-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
2. SEMICONDUCTOARE
2.1 Purttori de sarcin n semiconductoare 2.1.1 Conductoare,
izolatoare, semiconductoare Din punctul de vedere al proprietii
corpurilor solide de a fi strbtute de curent electric sub aciunea
unei tensiuni electrice continue aplicate din exterior, acestea se
mpart n trei mari categorii: - conductoare (metalele); -
semiconductoare; - izolatoare. Dup cum s-a artat anterior, n metale
ntlnim o structur cristalin, unde n nodurile reelei cristaline se
gsesc plasai ioni pozitivi, n timp ce printre noduri se mic liber i
haotic electroni. Apariia electronilor liberi se explic prin fora
de legtur foarte slab a electronilor de valen. Concentraia
electronilor liberi este de ordinul 1028 m-3 i nu depinde practic
de temperatur. Rezistena electric a metalelor este determinat de
frecvena ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din
nodurile reelei. Ionii sunt ntr-o permanent vibraie termic n jurul
unei poziii de echilibru. Cu creterea temperaturii, amplitudinea
oscilaiilor crete, ceea ce frneaz micarea de ansamblu a
electronilor liberi sub aciunea unui cmp electric exterior. Aa se
explic creterea rezistenei (rezistivitii) metalelor cu temperatura.
Din punct de vedere al conductivitii ( = 1/), metalele nregistreaz
valori foarte mari, m [106, 108] -1m-1. Exist i o categorie de
materiale, numite izolatoare, pentru care conductivitatea este
extrem de mic, i [10-12,10-20] -1m-1. Electronii de valen ai
atomilor acestor materiale sunt foarte puternic legai de atomi.
Izolatoarele nu conduc curentul electric deoarece n interiorul lor,
practic, nu exist purttori liberi de sarcin electric. Aceste
materiale, cum ar fi mica, materiale plastice, sticla, ceramica,
marmura, hrtia, cauciucul etc. sunt foarte folosite n electrotehnic
n general pentru a realiza diferite izolaii electrice.
24
-
2. SEMICONDUCTOARE
25
ntre metale i izolatoare, din punct de vedere al conductivitii,
se plaseaz semiconductoarele, pentru care s [104, 10-8] -1m-1. Spre
deosebire de metale, la semiconductoare, conductivitatea crete
puternic cu temperatura (absolut), aa cum se indic n fig. 2.1.
La temperaturi foarte coborte, semiconductoarele sunt
izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de
bune. n categoria semiconductoarelor intr o mare varietate de
substane: oxizi, compui, elemente chimice ca siliciul, germaniul,
seleniul, etc. n dispozitivele electronice semiconductoare, cele
mai utilizate materiale sunt cristalele elementelor tetravalente Ge
i Si i a unor compui intermetalici, ndeosebi GaAs (arseniur de
galiu).
n cazul semiconductoarelor, electronii de valen sunt legai de
atom mai slab dect la materialele izolatoare. Aceste legturi pot fi
rupte dac electronii primesc o energie suficient devenind astfel
electroni liberi. Pentru trecerea electronilor din stadiul de
electroni legai de atom n starea de electroni liberi, trebuie
transmis o energie minim W, numit energie de activare. Pentru
semiconductoare, energia de activare se plaseaz n domeniul 0,025 3
eV. Fiecare material semiconductor n parte este caracterizat de o
anumit valoare a energiei de activare. Astfel, pentru Ge avem W =
0,72 eV, pentru Si, W = 1,1 eV, etc. Folosind acelai criteriu, al
energiei de activare, putem constata c la metale, W = 0, iar la
izolatori, W = 3 10 eV. Energia de activare la metale fiind nul, la
orice temperatur numrul electronilor liberi este acelai. n cazul
izolatoarelor, energia de activare fiind foarte mare, prin nclzire,
practic nu apar purttori liberi.
T
Fig. 2.1 Variaia cu temperatura a conductivitii
semiconductoarelor
Datorit valorilor mici, energia de activare poate fi transmis
electronilor de valen din materialele semiconductoare de energia de
agitaie termic a ionilor reelei cristaline. Spre deosebire de
metale, cu creterea temperaturii n semiconductoare crete numrul
electronilor liberi. De exemplu, la Si pur, concentraia
electronilor liberi crete de la 1017 m-3 (la temperatura camerei)
pn la 1024 m-3, la temperatura de 700 C (legea 3/2).
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
26
2.1.2 Purttori de sarcin n semiconductoare. Semiconductoare
intrinseci La semiconductoare este caracteristic faptul c la
conducie particip pe lng electronii liberi (de conducie) i
electronii de valen, rmai legai de atomii din reeaua cristalin.
Pentru nelegerea acestui tip de conducie analizm comportarea
electronilor dintr-un cristal de germaniu. Atomul de germaniu are
patru electroni de valen. n reeaua cristalului de germaniu, fiecare
atom este nconjurat echidistant de patru atomi. Fiecare electron de
valen al unui atom formeaz o pereche cu un electron de valen din
atomul vecin. Electronii devin comuni ambilor atomi. Acest tip de
legtur, caracterizat prin punerea n comun a electronilor de valen
ntre atomii vecini, se numete legtur covalent. n fig. 2.2 a se
reprezint modelul spaial al legturilor unui atom de germaniu din
reeaua cristalin, iar n fig. 2.2 b modelul plan (simplificat) al
legturilor covalente dintre atomii de germaniu.
+
++
++
a b Fig. 2.2 a) Modelul spaial al legturilor unui atom dintr-un
cristal
de ge niurmaniu pur; b) Legturile covalente ale cristalului de
germapur (reprezentare simplificat n plan a modelului spaial)
Starea legturilor din fig. 2.2 corespunde temperaturilor foarte
sczute, cnd cristalul se comport ca un izolator aproape perfect. La
temperaturi mai nalte, datorit caracterului fluctuant al energiei
de agitaie termic, o parte din electronii din legturile covalente
pot deveni electroni liberi, primind o energie (cel puin) egal cu
energia de activare. Electronii eliberai din atomii neutri las n
locurile pe care le prsesc ''goluri'', adic legturi covalente
nesatisfcute. Sub aciunea unui cmp electric exterior, electronii
din unele legturi covalente ale atomilor vecini
-
2. SEMICONDUCTOARE
27
pot ''umple'' aceste ''goluri''. Ca urmare, n atomii de unde au
plecat rmn alte ''goluri''. Dup apariia unui ''gol'', un electron
dintr-un atom vecin l umple, lsnd n urma lui alt gol. Prin urmare,
are loc o deplasare a electronului legat (de valen) ntr-un sens i a
golului n sens contrar. n acest fel, golurile se comport ca nite
particule fictive, cu sarcin pozitiv +e i mas mp , care se
deplaseaz prin cristal i contribuie, alturi de electronii liberi,
la conducia electric. Micarea electronilor liberi, eliberai din
legturile covalente, se poate reprezenta printr-o micare clasic,
supus legilor mecanicii newtoniene, sub aciunea forelor externe
(cmpuri electrice exterioare), a unei particule fictive, numit
electron de conducie. Acesta are sarcina electric -e i o mas mn. n
mn se include efectul cmpului electric periodic, datorat ionilor
reelei cristaline, electronul fiind supus doar forelor externe,
macroscopice. In concluzie, n semiconductoare particip la conducie
dou tipuri de purttori de sarcin mobil: electronii (negativi) i
golurile (pozitive). ntr-un semiconductor pur, la echilibru termic,
purttorii mobili apar numai prin generarea termic a perechilor
electron-gol. n acest fel, vor rezulta tot atia electroni de
conducie cte goluri. Semiconductorul n care concentraia de
electroni este egal cu cea de goluri se numete semiconductor
intrinsec, iar concentraia respectiv ni , concentraia intrinsec: n0
= p0 = ni (2.1) unde n0 i p0 reprezint concentraiile de electroni,
respectiv de goluri, n semiconductorul pur, la echilibru termic.
Pentru o temperatur dat, n0 i p0 sunt mrimi constante care depind
de natura semiconductorului pur respectiv. 2.2 Semiconductoare cu
impuriti. Conductivitatea electric a unui semiconductor cu impuriti
2.2.1 Semiconductoare cu impuriti Tipul conduciei electrice intr-un
semiconductor poate fi determinat i de prezena i de natura atomilor
strini (impuriti) n reeaua sa cristalin. Procesul (tehnologic) de
impurificare a unui semiconductor se numete dopare (sau dotare).
