Poluprovodnicki elementi

Полупроводнички елементи

Мехатроника

1.Вовед

Електрониката е посебна научна дисциплина, во склоп на електротехника-та, чиј што предмет на изучување се електронските елементи, компоненти, скло-пови и уреди како од аспект на нивната анализа така и од гледна точка на развој и проектирање. Нејзиниот развиток напредува со брзи и крупни чекори, така што од неа се одвојуваат посебни гранки, како што се линеарната, имплусната и дигитал-ната електроника.

За линеарната електроника од посебен интерес е проучувањето на оние електронски кола кај кои што употребените елементи, како пасивни така и актив-ни, работат во линеарниот дел од својата карактеристика.

Имплусната електроника ги проучува оние електронски кола кои што се упо-требуваат при манипулирањето и обработката на сигнали од имплусен карактер.

Дигиталната електроника се дигиталните кола, т.е. оние импулсни кола кои оперираат со импулсни напони кои што се дигитални, претставуваат некаков број-чан податок, што значи носат информација.

Областа од електрониката што се занимава со проучување на појавата на течење на електрична струја низ вакуум, гас и цврсти тела и елементите што ра-ботат на тие појави е наречена електронски елементи. Електронските елементи влегуваат во состав на градбата на електронските склопови за вршење некоја електронска функција. Тие се нарекуваат активни елементи, бидејќи имаат спо-собност за претворање на електричната енергија од еден во друг облик. Во состав на електронските состави влегуваат и отпорниците, кондензаторите и калемите. Тие се наречени пасивни елементи, бидејќи на нив се создава само пад на напон и тие го одредуваат односот меѓу напонот и струјата низ нив. Пасивните елементи уште се нарекуваат и линеарни елементи бидејќи постои линеарна зависност по-меѓу напонот и струјата низ нив. Активните елементи се нарекуваат и нелинеарни елементи бидејќи зависноста меѓу напонот на краевите од елементот и струјата што тече низ него претставува нелинеарна функција.



2. Полупроводни материјали

Поинтензивно проучување на особините на полупроводните материјали почнува дури тогаш кога било можно да се произведат доволно чисти полупро-водници што датира од 1935 год. Во почетокот биле проучувани својствата само на поедини елементи, а подоцна и на некои соединенија и легури.

Во ова поглавје ќе бидат накратко разгледани полупроводните материјали.

2.1. Енергетски зони на полупроводните материјали

При поделбата на електротехничките материјали, во нашиот случај на ди-електриците од полупроводниците, неможеме да се користиме само со специфич-ниот електричен отпор туку мора да се разгледаат и да се земат во предвид и енергетските зони.

Во идеалните полупроводни материјали на апсолутна нула (T = O [K]), ва-лентната зона е потполно пополнета, проводната е потполно празна, а меѓу себе се поделени со забранетата зона чија широчина е од 0,2 – 3 [eV] и во неа не мо-жат да постојат електрони.

Од претходнава дефениција следува дека при T = 0 [K] полупроводните материјали имаат бесконечно голем специфи-чен електричен отпор. Меѓутоа нивната специ-фична електрична отпорност е променлива за-висно од кристалната структура, концентрација-та и видот на примесите, од надворешните вли-јанија (температура, осветлување, притисок, електрично поле и др.). На пример, со растење на температурата расте нивната специфична електрична проводност. Но, најголемото влија-

ние доаѓа од својтвата на примесните атоми кои намерно се вградуваат во чисти-те полупроводници.

Да го објасниме процесот на преминување на електроните од валентната (целосно пополнета) и проводната (потполно празна) зона. При одредени услови, некои електрони од валентната зона добиваат енергија поголема од енергијата во забранетата енергетска зона. Поради тоа тие ја преминуваат, односно за нив тоа и не постои, па се однесуваат како проводници.



2.2. Слободни носители на електрицитетот кај чистите полупроводници

Се претпоставува дека кај чист полупроводник кристалот е структурно идеа-лен и настанал со правилно повторување на основната геометриска форма. Тоа значи дека сите атоми се во своите положби и дека нема атоми во меѓуположби-те. Иако ова е теоретска идеализација, многу е погодно за проучување на основ-ните појави.

