitorja v bazo (prevodna smer!). Emitor imenujemo zato, ker emitira (oddaja)
nosilce elektrin. Baza je zelo tanka, zato večina nosilcev elektrin (95 - 99,8%) nadaljuje pot v
kolektor (ki zbira nosilce elektrin), kamor jih posesa visoka napetost, ki je priključena na
kolektor.
8
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Bazni tok IB, ki nastopa kot krmilni tok, se na ta
način velikokrat ojača in tako nastane kolektorski
tok IC.
Pravimo, da relativno velik kolektorski tok
krmilimo z majhnim baznim tokom. Tranzistor
torej ojačuje - v tem primeru tok.
Ko se bazni tok spreminja, mu sledi tudi
spreminjanje kolektorskega toka, le da je ta
sprememba za faktor ojačenja večja. Lahko si
predstavljamo, da s spreminjanjem baznega toka
vplivamo na spremembo upornosti na progi med
kolektorjem in emitorjem.
Značilen podatek tranzistorja je statično tokovno ojačenje E, ki predstavlja razmerje
med IC in IB:
I
β= C
IB
Ojačenje E , ki je tipično okrog 100, pa znaša pri močnostnih tranzistorjih (za velike moči)
od 10 do 40, pri tranzistorjih z IC < 1A pa od 50 do 800.
Tranzistorje uporabljamo na dva načina:
•
za linearno ojačevanje signalov s čim manj popačenja izhodnega signala v primerjavi
z vhodnim. To je mogoče doseči, če tranzistor uporabljamo v linearnem delu
karakteristike. To dosežemo z nastavitvijo delovne točke tako, da tranzistor tudi ni
nikoli popolnoma odprt ali pa popolnoma zaprt.
•
kot elektronsko stikalo, kjer z majhnim tokom preklapljamo velik tok. V tem primeru
pa je tranzistor uporabljen v dveh skrajnih delovnih položajih, bodisi, da je popolnoma
odprt ali pa poplnoma zaprt (le v času preklopa se nahaja med tema položajema)
Tranzistor je navadno priključen v vezje tako,
da ga krmilimo na bazi, elektroda, ki je skupna
vhodnemu in izhodnemu tokorogu, pa je
emitor.
Govorimo o orientaciji s skupnim emitorjem.
Glavni značilnosti vezave s skupnim emitorjem sta:
• veliko napetostno ojačenje signalov (izhodna napetost v primerjavi z napetostjo
na vhodu)
• veliko tokovno ojačevanje signalov (izhodni tok v primerjavi s tokom na vhodu)
9
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
V spodnji tabeli so prikazane lastnosti različnih vezav glede na orientacijo tranzistorja
(skupno elektrodo)
Vidimo, da ima vsaka vezava svoje značilnosti glede:
• ojačenja napetosti
• ojačenja toka
• ojačenja moči
• vhodne upornosti vezja
• izhodne upornosti vezja
Način vezave izbiramo glede na uporabo. Tako je npr. za močnostne ojačevalnike primerna
vezava s skupnim emitorjem, ker ima veliko ojačenje moči.
10
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Tranzistor kot stikalo
Če tranzistor močno krmilimo v prevajanje (velik bazni tok), se
zelo zmanjša njegova upornost na progi kolektor- emitor. Tako
lahko tranzistor deluje kot stikalo. To pomeni, da tranzistor
deluje le v dveh skrajnih točkah delovanja: ali je popolnoma
zaprt ali pa popolnoma odprt.
Na ta način uporabljamo tranzistor v logičnih vezjih, kjer
informacijo obdelujemo s stanjema: visoka in nizka napetost.
Na tranzistorju, ki ga uporabljamo kot stikalo, se sprošča največja moč v času preklopa, kar
pa traja le kratek čas.
Ko pa v bazo teče velik tok, je tranzistor popolnoma odprt in na njem je majhen padec
napetosti (UCE < 0,5V). Tako se tudi pri velikem toku Ic na njem sprošča malo moči
( P = U CE ⋅ I C ).
Ko pa v bazo ne teče tok, je tranzistor zaprt. Produkt UCE in IC je spet majhen, saj ni toka Ic.
Vsi parametri tako glede toka, napetosti in moči so pri tranzistorju omejeni z maksimalnimi
vrednostmi, ki jih ne smemo preseči, sicer se tranzistor trajno poškoduje.
Pogosto pride do uničenja tranzistorja zaradi prevelike moči, ki se sprošča na njem, zato
moramo izbrati tako ohišje tranzistorja, ki je sposobno odvajati moč, ki se sprošča na
tranzistorju med delovanjem.
Različne oblike
ohišij tranzistorjev
imajo tudi različno
razporejene
priključke.
Razporeditev priključkov in druge parametre tranzistorja razberemo iz kataloga proizvajalca.
Za večje moči
je treba
tranzistor
hladiti s
posebnimi za
to prirejenimi
hladilnimi telesi-hladilniki.
Prikaz tehnologije izdelave npn tranzistorja.
11
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Tranzistorji na poljski efekt - FET tranzistorji (Field Effect Transistor)
FET tranzistorji so unipolarni tranzistorji, kajti pri njih so nosilci toka le večinski naboji v
kanalu, ki ga predstavlja proga med izvorom S (source) in ponorom D (drain). Nosilci
naboja potujejo med izvorom in ponorom (pri n-kanalu so to elektroni, pri p-kanalu pa
vrzeli), zato teče tok med izvorom in ponorom pri p-tipu kanala, pri n-tipu kanala pa v
obratni smeri.