Nivelele normale de dopare sunt foarte mici, de ordinul un atom de
impuritate la 104 107 atomi de semiconductor din cristal.
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
28
n reeaua cristalin se pot introduce dou tipuri de impuriti: a)
dac n cristalul de germaniu se introduc atomi pentavaleni (de
exemplu,
arseniu), numai 4 din cei 5 electroni de valen se leag covalent
cu atomii vecini de germaniu, iar cel de-al cincilea se desprinde
de atomul de impuritate i devine electron liber (fig. 2.3). Pentru
ca el s devin electron de conducie, este suficient o energie n jur
de 0,01 eV, la Ge, respectiv 0,05 eV, la Si, capabil s-l desprind
de atom. La temperatura camerei, practic toi aceti ai 5-lea
electroni devin electroni de conducie. Electronul cedat nu las ns o
legtur nesatisfcut; atomul de arseniu (As) devine ion pozitiv
(devenind purttor de sarcin imobil). Impuritile pentavalente creeaz
deci, n reeaua cristalin a germaniului un singur fel de purttori
mobili de sarcin: electroni. Impuritile care permit astfel de cedri
de electroni liberi se numesc donori, iar
semiconductorul cu atomi de impuritate donori se numete
semiconductor extrinsec de tip n (negativ).
As
GeGe
GeGe electron liber
Fig. 2.3 Legturile covalente n cristalul de germaniu, n care un
atom de germaniu a fost nlocuit cu un atom
de impuritate pentavalent (arseniu)
n semiconductorul extrinsec de tip n, nn0 reprezint concentraia
total de electroni liberi la echilibru termic, provenii att de la
atomii de impuritate, ct i datorit agitaiei termice a reelei, care
genereaz perechi electron-gol. n acest caz, nn0 >>p0 i
semiconductorul are conductivitatea electric mult mai mare dect
conductivitatea aceluiai semiconductor n stare pur. Deoarece
conducia n acest caz se face n principal cu electroni, ea se numete
conducie de tip n. n semiconductorul de tip n, electronii sunt
purttori majoritari, iar golurile sunt purttori minoritari. De
exemplu, la 20 C, pentru Ge pur conductivitatea are valoarea = 2,2
-1m-1, iar Ge de tip n are = 102 -1m-1. Conductivitatea
semiconductorului este cu att mai mare cu ct concentraia
purttorilor de sarcin liberi este mai mare. b) n cristalul de
germaniu se pot introduce impuriti formate din atomi trivaleni
(indiu, galiu, bor, aluminiu). i n acest caz atomii de impuritate
vor ocupa n reea locul unor atomi de germaniu, avnd ns fiecare cte
o legtur covalent nesatisfcut. Atomul trivalent de bor - de
exemplu, are lips un electron
-
2. SEMICONDUCTOARE
29
de legtur (fig. 2.4). Atomul de bor poate accepta un electron
provenind de la o legtur Ge - Ge a unui atom vecin. Apare un gol
care tinde s se completeze prin atragerea unui electron de valen de
la un alt atom de germaniu vecin. Astfel, n reeaua
semiconductorului se formeaz un numr de goluri egal cu numrul
atomilor de impuritate. Atomii de impuritate devin ioni negativi
(fici) i poart denumirea de acceptori. Purttorii de sarcin mobili
majoritari sunt n acest caz golurile iar purttorii mobili de sarcin
minoritari sunt electronii liberi provenii din generarea de perechi
electron-gol, pe seama fluctuaiei energiei de agitaie termic a
reelei. Deci, np0 >> n0 i avem conducie de tip p.
B
GeGe
GeGe gol
electron mprumutat de la atom de Ge vecin
Fig. 2.4 Formarea golurilor n cristalul de germaniu extrinsec
dotat cu atomi de bor
2.2.2 Conductibilitatea semiconductoarelor i structura benzilor
energetice Conform teoriei cuantice, att n stratul de valen ct i n
cel de conducie, electronii sunt caracterizai de valori
cuantificate (discontinue) ale energiei. Nivelele energetice
(posibile) ale electronilor de valen se grupeaz n banda de valen,
iar a electronilor liberi n banda de conducie. Cele dou benzi sunt
separate de banda interzis. Se cunoate c pentru semiconductorul
intrinsec, pur din punct de vedere chimic, la o anumit energie
primit din exterior, un numr de electroni din stratul de valen
prsesc atomii respectivi, devenind electroni liberi ce particip la
procese de conducie. Aportul energetic exterior necesar este egal
cu nlimea W a benzii interzise. n fig. 2.5 se prezint structura
benzilor energetice n cazul unui semiconductor intrinsec. Atunci
cnd un electron de valen primete energie din exterior, el poate
rupe legtura covalent, devenind electron liber. Prin acest proces
apare i golul, care
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
30
particip la conducie ca purttor de sarcin pozitiv. Ca urmare,
electronul liber este un purttor al crui nivel energetic corespunde
benzii de conducie, pe cnd golul este un purttor pozitiv, al crui
nivel energetic corespunde benzii de valen.
Cnd un electron prsete atomul, devenind electron liber, spunem c
se genereaz o pereche electron - gol. ntr-un semiconductor
intrinsec are loc un proces continuu de generare a perechilor
electron - gol, a crui intensitate depinde de energia primit de
semiconductor, din exterior. Simultan, are loc i un proces invers,
de recombinare electron - gol, rezultnd atomi neutri. Un
semiconductor asupra cruia nu acioneaz ageni exteriori cum ar fi:
cmp
electromagnetic, radiaii cu particule sau electromagnetice, se
spune c se afl la echilibru termic. n acest caz, concentraiile de
electroni i goluri generai prin mecanism intrinsec, depind de
temperatura absolut:
W
W
Banda devalen
Banda deconducie
Banda interzis
Fig. 2.5 Structura benzilor energetice la un semiconductor
intrinsec
==kTWTApn ii 2
exp2/3 (2.2)
unde ni , pi sunt concentraiile de electroni i goluri n
semiconductorul intrinsec, T - temperatura absolut, k - constanta
lui Boltzmann, W - limea benzii interzise, A - constant, i - indice
care arat c procesul se refer la semiconductor intrinsec. Dac n
semiconductor apare un cmp electric, electronii se vor mica n sens
invers cmpului, iar golurile n sensul liniilor de cmp. Se formeaz
un curent de electroni ini , respectiv de goluri ipi , ambii n
acelai sens (al liniilor de cmp). Curentul total de conducie prin
semiconductor este egal cu suma celor doi cureni. Componentele
curentului de conducie nu sunt egale (ini > ipi), deoarece
mobilitile celor dou tipuri de purttori nu sunt egale.
-
2. SEMICONDUCTOARE
Analiza folosind structura de benzi se aplic i la
semiconductoarele extrinseci. n cazul semiconductoarelor dopate cu
impuriti pentavalente (donoare), impuritile introduc un nivel
energetic n banda interzis a semiconductorului, numit nivel donor,
situat foarte aproape de banda de conducie, ca n fig. 2.6. Cum
valoarea Wd este foarte mic (0,01 0,05) eV la temperaturile
ambiante obinuite, practic toi atomii donori furnizeaz cte un
electron liber, electronii devenind astfel purttori majoritari.
F
W
Wd
Banda de valen
Banda de conducie
Nivel donor
ig. 2.6 Structura benzilor energetice la un semiconductor
extrinsec cu impuriti donoare
n cazul semiconductorului dopat cu impuriti trivalente, acestea
introduc n banda interzis un nivel acceptor, foarte aproape de
banda de valen, ca n fig. 2.7. Ca urmare, la temperatura ambiant,
practic toi atomii acceptori capteaz cte un electron, care a primit
o energie Wa
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
a p n
x
b
x
xc
x
d x
e x
f
-+
U0
V
Ei
Nd
pp
nn
Na
x
2.3 Jonciunea p n
2.3.1 Procese fizice n jonciunea p-n Dac ntr-un semiconductor se
realizeaz, prin procedee speciale, o zon p i o zon n, astfel ca
trecerea de la o zon la cealalt s se fac pe o distan foarte mic (de
regul, sub 10-5 mm), se obine o jonciune p - n (fig. 2.8). Notnd cu
Na concentraia atomilor acceptori i cu Nd concentraia atomilor
donori, n fig. 2.8 b se prezint distribuia concentraiei
impuritilor, n cazul ideal, cnd trecerea de la regiunea p la
regiunea n se face brusc (jonciune abrupt). De obicei,
concentraiile impuritilor n cele dou zone nu sunt egale (Na >
Nd), jonciunea numindu-se n acest caz asimetric. Procesele fizice
care au loc n jonciunea p - n au o importan deosebit n funcionarea
celor mai multe dispozitive semiconductoare. n cel mai simplu caz,
jonciunea p - n poate fi utilizat la realizarea diodelor
semiconductoare.