При објаснувањето ќе го користиме силициумот (Si). Тој е 4 валентен со вкупно 14 електрони. Четирите валентни електрони се здружуваат со валентните електрони на 4 соседни атоми градејќи парови со ковалентна врска. Сите ковален-тни врски се пополнети, нема слободни електрони па не може да има ни течење на електрична струја.

За да се добие слободен електрон треба да се доведе енергија во криста-лот. Притоа доаѓа до кинење на една ковалентна врска која останува непополне-та, која се вика пранзина. Со донесување на поголеми количества на енергија се добиваат повеќе раскинувања и поголем број на слободни електрони и празнини. Ослободените електрони во кристалот се движат хаотично по сложена “цик-цак” патека. Притоа можат да пополнат друга празнина.

Создавањето на слободен електрон во енергетски поглед од-говара на преминот на електронот од валентната во проводната зона. Во скоро празната проводна зона тој се движи слободно. Со неговиот премин, на местото на раскинатата ковалентна врска останува позитив-на празнина (сл.2.2.2.).

Повторно комплетирање на ковалентната врска и неутрализација на пози-тивната празнина се прави со зафаќање електрони од соседните атоми. Во енер-гетски поглед ова одговара на премин на електронот од проводната во валентната зона.



2.3. Слободни носители на електрицитет во примесни полупроводни материјали

Атомите на стран елемент во примесен полупроводник се викаат примеси или нечистотии, и неможат да бидат наполно одстраните. Но, ако нивната концентрација е многу мала тогаш тие не влијаат премногу врз електричните својства на полупроводникот.

Од најголемо значење се нечистотиите кои намерно, во точно одредена концентрација, со посебна технолошка постапка, му се додаваат на основниот полупроводник.

На сл.2.3.1. е прикажано како еден силициумов атом е заменет со еден атом на арсен или атомот од кој бил елемент на петтата колона на Периодниот систем. Четири од петте валентни електрони на арсенот формираат ковалентни врски со четирите соседни атоми на силициумот. Бидејќи сите врски се заситени, петтиот валентен електрон на арсенот неможе да формира ковалентна врска, останува врзан со својот атом само со Кулоновата привлечна сила и под дејство на атомите на силициум. Поради ова неговата врска со атомот на кој му припаѓа е послаба. При ниски температури овој електрон е блиску до својот атом, но при зго-лемување на температурата тој може да добие енергија доволна да го напушти атомот и да стане слободен електрон. По ова, арсеновиот слободен електрон ќе има повеќе позитивно електричество и ќе стане позитивно наелектризиран јон.

Бидејќи примесните атоми на арсенот даваат слободни електрони, тие се викаат донорски примеси, а полупроводникот се вика донорски или N-тип (негати-вен тип) на полупроводник. Кај овој тип доминантна улога имаат слободните елек-трони, кои се основни носители, а празнините се споредни носители.

При раскинување на ковалентните врски, покрај јонизација на донорските примеси, доаѓа до јонизација и на атомите на силициум. Поради ова и од него се ослободуваат електрони. Во овој процес, покрај електроните настануваат и праз-нини во валентната зона, кои се движат спротивно од електроните.

Друг начин на создавање примесни полупроводнички материјали е со дове-дуваење на три валентни атоми во кристалната решетка на четири валентен ма-теријал. Да ја земем како пример замената на силициумов атом со атом на бор или атом на некој елемент од третата колона на Периодниот систем. Валентните електрони на борот ќе формираат ковалентни врски со три соседни силициумови атоми. Поради тривалентноста на борот, еден од соседните атоми на силициум



нема да изгради ковалентна врска, па ќе се појави празнина. Со помош на надво-решна енергија, валентен електрон од некој силициумов атом од кристалот ќе дојде на местото на непополнетата врска (сл.2.3.2.). Сега, боровиот атом ќе има повеќе негативно количество и ќе стане негативен јон. На местото од каде дошол силициумовиот електрон ќе се појави празнина која ќе може да продолжи да се движи.