Velikost toka v kanalu krmilimo z napetostjo na vratih G (gate) UGS, ki vpliva na širino
prevodnega kanala (spreminjamo širino zaporne plasti p-n spoja) in s tem na njegovo
upornost. Čim manjša je upornost, tem bolj je kanal odprt in tem večji tok teče med
izvorom in ponorom.
Pri FET tranzistorjih krmilimo kanal med izvorom S
(source) in ponorom D (drain) s krmilno elektrodo,
ki jo imenujemo vrata G (gate)
Spodnja slika prikazuje delitev FET tranzistorjev glede na različne tehnologije, simbol
tranzistorja, krmilno napetost med vrati in izvorom in tok skozi kanal v odvisnosti od krmilne
napetosti UGS in napetosti med izvorom in ponorom:
12
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Za vse FET tranzistorje je značilno, da imajo krmilno elektrodo ločeno od prevodnega
kanala:
− pri spojnih FET tranzistorjih JGFET(Junction Gate FET) je ločena s p-n prehodom, ki
je polariziran v zaporni smeri
− pri MOS-FET tranzistorjih je krmilna elektroda ločena z izolirno plastjo
Oba načina zagotavljata visoko vhodno upornost na vratih tranzistorja.
MOS-FET tranzistorji (Metal Oxide Semiconductor)
MOS-FET tranzistorji so izpopolnjena verzija FET tranzistorjev. Zanje je značilno, da so vrata
izolirana od kanala s plastjo SiO2, ki je izolator. Kanal je lahko vgrajen (prisotni prosti
nosilci elektrin) in je že prevoden, čeprav ni prisotna krmilna napetost UGS. S krmiljenjem UGS
napetosti pa kanal siromašimo, dokler se popolnoma ne zadrgne in ni več prevoden.
Pri izvedbi MOSFET tranzistorjev z induciranim kanalom pa kanal ni prevoden, če ni krmilne
napetost. Šele krmilna napetost inducira proste nosilce elektrin-obogati kanal, ki tako
postane prevoden.
MOSFET z vgrajenim kanalom
MOSFET z induciranim kanalom
Prednost izvedbe MOSFET tranzistorjev z izoliranimi krmilnimi elektrodami je, da je
krmiljenje napetostno, za kar ne porabljamo moči. Vhodna upornost je tako zelo visoka.
Bipolarni tranzistor pa je tokovno krmiljen, zato za krmiljenje rabi določeno, čeprav
majhno moč.
13
polprevodniki_tranzistorji_3_0.DOC
Česa ne bomo pozabili v zvezi s tranzistorji
•
Tranzistorji so aktivni elementi. To pomeni, da so ojačevalni elementi, pri katerih ima
izhodni signal večjo moč od moči vhodnega signala. Dodatno moč, ki je pri tem
potrebna, dovedemo z zunanjim generatorjem, ki predstavlja izvor moči.
•
Ločimo bipolarne (npn in pnp) tranzistorje, ki jih krmilimo s tokom na krmilni
elektrodi in unipolarne tranzistorje (JFET, MOSFET), ki jih zaradi velike vhodne
upornosti krmilimo z napetostjo, zato je za krmiljenje potrebna neznatna moč.
•
Tranzistor ne deluje, če nima priključene napetosti na vhodu in izvora napetosti na
izhodu (torej so priključene vse nožice).
•
npn tranzistor bo priključen pravilno, če bo kolektor bolj pozitiven od emitorja (za
pnp velja obratno!)
•
Vsak tranzistor ima določene maksimalne vrednosti za IC, IB in UCE, ki jih ne smemo
preseči. Preseči tudi ne smemo moči, ki se sprošča na tranzistorju, ki jo določa
produkt UCEIC.
•
Tok skozi kolektor IC je E-krat večji od toka v bazo: I C = β ⋅ I B (faktor tokovega
ojačanja E je tipično okrog 100).
•
Pravimo, da je tranzistor zaprt, če je upornost med C in E tako velika, da med C in E
ne more teči tok. Ko se tranzistor odpira, se upornost med C in E zmanjšuje, zato se
tok na tej progi povečuje. Ko je tranzistor popolnoma odprt, je upornost med C in E
zelo majhna. Da tok IC preveč ne naraste, ga omejimo z uporom v veji kolektorja.
Če si predstavljamo, da med C in E teče tok, ki na upornosti med C in E povzroča
padec napetosti, lahko zaključimo:
-
ko je tranzistor zaprt, je zaradi velike upornosti padec napetosti UCE med C in
E zelo velik;
-
ko pa se tranzistor odpre, je zaradi majhne upornosti, padec napetosti UCE
majhen (tipično od 0,1 V do 1 V).
•
Tranzistor odpiramo in zapiramo tako, da spreminjamo napetost med B in E oz. tok
IB. Ker je med B in E pn spoj, je napetost za odprtje tranzistorja 0,6 do 0,8V.
•
Tranzistorje uporabljamo predvsem za ojačevanje signalov.
V digitalni tehniki jih uporabljamo le v dveh skrajnih stanjih:
-
ko so popolnoma zaprti in skoznje ne teče tok, zato je med C in E maksimalna
napetost (logična 1)
-
ko so popolnoma odprti in skoznje teče največji tok, zato je med C in E
minimalna napetost (logična 0)