32
n vecintatea suprafeei de separaie a zonelor p i n exist o
variaie puternic a concentraiei purttorilor majoritari. Diferenele
de concentraii ale golurilor i electronilor determin difuzia
purttorilor majoritari dintr-o zon n alta: golurile tind s difuzeze
din zona n iar electronii n zona p. Datorit procesului de difuzie,
ct i datorit recombinrii purttorilor majoritari cu cei difuzai, n
vecintatea suprafeei de separaie are loc o micorare substanial a
concentraiei purttorilor majoritari (fig. 2.8 c). n consecin,
sarcina ionilor imobili ai
Fig. 2.8 Jonciunea p-n. a) structura jonciunii; b) distribuia
concentraiei de impuriti; c) distribuia concentra-iei purttorilor
majoritari; d) distribu-
ia sarcinii spaiale; e) distribuia intensitii cmpului electric
intern al
regiunii de trecere; f) distribuia potenialului
-
2. SEMICONDUCTOARE
33
impuritilor rmne necompensat de sarcina purttorilor majoritari,
conducnd la apariia n vecintatea suprafeei de separaie, a unei
sarcini spaiale fixat n reeaua cristalin. Sarcina spaial este
format din ioni negativi de impuriti acceptoare, n zona p i de ioni
pozitivi de impuriti donoare, n regiunea n (fig. 2.8 d). Regiunea n
care apare sarcina spaial, din vecintatea suprafeei de separare se
numete regiune de trecere. Celelalte zone, fr sarcin spaial, se
numesc regiuni neutre. Sarcina spaial produce un cmp electric
intern al regiunii de trecere, care se opune difuziei purttorilor
majoritari (fig. 2.8 e). Prezena cmpului electric duce la apariia
unui potenial, a crui distribuie este precizat n fig. 2.8 f. Se
constat apariia unei bariere de potenial n regiunea de trecere care
se va opune difuziei purttorilor majoritari. in acest caz va exista
totui un curent de difuzie id = ipM + inM , unde ipM i inM sunt
componentele curenilor de goluri, respectiv de electroni, produi de
acei purttori majoritari care au o energie suficient de mare pentru
a nvinge bariera de potenial U0 din regiunea de trecere. Cum
bariera de potenial este mare, curentul de difuzie id este foarte
mic. Cmpul intern al jonciunii antreneaz dintr-o zon n alta
purttorii minoritari, formnd un curent de conducie, ic = ipm + inm
, unde ipm i inm sunt componentele curenilor de goluri, respectiv
de electroni (purttori minoritari). n regimul de echilibru termic
al unei jonciuni nepolarizate, curentul de difuzie id este egal i
de sens contrar cu curentul de conducie ic , astfel nct curentul
rezultant prin jonciune este nul (fig. 2.9 a).
Fig. 2.9 Polarizarea jonciunii p n; a) jonciunea p n
nepolarizat; b) jonciunea p n polarizat direct; c) jonciunea p n
polarizat invers
ipM
inM
ipminm np
a
V
U0
+ - ua ipM
inM
ipminm np
ua>0
uaV
U0
b
- + ua ipM
inM
ipminm np
U0
ua
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
34
diferen de potenial ntre zonele p i n, reprezentnd bariera de
potenial U0, tensiunea la bornele dispozitivului, n gol, este egal
cu zero. Aceasta se explic prin existena n circuit a dou contacte
metal - semiconductor, care produc poteniale de contact, astfel nct
tensiunea rezultant ntre terminale este egal cu zero. Dac se aplic
la bornele jonciunii p-n o tensiune ua cu polaritatea din fig. 2.9
b, cmpul electric exterior diminueaz intensitatea cmpului electric
din regiunea de trecere i ca urmare bariera de potenial scade de la
valoarea U0 la valoarea U0 -ua. Curentul de difuzie crete i poate
atinge valori foarte mari, n timp ce curentul de conducie se
modific puin. Curentul prin jonciune este egal cu curentul de
difuzie, format din purttorii majoritari, reprezentnd curentul
direct al jonciunii. Aplicnd o tensiune ua < 0, adic cu
polaritatea plus pe borna n, cmpul electric din regiunea de trecere
este ntrit de cmpul electric aplicat din exterior. Bariera de
potenial crete de la U0 la U0 + ua. Curentul de difuzie scade
practic la zero. Prin jonciune va circula curentul de purttori
minoritari (de conducie) ic . Ca
valoare, acest curent este foarte mic i reprezint curentul
invers al jonciunii p-n.
b
a
x
c x
d
V
U0
Ln -Lp
Em
+
-
E
p n
x
Pentru stabilirea unor proprieti ale regiunii de trecere,
eseniale pentru nelegerea funcionrii dispozitivelor
semiconductoare, se folosete un model simplificat al jonciunii,
obinut n ipoteza c densitile de sarcin spaial, din regiunea de
trecere, sunt constante n cele dou zone (fig. 2.10). n fig. 2.10
s-a notat cu Ln limea regiunii de trecere n zona n i cu Lp limea
regiunii de trecere n zona p. Se poate deduce lrgimea regiunii de
trecere a jonciunii, conform relaiei:
+===
danp NNe
ULLL 11
2 0 (2.3) Fig. 2.10 Model simplificat al jonciu-nii p-n. a)
structura jonciunii; b) distribuia sarcinii spaiale;
c) distribuia intensitii cmpului electric; d) distribuia
potenialului
unde: - permitivitatea materialului; e - sarcina electric
elementar;
-
2. SEMICONDUCTOARE
35
U0 - bariera de potenial; Na , Nd - concentraiile de impuriti
acceptoare, respectiv donoare. n cazul n care jonciunii i se aplic
o tensiune ua , limea regiunii de trecere devine:
( )
+===
da
anp NNe
uULLL 11
2 00 (2.4) Pe baza acestui model se pot deduce urmtoarele
proprieti importante ale regiunii de trecere: - regiunea de trecere
se comport ca un dielectric datorit concentraiei sczute a
purttorilor; - extinderea regiunii de trecere n zonele p i n
este invers proporional cu
concentraia impuritilor n zonele respective; - lrgimea regiunii
de trecere crete odat cu tensiunea invers aplicat
jonciunii. 2.3.2 Caracteristica static a jonciunii p-n. Punctul
static de funcionare Fie o jonciune p-n utilizat ca diod
semiconductoare (fig. 2.11). Electrodul cu potenial pozitiv n
timpul conduciei se numete anod, iar cellalt electrod se numete
catod. Caracteristica static a diodei semiconductoare reprezint
dependena curentului prin diod, numit curent anodic de tensiunea
dintre anod i catod, numit tensiune anodic.
Fig. 2.12 Caracteristica static a diodei semiconductoare
102030
0,30,2
ua [V]
0,8 0,4
0,1
1,2
ia [A]
Ustr
ia [mA]
200 100
b
a
A C
p n
Fig. 2.11 Dioda semiconductoarea) structur; b) simbolizare
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
36
n fig. 2.12 se prezint caracteristica static a diodei
semiconductoare, pentru care s-au adoptat scri diferite pe semiaxe.
n cadranul I se prezint caracteristica direct, unde tensiunea
anodic are valori foarte mici (0,2, , 0,5V) la Ge i (0,6, , 0,9V)
la Si, iar curentul poate avea valori mari. n cadranul III se
reprezint ramura de polarizare invers, n care tensiunile aplicate
diodei pot avea valori mari, dar curentul prin diod este practic
constant i foarte mic. Caracteristica teoretic a unei diode este de
forma:
= 1expkTeuIi aSa (2.5)
unde: ua - tensiunea aplicat la borne; e - sarcina electric
elementar; k - constanta lui Boltzmann; T - temperatura absolut; IS
- curent de saturaie, dependent de concentraiile purttorilor
minoritari.