Бидејќи атомот на борот прима електрони, се нарекува примач (акцептор) на електрони, а полупроводникот се вика P-тип (позитивен тип) на полупроводник. Кај ваквите полупроводници доминантна улога имаат празнините, електроните се споредни носители.

2.4. Зависност на концентрацијата на слободните електрони и празнини од температурата

Кај примесните полупроводници концентрацијата на слободните носители на апсолутна нула е еднаква на нула, односно тие се електрично неутрални.

За да ја објасниме зависноста од температурата, како примери ќе ги земеме полупроводниците од N-тип (кај полупроводниците од P-тип процесите се иден-тични, со таа разлика што улогата на донорските примеси кај N-тип, овде ја имаат акцепторските примеси). Со растење на температурата доаѓа до јонизација на дел од донорските примеси и премин на дел од електроните од енергетското ниво во проводната зона. Со ова се зголемува концентрацијата на слободни електрони, а се смалува бројот на донорски атоми што не се јонизирани. Кога ќе дојде до пот-полна јонизација на донорските атоми, концентрацијата на електрони е еднаква со концентрацијата на донорски атоми, велиме дека донорските нивоа се потполно осиромашени односно тие се без електрони. Ова одговара на областа I од сл.2.4.1., која се вика област на примесната проводност. Со понатамошен раст на температурата, до TS , немаме промена на концентрацијата на електрони (област II). Во наредната област III наречена сопствена или интринсична, доаѓа до јони-зација и на атомите на основниот материјал. Овде, во одреден момент, со расте-ње на температурата, се добива: n = p = ni , тогаш полупроводниот материјал се однесува како чист.



3.Полупроводнички елементи

Електронските уреди кои се користат за реализација на имплусни и диги-тални кола вклучуваат пасивни и активни полупроводнички елементи. Пасивни полупроводнички елементи се диодите, а активни се транзисторите (биполарни и униполарни) и операционите засилувачи.

Во ова поглавје на кратко ќе бидат разгледани нивните функции и каракте-ристики.

3.1. Диоди

Диодата е наједноставниот пасивен прекинувачки елемент, бидејќи нема својство на засилување. И покрај едноставноста, дидите дирекно се употребуваат во скоро сите прекинувачки мрежи.

Симболот на обична PN диода е даден на сл.3.1.1.На ис-тата слика се прикажани и позитивните насоки на струјата и на-понот, и како такви ќе бидат користени во натамошните објас-нувања.

Прво да ја видиме градбата на полупроводната диода. Таа е составена од две хемиски споени плочки од P и N тип од ист материјал и има две електроди.

Ако ги споиме електродите како на сл.3.1.2.а), позитивниот пол за P тип, а негативниот за N тип, во колото ќе протече голема струја. Ваквата струја ја доби-

ваме затоа што на PN преминот се собираат слободните електрони и празнини, па отпорот овде е многу мал и се формираат услови за протекување на струја.

Кога ќе се промени поларитетот на изво-рот, протокот на струјата е многу мал, незабе-лежителен. Во овој случај, сл.3.1.2.б), празни-ните и електроните се собираат на надвореш--

ните површини, па отпорот на преминот е голем, а струјата скоро и да не постои.

Насоката во која се добива голема струја се вика пропусна насока, а насо-ката во која не тече струја непропусна.



3.1.1. Статички (стационарни, стабилни) состојби

Кај диодата разликуваме две стационарни состојби: состојба на проведу-вање и состојба на непроведување. Во која состојба ќе се наоѓа диодата зависи од напонот на поларизација на нејзините краеви.

Кога диодата е директно (пропусно) поларизирана низ неа протекува струја со голема јачина, а напонот на нејзините краеви е 0.75 [V]. При ваквата полари-зација, на мали промени на напонот одговараат релативно големи промени на струјата. Овде предпоставуваме дека отпорноста на диодата е занемарливо мала, па струјата е ограничена со отпорот на надворешните елементи во колото на диодата.