Factorul e
kTeT = se exprim dimensional n voli i se numete tensiune termic
(eT = 26 mV la T = 300 K). Pentru tensiuni inverse mari (fa de
eT),
TkUe aexp eT i
TkUe aexp >> 1,
se obine ecuaia:
kTeu
Ii aSa exp (2.6)
La tensiuni inverse mari se constat o cretere important a
curentului invers prin diod, datorat multiplicrii n avalan a
purttorilor de sarcin. Sub aciunea cmpului electric rezultat prin
aplicarea tensiunii la borne, purttorii de sarcin sunt accelerai,
putnd produce ionizri, respectiv generri de perechi electron - gol,
datorit ciocnirilor neelastice. Purttorii rezultai sunt la rndul
lor accelerai i pot genera noi perechi electron - gol prin alte
ciocniri neelastice. Temperatura jonciunii p-n influeneaz
substanial curentul prin diod, n sensul creterii, att la conducia
direct, dar n special la polarizarea invers (fig. 2.13).
-
2. SEMICONDUCTOARE
Se consider un circuit electric format dintr-o diod nseriat cu o
rezisten R i cu o surs de t.e.m E (fig. 2.14). Dndu-se valorile E i
R i caracteristica static a diodei ia = ia (ua), se cere s se
determine curentul prin diod i tensiunea la borne. Pentru
rezolvarea problemei, se utilizeaz caracteristica static a diodei i
relaia obinut prin aplicarea legii a II-a a lui Kirchhoff pe
circuitul considerat.
37
ia = ia (ua) Ria + ua = E
Fig. 2.13 Influena temperaturii asupra caracteristicii statice a
diodei
semiconductoare
200
ia [A]
Ustr
[A]
100 ua [V]
0,8 1,2 0,4
0,1
0,2
0,3
30
20
10
20 C
40 C 30 C
tg = R
E
iaR
ia0 M
ua0ua
ia
D
+
ER
ua
ia
a b Fig. 2.14 Dioda semiconductoare n circuit. a) circuitul de
alimentare;
b) determinarea punctului static de funcionare Soluia sistemului
constituie curentul prin diod i tensiunea la bornele sale. Cum
relaia ia = ia (ua) este dat sub form grafic, soluia sistemului se
obine pe cale grafic (metoda grafo - analitic). Reprezentarea celei
de-a doua ecuaii din sistem n planul ia - ua poart denumirea de
dreapt static de sarcin. Intersecia dreptei statice de sarcin cu
caracteristica diodei se numete punct static de funcionare.
Coordonatele acestui punct (ia ,, ua0) reprezint soluia
problemei.
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
38
2.3.3 Comportarea jonciunii p-n n regim variabil, la semnal
mic
Fie o diod semiconductoare funcionnd ntr-un punct static de
funcionare M, de coordonate ua0 , ia0 (fig. 2.15). Dac tensiunea
anodic are variaii de joas frecven n jurul valorii ua0 (mici n
comparaie cu tensiunea termic eT), de forma:
ia0
ua
ia
tg = ia/ua = 1/R
ua0
M
ua
ia )()( 0 tuutu aaa += , curentul prin diod este: )()( 0 tiiti
aaa += Variaia ia(t) este determinat n funcie de ua , prin
intermediul pantei la caracteristica static n punctul M, adic: Fig.
2.15 Regimul dinamic al
jonciunii p n
0
1
aua
a
i dudi
R= , a
ia uR
i = 1
unde:
1
0
=aua
ai du
diR
se numete rezisten intern a diodei. Folosind ecuaia diodei
ideale:
= 1expkTeuIi aSa , rezult:
( )SaSaSaSa
a IikTeI
kTeu
IkTe
kTeu
kTeI
dudi +=
+
=
= 1expexp
0
1
11
00aSuaSua
ai iIq
kTiIe
kTdudi
Raa
+=+=
=
-
2. SEMICONDUCTOARE
39
0aS
Ti iI
eR +=
Atunci cnd variaia ua(t) a tensiunii la bornele diodei este de
frecven ridicat, curentul prin diod este determinat i de capacitile
proprii ale jonciunii p-n: capacitatea de barier Cb i capacitatea
de difuzie Cd. Schema echivalent a diodei la variaii mici, de
frecven ridicat, n jurul unui punct static de funcionare este
prezentat n fig. 2.16. Ri Cb
Ri Ri Cd Cb Capacitatea de barier
corespunde sarcinii spaiale acumulate n regiunea de trecere i
depinde de tensiunea ua , conform relaiei:
a b c
Fig. 2.16 Schema echivalent de semnal mic a diodei
semiconductoare
a) schema echivalent general; b) schema echivalent la polarizare
direct; c) schema
echivalent la polarizare invers
0
0'
1Uu
CC
a
bb
=
unde Cb0 este capacitatea de barier a jonciunii nepolarizate. n
fig. 2.17 se prezint variaia capacitii Cb cu tensiunea aplicat.
Cb, Cd
Cd
0
Ua
10 20Uinv [V]
Cb[pF]
Cb
Ua a b
Fig. 2.17 Variia capacitilor diodei cu tensiunea aplicat a)
capacitatea de barier; b) capacitatea de barier i
de difuzie la polarizarea direct
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
40
Capacitatea de difuzie corespunde efectului acumulrii de sarcin
datorit procesului de difuzie a purttorilor de sarcin n regiunile
neutre ale semiconductorului. Valoarea capacitii de difuzie Cd
depinde de punctul de funcionare a diodei, fiind extrem de mic
atunci cnd jonciunea este polarizat invers (fig. 2.17). La
polarizarea n sens direct, rezistena intern a diodei Ri este foarte
mic, astfel c efectul capacitilor Cb i Cd poate fi neglijat. Schema
echivalent a diodei la semnal mic este ca n fig. 2.16 b. La
polarizarea invers, rezistena Ri este foarte mare, deci capacitatea
jonciunii, egal practic cu Cb , are un efect de untare care poate
fi neglijat. n acest caz, schema echivalent de semnal mic a diodei
rezult ca n fig. 2.16 c. 2.4 Tipuri de diode semiconductoare n
industrie se folosesc mai multe tipuri de diode semiconductoare,
dintre care amintim: dioda redresoare, dioda de comutaie, dioda cu
contact punctiform, dioda stabilizatoare (Zener), dioda varicap,
dioda tunel, fotodioda, dioda electroluminiscent, dioda laser.
Diodele redresoare se construiesc (sau s-au construit) cu germaniu,
siliciu, iar la puteri mici, cu seleniu. Diodele de putere medie i
mare au o construcie care permite montarea lor pe radiatoare,
pentru a crete suprafaa de disipare a cldurii. Principalii
parametri ai diodelor redresoare sunt: curentul mediu redresat, I0;
curentul direct de vrf repetitiv, IFRM; tensiunea invers de vrf
repetitiv, URRM; temperatura maxim a jonciunii, Tj max; rezistena
termic, Rth care determin transferul de cldur n exterior. La
diodele cu siliciu, curentul mediu redresat poate atinge valori de
sute sau chiar mii de amperi, cu tensiuni inverse de vrf repetitive
de mii de voli, temperatura de lucru maxim a jonciunii fiind de 150
C. La diodele cu germaniu, valorile de curent i tensiune sunt mai
mici i temperatura maxim de lucru a jonciunii este de 80 C. Diodele
redresoare se folosesc pn la frecvene de cca. 1020 kHz, deoarece la
frecvene nalte, capacitatea de barier produce un puternic efect de
untare a rezistenei inverse i proprietile de redresare sunt
diminuate (sau chiar dispar). Dioda stabilizatoare (Zener). Sunt
diode cu siliciu, care utilizeaz ramura caracteristicii curent -
tensiune, corespunztoare polarizrii inverse. La o anumit tensiune
invers se produce generarea prin multiplicare n avalan i -
ntr-o
-
2. SEMICONDUCTOARE
41
oarecare msur - prin efect Zener, a perechilor electron - gol.