Утврдено е дека ако напонот падне на 0.65 [V], струјата ќе се намали за околу 50 пати. За напон понизок од овој низ диодата не протекува никаква струја. Затоа, напонот U=0.65 [V] се вика напон на праг на проведување на диодата а за вредности пониски од него диодата е инверзно поларизирана.

Важно е да се знае дека со зголемување на напонот на инверзна полариза-ција постои опасност инверзната струја на заситување нагло да добие голема вредност што ќе предизвика нејзин пробив и оштетување. Ваквиот напон се наре-кува инверзен напон на пробив.

3.1.2. Паразитни капацитивности кај диодата

Поради брзо променливи сигнали или сигнали со висока фрекфенција, ди-одата брзо преминува од една во друга стационарна состојба. Заради тоа се по-јавуваат паразитни капацитивности.

Кај неполаризиран PN спој густината на малцинските носители е констант-на. За разлика од ова, при инверзна поларизација густината на малцинските носи-тели во околината на контактната површина е мала, додека на самиот спој таа е нула. Оваа капацитивност се нарекува бариерен капацитет.

При директна поларизација, доаѓа до натрупување на малцинските носите-ли во близина на PN спојот и формирање на ексцесен (вишок) полнеж во однос на распределбата на полнежот кога диодата е неполаризирана.

При премин од директна во инверзна полазирација, растоварувањето на натрупаните споредни носители е прилично бавно поради нивното дифузно дви-жење. Во случај на премин од инверзна во директна поларизација прво ќе мора да се постигне соодветна густина на споредни носители во околината на спојот и формирање на ексцесниот полнеж.



3.1.3. Брзина на префрлање

Премин од една во друга состојба е одреден со некое конечно преодно време, карактеризирано со времето на вклучување и исклучување кои што ја ограничуваат брзината на промена на состојбите.

Ако диодата била долго време инверзно поларизирана, тогаш во околината на спојот доаѓа до израз бариерната капацитивност. При промена на напонот, од негативно на позитивно ниво, треба да помине одредено време за да се наполни ексцесниот полнеж. Дури потоа низ диодата ќе протече директна струја со зна-чителен интензитет. Ова време е прилично кратко и се нарекува време на вклучување.

Ако пак претпоставиме дека диодата била долго време директно поларизи-рана, во околината на спојот доаѓа до формирање на ексцесен полнеж. При евен-туална промена на напонот на краевите на диодата, ќе треба да помине одредено време за густината на ексцесниот полнеж да падне на нула, т.е. да се постигне константна распределба на густината, како во случај кога е неполаризирана. Вре-менскиот интервал потребен за ова се нарекува време на растоварување. Во овој период диодата продолжува да проведува струја со спротивна насока, одреден со надворешната отпорност на колото. Напонот на диодата добива негативни вред-ности, а јачината на диодната струја опаѓа како што преостанатиот полнеж се празни. Овој временски период се вика време на опаѓање, а ќе биде завршен кога малцинските носители по пат на дифузија ќе поминат преку спојот и распределба-та на малцинските носители ќе стане нула.

3.1.4. Шоткиева диода

Овој тип на диода се формира со спојување на метал и полупроводник. На пример, со спојување на алуминиум и силициум се добива диодата што е позната како Шоткиева диода, чиј симбол е даден на сл.3.1.4.1.

Нејзини најважни својства се поголемата оперативна брзина во однос на обичните диоди и во зависност од упо-требениот метал, прагот на проведување е во опсег од 0,2 – 0,5 [V].

Кај овие диоди директната поларизација се остварува ако металот е на повисок потенцијал. Со оваа поларизација електроните од N-типот на полупроводник го преминуваат

спојот и навлегуваат во металот, каде што не претставуваат малцински носители и не формираат ексцесен полнеж. Електроните што го поминале спојот нема по-



треба да се враќаат назад, бидејќи се “исти” со оние што од секогаш се во мета-лот. Поради ова, времето на растоварување е занемарливо.

3.1.5. Зенер диода

Симболот на Зенер диодата е даден на сл.3.1.5.1. Најчесто се користи за стабилизација или за ограничување на напонот.