Efectul Zener const din ruperea unor legturi covalente i formarea
perechilor electron - gol datorit trecerii prin efect tunel a
electronilor din banda de valen n banda de conducie. n consecin,
curentul invers prin jonciune ncepe s creasc brusc, tensiunea la
bornele diodei fiind aproape constant. Diodele Zener sunt
construite pentru a funciona n mod normal pe caracteristica invers
de strpungere nedistructiv. Caracteristicile diodei Zener sunt
prezentate n fig. 2.18.
a b
ia
UZ
IZ
ua
uaUZ
IZ
+
ia
Fig. 2.18 Dioda Zener. a) cazul sensului adoptat ca la diodele
redresoare; b) cazul sensului de referin inversat
Principalii parametri ai diodei Zener sunt: puterea nominal,
tensiunea nominal de strpungere, UZ (pentru o valoare specific a
curentului n regiunea de strpungere, IZ), rezistena intern
(dinamic) n poriunea de funcionare a caracteristicii, coeficientul
de variaie cu temperatura a tensiunii stabilizate:
[ ]CT
UU
Z
ZZ
0/%1001 =
Puterile diodelor stabilizatoare ating zeci de W i tensiuni UZ
cuprinse de la 2 pn la sute de voli. 2.5 Tranzistorul bipolar 2.5.1
Tranzistorul ca element comandat prin semnal Una din funciile
eseniale pe care le realizeaz tranzistorul este amplificarea
semnalelor electrice. Un amplificator are structur de diport; la
bornele de intrare
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
42
se aplic un semnal, iar la bornele de ieire, un receptor numit
sarcin (rezisten sau n general impedan de sarcin) pe care se obine
semnalul amplificat (fig. 2.19 a). Considerm cazul simplu, n care
amplificatorul are ca sarcin o rezisten R i conine un singur
tranzistor. Analiznd circuitul dinspre bornele de ieire 2 2
amplificatorul se poate reprezenta printr-un generator echivalent
de tensiune sau de curent G, comandat prin semnalul de intrare,
notat generic prin x1 (fig. 2.19 b).
E
i0+i2
x1
R
2
2
G
1 i2 i1
2
2
u1 u2 R
1
i2 x1
G
2
2
R
a b c Fig. 2.19 Funcia de amplificare a tranzistorului. a)
structura de diport a unui
amplificator; b) schema echivalent cu generator echivalent de
tensiune sau curent; c) schema echivalent cu surs de alimentare
Generatorul de semnal G reflect n esen proprietile de
amplificare ale tranzistorului, fr a specifica un aspect esenial:
amplificarea n putere se realizeaz pe seama consumului de energie
de la o surs de alimentare care asigur funcionarea normal a
tranzistorului. Aceast surs este menionat n fig. 2.19 c, ca avnd
t.e.m. E. Este posibil ca sarcina s fie parcurs numai de curentul
i2 produs de semnalul de intrare, nu i de componenta continu i0,
care asigur funcionarea normal a tranzistorului. Ca urmare, cel mai
simplu amplificator conine: sarcina, pe care se obine semnalul
amplificat; tranzistorul, care se comport ca un generator de
tensiune sau de curent, comandat prin semnalul de intrare;
elementele care asigur funcionarea tranzistorului ntr-un regim,
unde se obin proprietile de amplificare (sursa E i alte elemente).
Exist dou categorii de tranzistoare: bipolare i unipolare.
n tranzistoarele bipolare, mecanismul conduciei este determinat
att de purttorii majoritari, ct i de purttorii minoritari din
semiconductor. Semnalul xi prin care se comand tranzistorul bipolar
ntr-un etaj de amplificare este un curent electric iar generatorul
echivalent G este un generator de curent.
-
2. SEMICONDUCTOARE
43
2.5.2 Structura fizic i funcionarea tranzistorului bipolar
Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive semiconductoare cu dou
jonciuni formate printr-o succesiune de 3 zone pnp sau npn (fig.
2.20). Zona din mijloc a tranzistorului se numete baz (B) i este
realizat cu urmtoarele proprieti: este foarte ngust (de ordinul
micronilor sau chiar zecimi de micron) i are o dopare cu impuriti
mult mai mic dect regiunile laterale. O zon extrem, cu cea mai mare
dopare cu impuriti se numete emitor (E). Cealalt zon extrem se
numete colector (C).
E p n C
B
nE n p C
B
p
a b Fig. 2.20 Tranzistorul bipolar. a) structura pnp; b)
structura npn Cele dou jonciuni ale unui tranzistor se numesc
jonciunea emitorului, respectiv jonciunea colectorului. La
funcionarea n regiunea activ (n care se manifest proprietile de
amplificare ale tranzistorului), jonciunea emitorului este
polarizat n sens direct, iar jonciunea colectorului n sens invers.
Pentru a urmri procesele fizice din tranzistor studiem tranzistorul
pnp. Pentru structura npn funcionarea este similar, inversndu-se
rolurile electronilor i golurilor i sensurile tensiunilor i
curenilor. Presupunem c se alimenteaz numai jonciunea colectorului
(EE = 0). Prin aceast jonciune va circula n acest caz numai
curentul invers, de purttori minoritari, notat cu ICB0 . Regiunea
de trecere a jonciunii are o lrgime mare, datorit prezenei
tensiunii de polarizare invers EC . Ea se extinde mult n zona
bazei, deoarece aceasta este mult mai slab dopat cu impuriti dect n
zona colectorului. Dac se consider alimentarea normal a
tranzistorului (fig. 2.21), cu jonciunea emitorului polarizat n
sens direct, va exista un curent de difuzie prin aceast jonciune:
golurile din emitor difuzeaz n baz, formnd curentul ipE , iar
electronii din baz difuzeaz n emitor, formnd curentul inBE .
Deoarece concentraia impuritilor, deci i a purttorilor majoritari,
este mult mai mare n emitor dect n baz, curentul de difuzie prin
jonciunea emitorului va fi, in cea mai mare parte, curent de
goluri. Golurile injectate de emitor n baz, formnd curentul ipE al
jonciunii emitorului devin n baz purttori minoritari. S-a
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
44
precizat c lrgimea w a bazei este foarte mic iar regiunea de
sarcin spaial a jonciunii colectorului se extinde mult n zona n a
bazei. n consecin, golurile difuzate n baz vor fi preluate i
transportate n colector de ctre cmpul intern din regiunea de
trecere a jonciunii colectorului, formnd curentul ipEC. Transferul
aproape integral n colector al golurilor difuzate n baz se numete
efect de tranzistor. El se produce datorit grosimii foarte reduse a
bazei, precum i datorit extinderii pronunate, n zona bazei a
regiunii de trecere a jonciunii colectorului. O mic parte din
golurile injectate n baz nu trec n colector, ci se recombin cu
electronii din baz, formnd curentul ipEB. Sursa EE asigura o
circulaie de electroni care iau locul celor recombinai cu golurile
n baz.
+a
p pn
ipEC
iE iB
w
B
C
E
+EE EC
ipEBipE
inBE ICB0
iC
B E
+b
iB B
EE
+ EC
iE iC
Fig. 2.21 Tranzistorul pnp a) diagrama curenilor prin
tranzistor; b) simbolul tranzistorului n circuitul de
alimentare
Avnd n vedere cele artate, rezult urmtoarele relaii ale
curenilor pentru tranzistorul bipolar pnp: iE = ipE + inBE iC =
ipEC + ICB0 iB = ipEB + inBE - ICB0 nsumnd iC cu iB i innd cont c:
ipE = ipEC + ipEB rezult:
-
2. SEMICONDUCTOARE
45
iC + iB = ipEC + ICB0 + ipEB + inBE -ICB0 = ipE + inBE = iE
Raportul:
pE
pECN i
i= se numete factor static de amplificare n curent i are valori
de 0,98, , 0,998. Neglijnd componenta inBE n raport cu ipE deoarece
concentraia purttorilor majoritari n emitor este mult mai mare dect
n baz, rezult: iE = ipE . Cu aceast simplificare se obin ecuaiile
uzuale ale curenilor prin tranzistor: iC = N iE + ICB0 iB = (1- N )
iE - ICB0 n cazul tranzistorului npn (fig. 2.22), electronii
majoritari din emitor difuzeaz n zona bazei. De aici, electronii
difuzai, devenii purttori minoritari, trec prin efect de tranzistor
n zona colectorului. Deci, circulaia purttorilor se face n mod
analog tranzistorului pnp, cu deosebirea c sensul curentului de
electroni este invers sensului de circulaie a electronilor.
Polaritile tensiunilor aplicate tranzistorului npn se inverseaz fa
de tranzistorul pnp, ns n valori absolute, aceste tensiuni au
acelai ordin de mrime.
a
n np
iE iB
w
B
C
+
E
+EE EC
ICB0ipBE
inECinEB
inE
iC
B E
b
iB B
+EE +
EC
iE iC
Fig. 2.22 Tranzistorul npn a) diagrama curenilor prin
tranzistor; b) simbolul tranzistorului n circuitul de
alimentare
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
46
n concluzie, se pot reine urmtoarele aspecte importante privind
funcionarea tranzistorului bipolar, n regimul de lucru considerat
(pentru regiunea activ de funcionare): - tensiunea ntre emitor i
baz este mic (zecimi de volt), ntruct jonciunea
emitoare este polarizat n sens direct; - tensiunea ntre colector
i baz are o valoare mare (voli, zeci de voli sau chiar
sute de voli), deoarece jonciunea colectoare este polarizat
invers, putnd prelua tensiuni mari;
- curentul de colector este aproximativ egal cu curentul de
emitor; - ntruct curentul obinut n ''circuitul de ieire'' al
tranzistorului (circuitul de
colector) este practic egal cu curentul din ''circuitul de
intrare'' (circuitul baz - emitor), iar tensiunea baz - colector
este mult mai mare dect tensiunea baz - emitor, rezult c puterea ce
se poate obine n circuitul de ieire este mai mare dect puterea n
circuitul de intrare, ceea ce permite realizarea funciei de
amplificare n putere a unui semnal.
2.5.3 Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar n
schemele de amplificare, precum i n alte circuite electronice,
tranzistorul este tratat ca un cuadripol activ, avnd dou borne de
intrare i dou borne de ieire. Dar tranzistorul are numai trei borne
(terminale). Rezult c, pentru a fi utilizat ntr-un anumit circuit,
de exemplu de amplificare, este necesar ca o born a tranzistorului
s fie comun att circuitului de intrare ct i circuitului de ieire. n
funcie de electrodul folosit ca born comun, tranzistorul are trei
conexiuni posibile (fig. 2.23): baz comun (BC), emitor comun (EC) i
colector comun (CC).
uEB
aFig. 2.23 Scheme fundamentale de conectare a tranzistorului. a)
baz comun
(BC); b) emitor comun (EC); c) colector comun (CC)
uBC
c
iB
uEC
+
EB
+
EC iC
iE
uBE
b
iB
uCE+ +
EB EC iE
iC
iC iE
iB
uCB+
+
EE EC
-
2. SEMICONDUCTOARE
47
Caracteristicile statice ale unui tranzistor exprim legturile
dintre curenii prin tranzistor i tensiunile aplicate, n regim
staionar. Dependenele se pot exprima analitic, ns cel mai frecvent
se dau sub form grafic. Principalele caracteristici ale
tranzistoarelor sunt: - familia caracteristicilor de ieire, care d
dependena curentului din circuitul
de ieire n funcie de tensiunea la bornele de ieire i curentul
din circuitul de intrare (ca parametru): iE = f(uE, ii);
- familia caracteristicilor de intrare reprezint dependena
curentului din circuitul de intrare ca funcie de tensiunea de
intrare i tensiunea de la bornele de ieire (ca parametru): ii =
f'(ui, uE).
Evident, caracteristicile tranzistorului depind de schema de
conectare. Pentru conexiunea baz comun (BC), cele dou
caracteristici reprezint dependenele: iC = f1 (uCB ,iB) iE = f2
(uEB ,uCB) Un exemplu de caracteristici n conexiune BC este dat n
fig. 2.24.
Fig. 2.24 Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar n
conexiune BC. a) caracteristici de ieire; b) caracteristici de
intrare
b
uCB npn-uCB pnp
1
2
3
4
5
iE = 1mA[V]
iE = 2mA
iE = 3mA
iE = 4mA
iE = 5mA
iC[mA]
regi
unea
de
satu
raie
regiunea de blocare a
5 10
8V npn -8V pnp
2V npn -2V pnp
iE[mA]
5 uCB=
0,4 uEB npn -uEB pnp
uCB=
0,2
n planul caracteristicilor de ieire se pot distinge urmtoarele
regiuni: - regiunea activ direct (normal), n care jonciunea
emitorului este polarizat
n sens direct, iar jonciunea colectorului este polarizat n sens
invers, expresia curentului de colector fiind dat de relaia:
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
48
iC = N iE + ICB0 (pentru iE > 0) - regiunea de blocare (de
tiere), n care jonciunea emitorului fie nu este
polarizat (deci iC = ICB0), fie este polarizat invers, -
regiunea de saturaie, n care ambele jonciuni sunt polarizate n sens
direct, - regiunea activ invers, n care emitorul i colectorul i
inverseaz rolurile;
jonciunea colectorului are polarizare direct, iar cea a
emitorului are polarizare invers. Analog cu relaia pentru regiunea
activ normal, putem scrie:
iE = I (- iC )+ IEB0 n aceast relaie, sensurile de referin ale
curenilor s-au considerat cele de la regiunea activ normal, iar I i
IEB0 au semnificaii similare mrimilor N i ICB0. n amplificatoarele
obinuite, tranzistorul funcioneaz cel mai frecvent n regiunea activ
direct (normal) a caracteristicilor statice. Aici caracteristicile
sunt practic drepte echidistante, avnd o nclinare foarte mic fa de
orizontal, nclinare datorat creterii factorului N cu tensiunea de
alimentare uCB . Efectul se datoreaz ngustrii zonei neutre, ca
urmare a lrgirii regiunii de sarcin spaial a jonciunii colectorului
la creterea tensiunii inverse uCB . Intr-o serie de circuite
electronice, cum sunt cele de comutaie static, tranzistorul
funcioneaz n regiunile de blocare, de saturaie i chiar cu
alimentarea inversat. Pentru reprezentarea complet a
caracteristicilor tranzistorului bipolar, se dau uneori, ntr-o
diagram cu patru cadrane, patru familii de caracteristici. Pe lng
cele dou familii deja prezentate (cele de ieire i cele de intrare)
se mai dau i dou familii pentru caracteristici de transfer: iC = f3
(iB , uCB ) uEB = f4 (uCB ,iB) In circuitele electronice, cea mai
utilizat schem de conexiune a tranzistorului bipolar este EC. In
aceast conexiune, familiile caracteristicilor de ieire i de intrare
reprezint dependenele: iC = f (uCE ,iB)
-
2. SEMICONDUCTOARE
49
iB = g (uBE , uCE) Familia caracteristicilor de ieire este
reprezentat n fig. 2.25. Pentru a stabili dependena curentului de
ieire iC n funcie de curentul de intrare iB , folosim relaiile:
uCE npn -uCE pnp
iB = 100A
iB = 60A
iB = 40A
iB = 20A
8
6
4
2 iB = 0
iC[mA]
10
10 205 15
iB = 80A iC =N iE + ICB0 iB =(1 - N ) iE - ICB0 Din cea de-a
doua relaie extragem iE i nlocuim n prima relaie:
[V]
N
CBBE
Iii
+=1
0 Fig. 2.25 Caracteristicile de ieire ale unui tranzistor n
conexiune EC
( ) ( )N
CBNNB
N
NCBCBB
N
NC
IiIIii
++=++= 1
111
000
Rezult:
N
CBCECEBN
N
CBB
N
NC
IIIi
Iii
=+=+= 1;11
000
0
n care N
NN
= 1 se numete factor de amplificare static n curent al
tranzistorului, n conexiunea EC. Cum N este foarte apropiat ca
valoare de 1 (N = 0,98, , 0,998), factorul N este relativ mare,
ntre 30 i 1000. Aa cum s-a menionat anterior, creterea tensiunii
aplicate invers n circuitul colectorului produce o uoar cretere a
factorului N .Aceasta provoac ns o modificare mult mai pronunat a
lui N . Drept consecin, caracteristicile de ieire au n regiunea
activ o nclinare relativ mare, fa de cazul conexiunii BC.