Таа е полупроводничка диода изведена на спе-цијален начин, со зголемен процент на хемиски приме-си во двете подрачја, што и дава можност таа исправ-но да работи и при инверзни напони во околина на по-драчјето на пробив. Кај неа е дефиниран т.н. Зенеров напон на пробив чијашто вредност е поголема од про-

бивниот напон на обична диода.

Ако напонот ја достигне вредноста на Зенеровиот или има тенденција на пораст, тогаш низ диодата ќе протекува струја со значителна јачина и тоа во ин-верзна насока од K кон A. Покрај ова, евентуалната промена на интензитетот на инверзната струја нема да предизвика промени на напонот на нејзините краеви така што тој останува фиксиран. Ова значи дека Зенер диодата може да води со значителна струја, но при тоа да не се оштети и при нејзина инверзна полариза-ција во околината на подрачјето на пробив. Меѓутоа, евентуалното зголемување на струјата низ диодата зависи од нејзините можности за дисипација на моќноста. Ако биде надмината нејзината максимална моќност на дисипација, јасно е дека ќе дојде до трајно оштетување на диодата.

3.1.6. Капацитивни (Варикап) диоди

Капацитивни (Варикап) диоди се полупроводнички диоди чија капацитив-ност се менува со приклучениот напон.

Називот “варикап” потекнува од првите букви на англис-ките зборови “VARIable CAPacity” (променлива капацитивност). Нејзиниот симбол е даден на сл.3.1.6.1.

Варикап диодите за ниски фрекфенции се прават од си-лициум, а подрачјето на промена на капацитивноста е од 5 – 200 [pF]. Високо-фрекфентните варикап диоди се од германиум или галиум-арсенид и имаат по-драчје на промена на капацитивноста од 0,02 [pF] до неколку пикофаради.



Капацитивните диоди се применуваат во радио и телевизиската техника и во колата за автоматско регулирање на фрекфенцијата, како променливи конден-затори за електрично управување.

3.1.7. Прекинувачки (импулсни) диоди

Прекинувачките (импулсни) диоди се употребуваат во дигиталните преки-нувачки кола за вршење на логички операции со електрични сигнали од импул-сивен облик.

Прекинувачките диоди со добри особини се добиваат со додавање примеси од злато или со епитаксијална постапка.

3.1.8. PIN диоди

PIN диодите се состојат од три полупроводнички плочки. Помеѓу подрачјата на P и N типот, се наоѓа област на чист полупроводник означена со I.

Овие диоди се користат како кондензатори за многу високи фрекфенции или како отпорници со променлива отпорност.

Слабо проводната област на чистиот полупровод-ник се поставува како диелектрик помеѓу проводните подрачја P и N, кои одговараат на облогите на конденза-торот. При инверзна поларизација, запречниот слој се проширува низ

целото I подрачје, па диодата може да се користи како квалитетен кондензатор со мали загуби. Капацитивноста не зависи од напонот на полариза-ција, бидејќи широчината на запречниот слој во P и N подрачјето е занемарлива во однос на широчината на изолаторскиот I слој.

Кога PIN диодата е директно поларизирана, проводноста на I слојот се ме-нува со јачината на струјата во директна насока. На тој начин диодата има улога на отпорник кој ја менува вредноста со големината на приклучениот напон и може да се употребува како прекинувачки елемент или како модулатор на многу високи фрекфенции.

3.1.9. Тунел диода

Тунел диодите се полупроводнички елементи со еден PN спој и со зголемен процент на хемиски примеси. На сл.3.1.9.1. е даден симболот на една ваква диода.



Широчината на запречниот слој во PN спојот е обратно пропорционална со квадратниот корен на концен-трација на слободните носители на електричество. Тунел диодите, поради зголемениот процент на хемиски примеси, имаат значително смалена ширина на запречниот слој. Сло-бодните носители на електричество и при мали инверзни

напони, успеваат да поминат низ тесната област на запречниот слој.

Овие диоди се употребуваат како елементи во прекинувачки и засилувачки кола, а најчесто во осцилаторни кола каде доаѓаат до израз нивните добри особи-ни: можност за работа при високи фрекфенции, ниско ниво на шум и работа на ви-соки температури.

3.2. Транзистори

Транзисторот претставува кристал од силициум, кај кој слој од P тип полу-проводник е формиран и сместен помеѓу два слоја од N тип полупроводник. Овој

транзистор се нарекува NPN транзистор. Постои и PNP транзистор кај кој слој од N тип полупроводник е сместен помеѓу

два P тип полупроводника. Транзисторот е пронајден 1948год.(Барден и Британ) и не-говиот развој се шири од 1949(Шокли). На сл.3.2.1. се прикажани графичките

симбо-ли на NPN и PNP транзистор. Транзисто-рот има три електроди што излегуваат од секое подрачје и се нарекуваат емитер база и колектор. Работата на транзисторот се темели на инјекција на миноритетни носители од емитерот во базата, на транс-портот на миноритетните носители низ базата и собирање на носители во колек-торот.

3.2.1. Статички карактерискики на транзисторот

Кај транзисторот се дефинира влезно и излезно коло. За спој со заеднички емитер влезно коло е колото во кое се базата и емитерот, а излезно коло е колото во кое се колекторот и емитерот. Под влезни карактеристики се подразбира завис-носта на влезната струја Ib од влезниот напон Ube, додека излезниот напон Uce е параметар. Излезните карактеристики ја даваат зависноста на излезната струја Ic

во функција од излезниот напон Uce, а влезната струја Ib е параметар.



За излезен напон Uce>1[V], транзисторот е во нормално активно подрачје и излезната струја Ic е пропорционално со влезната струја Ib. При константна струја на базата, со промена на напонот Uce, доаѓа до промена на струјата Ic. За Uce<1[V], транзисторот е во заситување и струјата Ic

3.2.2. Биполарни транзистори

Биполарниот транзистор е најзначајниот прекинувачки елемент што се упо-требува за градба на современи импулсни кола бидејќи се карактеризира со сите

потребни својства за тоа: голема брзина на работа, големо за-силување, изолираност на излезот од влезот итн. Прекинувач-ките својства на БТ ќе ги обработуваме земајќи за анализа NPN тип на силициумски транзистор. На сл.3.2.2.1. прикажана е неговата симболичка ознака при што за напоните и струите ќе ги усвоиме означените насоки.

Кога транзисторот се користи како прекинувач вообичаено е тој да работи во едно од следниве подрачја: закочување, заситување, нормално активно подрачје и инверзно активно подрачје.

3.2.2.1. Подрачје на закочување (блокирање,непроведување)

Во закочување и двата PN споеви се инверзно поларизирани, така што низ транзисторот протекува многу мала инверзна струја на заситување на колектор-скиот спој, која што може да се занемари. Напонот Uce е максимален и приближно еднаков на напојувањето. Бидејќи сите струи на транзисторот се занемарливо ма-ли, тој се однесува како отворен прекинувач.

Како за диодата така и за транзисторот треба да се знае неговиот напон на праг на проведување кои што се однесува на напонот Ube и изнесува U γ≈0.65 [V].

Така, може да се усвои дека ако Ube < U γ≈0.65 [V], транзисторот е непрово-ден и во идеален случај сите негови струи се еднакви на нула.

3.2.2.2. Нормално активно подрачје

Тогаш кога емитерскиот спој е дирекно поларизиран, а колекторскиот инвер-зно, колекторската струја, која е излезна има прилично голем интензитет и зависи линеарно со промената на брзината, т.е. од влезната струја. За ова поларизација може да се смета дека транзисторот одговара на затворен прекинувач, но во ова подрачје излезната отпорност на транзисторот е голема заради инверзната пола-



ризација на спојот база-колектор, што е непожелно во прекинувачките операции, така да активниот режим не е од голем интерес.