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
50
Regiunea de saturaie a caracteristicii de ieire este situat n
cadranul I. In aceast regiune, caracteristicile de ieire ale
tranzistorului sunt foarte apropiate. Pentru scri obinuite,
regiunea de saturaie se reduce practic la o dreapt, cu nclinaie
apropiat de 90, numit dreapt de saturaie. Regiunea de blocare
(tiere), corespunde situaiilor de polarizare invers a jonciunii
emitor - baz. Riguros, regimul de tiere se obine pentru iB = -
ICB0. Dac se consider situaia n care emitorul i colectorul i
inverseaz rolurile, caracteristicile se extind n cadranul III
(tranzistor inversat). Apare regiunea activ invers. Familia
caracteristicilor de intrare este prezentat n fig. 2.26.
i pentru conexiunea EC se poate da o reprezentare n patru
cadrane prin introducerea a dou familii de caracteristici de
transfer: iC = f' (iB , uCE) uEB = f'' (uCE , iB) Caracteristicile
tranzistoarelor bipolare se pot exprima i sub form analitic. Se
consider un tranzistor n conexiune BC. Folosind ecuaia diodei
ideale, se pot deduce ecuaiile curenilor iC i iE , pentru oricare
regim de funcionare.
uBE npn-uBE pnp
80
60
40
20 [V]
0,2 0,1 0,3
uCE =
1V npn-1V pnp
5V npn-5V pnp
uCE = iB
[A]
Fig. 2.26 Caracteristici de intrare ale tranzistorului n
conexiune EC
Notnd ICS i IES curenii de saturaie ai jonciunilor de colector
respectiv de emitor, curenii iC i iE pot fi considerai ca rezultnd
din nsumarea a cte doi cureni, corespunztori celor dou jonciuni.
Astfel, prin jonciunea colectorului circul componentele:
1expkTue
I CBCS corespunztoare tensiunii uCB i
1expkTue
I EBESN dat de jonciunea emitorului ca urmare a efectului de
tranzistor.
-
2. SEMICONDUCTOARE
51
n mod similar, prin jonciunea emitorului circul:
1expkTue
I EBES , datorit tensiunii uEB aplicat i
1expkTue
I CBCSI , datorit efectului de tranzistor n regiunea activ
invers. Rezult expresiile:
+
= 1exp1expkTue
IkTue
Ii BEESNCB
CSC
= 1exp1expkTue
IkTue
Ii CBCSIEB
ESE
Cele dou ecuaii formeaz modelul Ebers - Moll al tranzistorului
bipolar.
2.5.4 Influena temperaturii asupra caracteristicilor statice
ale
tranzistorului Concentraiile purttorilor minoritari din cele
trei regiuni ale tranzistorului bipolar depind exponenial (T 3/2)
de temperatura cristalului. Aceast particularitate determin o
influen important a temperaturilor jonciunilor asupra
caracteristicilor statice ale tranzistorului. Dintre efectele cele
mai importante menionm: - creterea curentului de colector iC cu
temperatura, avnd ca efect deplasarea
spre n sus a curbelor din familia caracteristicilor de ieire
(fig. 2.27). O influen deosebit o are creterea substanial cu
temperatura a curentului de purttori minoritari ICB0 . La
tranzistoarele cu Si, curentul rezidual este extrem de mic, de
ordinul nA, astfel c ponderea sa, chiar la temperaturi ridicate,
este mai mic dect la tranzistoarele cu Ge.
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
52
- micorarea tensiunii emitor - baz (pentru iE = ct sau iB = ct),
avnd ca efect modificarea caracteristicilor de intrare, att n
schema BC, ct i n EC (fig. 2.28 a, b).
- creterea coeficientului static de amplificare N i implicit a
coeficientului N la majoritatea tranzistoarelor.
2.5.4 Stabilirea punctului static de funcionare al
tranzistorului
Pentru funcionarea corect a tranzistorului bipolar ntr-un etaj
de amplificare, aa cum s-a vzut la nceputul capitolului (cnd s-a
discutat despre tranzistor ca element comandat prin semnal, fig.
2.19 c), tranzistorul trebuie s fie alimentat n serie cu rezistena
de sarcin, astfel nct s fie asigurat funcionarea n regiunea activ a
caracteristicilor de ieire. Considerm conexiunea EC, care este de
fapt i cel mai des folosit n circuitele electronice. Asigurarea
unui punct static de funcionare n regiunea activ normal a
caracteristicilor, caracterizat de curentul de baz iB0 , curentul
de colector iC0 i tensiunea colector - emitor uCE0 , necesit
polarizarea n sens de conducie a jonciunii emitoare i a jonciunii
colectorului n sens de blocare. Aceasta se poate realiza cu
ajutorul a dou surse EC i EB (fig. 2.29). Rezistena RB din
circuitul bazei se alege astfel ca pentru o rezisten de sarcin RS
RC i o tensiune de
a
iE T1
uEB
T1>T2
T2
Fig. 2.28 Modificarea caracteristicilor de intrare cu
temperatura
a) n conexiunea BC; b) n conexiunea EC
b
iB T1
uBE
T1>T2
T2 iB = 200A
iB = 150A
iB = 100A
iB = 50A
8
6
4
2 [V]
iC[mA]
10 20 uCE5 15
40C
20C
Fig. 2.27 Modificarea cu temperatura afamiliei caracteristicilor
de ieire la un
tranzistor (conexiune EC)
-
2. SEMICONDUCTOARE
53
colector EC date, s se impun un punct de funcionare convenabil,
n regiunea activ admisibil a caracteristicii statice. Schemele din
fig. 2.29 au dezavantajul c necesit dou surse de alimentare care s
asigure funcionarea montajului, de aceea se folosete rar. Pentru
realizarea etajului de amplificare, se poate utiliza i o singur
surs de alimentare, prin care se stabilete att polarizarea
jonciunii colectorului, ct i polarizarea jonciunii emitorului. Cea
mai simpl situaie const n alimentarea bazei de la sursa de colector
EC , printr-o rezisten RB care asigur valoarea iB0 a curentului de
baz (fig. 2.30).
a
iB
+EB
+
EC
iC RC
+
b
iB
EB
+
EC
iC RC
RB RB
Fig. 2.29 Alimentarea unui tranzistor ntr-un etaj, folosind dou
surse de alimentare.
a) tranzistor pnp; b) tranzistor npn
Presupunem c sunt date caracteristicile de ieire ale
tranzistorului (ca n fig. 2.31) iC = f (uCE ,iB) precum i mrimile
EC, RB i rezistena de sarcin (de colector). Se pune problema
determinrii punctului static de funcionare, definit prin mrimile
iB0 , iC0 i uCE0. n acest scop, se scrie legea a II-a a lui
Kirchhoff pe circuitul de colector i pe circuitul de alimentare a
bazei.
iB
+
EC
iC RCRB
uCEuBE
iB
+
EC
iC RCRB
uCEuBE
a b
Fig. 2.30 Alimentarea unui tranzistor ntr-un etaj, folosind o
singur surs de alimentare.
a) tranzistor pnp; b) tranzistor npn
EC = RC iC + uCE EC = RB iB + uBE Deoarece uBE
-
SURSE
54
I CIRCUITE DE ALIMENTARE
uCE [V]
iB = 150AiB = 100A
iB = 50A
8
6
4
2
iC[mA]
10 20 5 15
10
iB = 200A
iB = 0
25
iB = 350A
iB = 250A
iB = 300A
iB = 400A
uCE0
iC0M
M
tg = RC
Fig. 2.31 Stabilirea punctului static de funcionare pentru
tranzistorul alimentat de la o singur surs
EC RB iB Pentru deducerea punctului static de funcionare n
schema din fig. 2.30, se rezolv grafic sistemul: iC = f (uCE ,iB)
EC = RC iC + uCE EC RB iB Din ultima ecuaie a sistemului rezult
imediat: iB0 EC / RB In planul caracteristicilor de ieire se face
reprezentarea grafic a dreptei statice de sarcin (ecuaia EC = RC iC
+ uCE). Intersecia dreptei statice de sarcin cu caracteristica
corespunztoare curentului iB0, determin punctul static de
funcionare M, de coordonate uCE0 , iC0 .
-
2. SEMICONDUCTOARE
55
De asemenea, dac se d tensiunea EC i punctul static de
funcionare, se pot calcula rezistenele RC i RB care s asigure
punctul static de funcionare dat. S-a artat c variaia temperaturii
produce modificarea caracteristicilor statice ale tranzistoarelor.
Considernd modificarea temperaturii la o valoare mai ridicat,
punctul static de funcionare se modific din M n M' (fig. 2.31).
Curentul de colector crete, iar uCE scade. O cerin important impus
circuitului de polarizare a tranzistorului, care nu este ndeplinit
de schemele din fig. 2.30, este asigurarea stabilitii punctului
static de funcionare la variaia temperaturii. innd seama de
influena temperaturii asupra curentului rezidual ICB0, tensiunii
uEB (corespunztoare unui curent iE = const.) i asupra factorului N
, precum i de efectul acestor mrimi asupra curentului de colector
exprimat de relaia: iC = iC (ICB0 , UEB , N), se obine variaia
total a curentului de colector, prin diferenierea relaiei i
trecerea la diferene finite:
NN
CEB
EB
CCB
CB
CC
iU
Ui
IIi
i +
+= 0
0
sau: NEBUCBIC SUSISi ++= 0 , unde
0CB
CI I
iS
= ; EB
CU U
iS = ;
N
CiS =
sunt factorii de sensibilitate ai curentului de colector, n
raport cu ICB0 , UEB i N. Micorarea variaiei iC , la modificarea
temperaturii, se realizeaz cu ajutorul unor scheme de polarizare a
tranzistorului, care asigur stabilizarea termic a punctului static
de funcionare.
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
56
NTREBRI PROBLEME 1. Cum se comport semiconductoarele din punct
de vedere al conductivitii la
temperaturi foarte joase? 2. Care este energia de activare a
electronilor de valen W dintr-un
semiconductor (exprimat n eV)? 3. Cine particip la conducie
ntr-un semiconductor intrinsec? 4. Ce efect are creterea
temperaturii asupra numrului de electroni liberi din
materialele semiconductoare? 5. Cine asigur conducia electric n
semiconductoarele intrinseci? 6. Ce relaie este ntre masa
electronului de conducie mn i masa electronului
me? 7. Care este sarcina electronului de conducie, fa de sarcina
electric elementar
e? 8. Ce relaie respect, pentru un semiconductor pur, la
echilibru termic la o
temperatur dat, concentraiile de electroni n0 i de goluri p0? 9.
Ce valen au impuritile folosite pentru a realiza un semiconductor
extrinsec
de tip n? 10. Ce valen au impuritile folosite pentru a realiza
un semiconductor extrinsec
de tip p? 11. Ce valoare poate avea din punct de vedere al
energiei un electron liber dintr-un
material semiconductor? 12. Ce valoare poate avea din punct de
vedere al energiei un gol dintr-un material
semiconductor?
-
2. SEMICONDUCTOARE
57
13. Cum depinde de temperatura absolut T concentraia de
electroni i de goluri generai prin mecanism intrinsec ntr-un
semiconductor la echilibru termic?
14. Unde este plasat nivelul energetic donor introdus ntr-un
semiconductor
extrinsec de tip n de impuritile donoare? 15. Unde este plasat
nivelul energetic acceptor introdus ntr-un semiconductor
extrinsec de tip p de impuritile acceptoare? 16. Ce se constat
din punctul de vedere al concentraiei purttorilor majoritari n
vecintatea suprafeei de separaie a unei jonciuni p n ? 17. Ce
efect are cmpul intern al regiunii de trecere creat de sarcina
spaial a unei
jonciuni p-n asupra difuziei purttorilor majoritari? 18. Cine
formeaz sarcina spaial a unei jonciuni p n ? 19. n ce relaie se
afl, la regimul de echilibru termic al unei jonciuni p-n
nepolarizate, curentul de difuzie id i curentul de conducie ic ?
20. n ce relaie se afl, pentru o jonciune p-n polarizat n sens
direct, curentul de
difuzie id i curentul de conducie ic? 21. n ce relaie se afl,
pentru o jonciune p-n polarizat n sens invers, curentul de
difuzie id i curentul de conducie ic? 22. Cum variaz la o
jonciune p-n, la aplicarea unei tensiuni inverse, limea
regiunii de trecere n funcie de concentraiile de impuriti din
zonele respective?
23. Cum se comport, din punct de vedere al conduciei electrice,
regiunea de
trecere a jonciunii p n? 24. Ce efect are asupra lrgimii
regiunii de trecere a unei jonciuni p n tensiunea
invers aplicat jonciunii? 25. Ce reprezint caracteristica static
a diodei semiconductoare?
-
SURSE I CIRCUITE DE ALIMENTARE
58
26. Ce se constat la aplicarea pe dioda semiconductoare a unor
tensiuni inverse mari?
27. Cum depinde din punct de vedere al legii matematice, n
expresia caracteristicii
teoretice a unei diode semiconductoare, curentul de tensiunea
aplicat jonciunii?
28. Ce efect are creterea temperaturii jonciunii unei diode
semiconductoare
asupra valorii curentului prin diod? 29. Cum se definete riguros
rezistena intern a unei diode semiconductoare
funcionnd n punctul static M(Ua0 , Ia0), cu variaii de semnal
mic ua , ia ? 30. Cine determin apariia capacitii de barier Cb a
unei jonciuni p-n? 31. Ce efect are asupra capacitii de barier
creterea tensiunii aplicate pe
jonciunea p-n? 32. Ce se ntmpl cu valoarea rezistenei interne a
diodei la o valoare mai mare a
curentului de punct static al diodei semiconductoare? 33. Unde
se plaseaz n mod normal punctul de funcionare la o diod Zener? 34.
Ce regiune a tranzistorului bipolar este caracterizat de cel mai
nalt nivel de
dopare cu impuriti? 35. Ce regiune a tranzistorului bipolar este
caracterizat de cel mai redus nivel de
dopare cu impuriti? 36. Care este cea mai ngust regiune ntr-un
tranzistor bipolar? 37. Cine asigur conducia ntr-un tranzistor
bipolar? 38. Cum se definete pentru un tranzistor pnp, factorul de
amplificare n curent N? 39. Cine asigur, n cea mai mare parte,
pentru un tranzistor pnp curentul de
difuzie prin jonciunea emitorului?
-
2. SEMICONDUCTOARE
40. Ce se ntmpl cu golurile n baza unui tranzistor pnp? 41. Cine
determin, pentru un tranzistor pnp, transferul aproape integral
al
golurilor din regiunea de emitor n cea de colector? 42. Care
este, pentru un tranzistor bipolar n conexiune normal, valoarea
tipic a
factorului static de amplificare n curent N ? 43. n ce relaie se
afl, pentru un tranzistor bipolar n conexiune normal, curentul
de colector i curentul de emitor? 44. Cum sunt polarizate
jonciunile tranzistorului bipolar funcionnd n regiunea
activ direct (normal)? 45. Cum sunt polarizate jonciunile
tranzistorului bipolar funcionnd n regiunea
activ invers? 46. Cum sunt polarizate jonciunile tranzistorului
bipolar funcionnd n regiunea
de blocare? 47. Cum sunt polarizate jonciunile tranzistorului
bipolar funcionnd n regiunea
de saturaie? 48. Care este valoarea tipic a factorului de
amplificare static n curent al
tranzistorului n conexiunea emitor comun N ? 49. Cum variaz,
conform caracteristicilor de intrare ale tranzistorului n
conexiunea emitor comun, pentru aceeai valoare a tensiunii uBE,
iB n funcie de uCE?
50. Ce efect are creterea temperaturii asupra curbelor din
familia caracteristicilor
de ieire pentru un tranzistor bipolar funcionnd n conexiunea
emitor comun?
59
51. Ce efect are creterea temperaturii asupra tensiunii
emitor-baz pentru un tranzistor bipolar funcionnd n conexiunea
emitor comun?
/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict >
/JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false
/DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic
/GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1
/GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true
/GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true
/GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict >
/GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict >
/JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false
/DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic
/MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1
/MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true
/MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict >
/AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false
/PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true
/PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ]
/PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [
0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile ()
/PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org)
/PDFXTrapped /Unknown
/Description >>> setdistillerparams>
setpagedevice