Транзисторот се однесува како линеарен елемент како засилувач, тогаш ко-га е поларизиран во нормалното активно подрачје. Ваквиот режим на работа се постигнува со директна поларизација на спојот база-емитер Ube ≥ U γ ≈0.65 [V], и инверзна поларизација на спојот база-колектор Ubc ≤0 [V]. Во ова подрачје на ра-бота се дефинира хибридниот параметар hFE кој што го претставува еднонасоч-ното струјно засилување во спој со заеднички емитер. Вредноста на параметарот hFE варира во зависност од подрачјето на работа на транзисторот, и за различни примероци од еден ист тип транзистор.

3.2.2.3. Подрачје на заситување (сатурација)

Втората стационарна состојба ќе се случи тогаш кога напонот Uce ќе има минимална вредност, а колекторската струја Ic максимална. Тоа може да се испол-ни ако транзисторот биде поларизиран во заситување, кога и двата PN споеви се директно поларизирани. Во овој режим на работа напоните на секој PN спој поеди-нечно, или на нивна комбинација, не се поголеми од 1 [V], така што транзисторот тогаш кога е заситен се однесува како затворен прекинувач.

Кога транзисторот се наоѓа во подрачјето на заситување неговиот напон Ube

≈0.75 [V]=Ubes. Во овој случај и колекторскиот и емитерскиот слој се директно пола-ризирани, при што напонот Uce ≈0.2 [V]=Uces.

Подрачјето на заситување настапува по нормалното активно подрачје, ако напонот база-емитер се зголеми толку што базната струја прими вредности за кои што колекторската струја ќе се ограничи, ќе се засити, и нема повеќе да може да ги следи промените на базната струја. Во подрачјето на заситување напонот Ube и напонот Uce се фиксираат на малите вредности. Во ова подрачје колекторската струја има голема вредност и не зависи од зголемувањето на базната струја.

3.2.2.4. Инверзно активно подрачје

Во одредени примени транзисторот се употребува на инверзен начин така што колекторот и емитерот си ги менуваат местата, т.е колекторот станува заед-нички извод, додека излезот се зема од емитерот.

Ако спојот база-емитер е инверзно поларизиран, додека база-колектор ди-ректно, станува збор за инверзно активно подрачје на работа, за кое што ќе биде карактеристичен хибридниот параметар hfc кој што претставува еднонасочно струј-но засилување во спој со заеднички коектор. Во ова подрачје емитерската струја



ќе биде пропорционална на базната што укажува на тоа дека емитерската струја ја менува насоката на течење, сега таа влегува во транзисторот. Овде треба да истакнеме дека струјното засилување во спој со заеднички колектор hfc типично прима вредности во опсегот од 0.01 до околу 0.25, што е последица на начинот на фабрикација на транзисторот. Може да се претпостави дека целата базна струја што влегува во транзисторот излегува од колекторот, додека емитеската струја е многу помала, и приближно еднаква на нула. Границата помеѓу инверзното актив-но подрачје и заситување се случува во оној момент кога напонот колектор-еми-тер опадне на нула.

Транзисторот, во идеален случај, моментално преминува од закочување во заситување или обратно, бескрајно кусо време се наоѓа во активен режим на ра-бота. Улогата на активниот регион е значајна само во преодниот режим кога доаѓа до промена на стационарните состојби. Во прекинувачки режим на работа на тран-зисторот инверзното подрачје многу поретко се сретнува.

3.2.2.5. Биполарен транзистор од PNP тип

Биполарните транзистори од PNP тип можат да се најдат во истите подрач-ја на работа како и транзисторите од NPN тип. Во овој случај поларизацијата на транзисторот се остварува со негативно напојување доведено на неговиот колек-тор. Сите струи треба да имаат обратни референтни насоки во однос на NPN

транзисторот за да имаат позитивни вредности, како што е прикажано на сл.3.2.2.5.1. покрај ова добро е да се разгле-дуваат обратните насоки и за напоните на транзисторот, а посебно за емитер-база и емитер-колектор, за да и тие имаат позитивни вредности, така што напонот Uγ=0.65 [V], но сега тоа е карактеристична вредност на напонот Ueb. Слично важи и за другите карктеристични вредности.

3.2.2.6. Брзина на префрлање

Транзисторот, во идеален случај, моментално преминува од закочување во заситување или обратно, и бескрајно кусо време се наоѓа во активен режим на ра-бота. Улогата на активниот регион е значајна само во преодниот режим кога доаѓа до промена на стационарните состојби. Во прекинувачки режим на работа на тран-зисторот инверзното подрачје многу ретко се сретнува.

Самиот факт што во транзисторот постојат два PN споеви не наведува на заклучок дека и кај него ќе постои одредено ограничување во брзината на работа кога транзисторот преминува од една стационарна состојба во друга.



За да се префрли транзисторот од непроводна во проводна состојба по-требно е на неговиот влез, во базата, да се промени негативното ниво на напонот и да се донесе позитивен побуден напон. И да претпоставиме дека дека промена-та на амплитудата на влезниот напон е моментална, зголемувањето на колектор-ската струја се врши побавно и со одредњно задоцнување, за што е потребно вре-ме на вклучување на овој електронски прекинувач. Времето на вклучување е збир на две временски периоди, времето на пораст и времето на доцнење. Првиот пе-риод се однесува на времето потребно излезната колекторска струја да го проме-ни нивото од 10% на 90% од својата конечна вредност, при што вообичаено е во ова време да се пресметува и периодот колекторската струја да го достигне ниво-то од 10%. Времето на доцнење се однесува на временскиот период да дојде до пораст на базниот напон Ube до вредноста на прагот на провдување на транзисто-рот Uγ и времето што им е потребно на млцинските носители преку базата да стигнат до колекторскиот спој. За време на порастот на базниот напон се одвива процес на полнење на паразитните капацитивности на транзисторот, па брзината на пораст на базниот напон ќе биде експоненцијална функција условена од голе-мината на овие капацитивности и од струјата на полнење. Вториот временски ин-тервал кога се воспоставува значителна колекторска струја е доста пократок во однос на времето потребно за полнење на преодните капацитивности.

Одредено доцнење на одзивот постои и при преминот на заситување во за-кочување кога екситациониот напон нагло ја менува амплитудата од позитивно на негативно ниво, за што е потребно време на исклучување. Ова време опфаќа два периода а тоа се времето на растоварување и времето на опаѓање.

Во врска со преодните состојби што се случуваат кај транзисторот можеме да заклучиме дека времето на вклучување ќе се скрати ако се зголеми интензите-тот на базната струја на вклучување, но од друга страна ќе се проолжи времето на исклучување на транзисторот, бидејќи на споевите ќе постои поголема густина на споредни носители. Овој натрупан полнеж во телото на базата овозможува тече-ње на база струја со инверзна насока, која го растоварува ексцесниот полнеж и овозможува колекторската струја практично да падне на нула. Оваа струја има константна јачина се додека не опадне колекторската струја, така што времето на растоварување значително ќе се смали ако напонот на инверзна поларизација има поголема амплитуда. Прекинувачките карактеристики на транзисторот зави-сат и од неговите физички карактеристики. Така преодните периоди значителни ке се скратат доколку се употребуваат транзистори со повисока гранична фрек-фенција, т.е. со примена на квалитетни VF транзистори.



3.2.2.7. Шоткиев транзистор

Забразување на работата на прекинувачките кола изведени со биполарни транзистори може да се постигне со употреба на транзистори кои за цело време доека водат, се наоѓаат во активен режим и не влегуваат во заситување. Со ова се смалува натрупаниот полнеж во транзисторот и тој побрзо може да се извлече од проведување и да се закочи. Реализацијата на оваа идеја може да се изведе така што помеѓу базата и колекторот на транзисторот ќе се поврзе Шоткиева дио-да и тоа со анодата на базата, а со катодата на колекторот, како што е прикажано на сл.3.2.2.7.1.а), со што се добива т.н. Шоткиев транзистор чија симболичка озна-ка е дадена на сл.3.2.2.7.1.б). Напонот на прагот на проведување на Шоткиевата диода Uak=Uγ е помал во однос на обичните силици-умски диоди, а типично

изнесува околу 0.35 [V]. Ако на базата од Шоткиевиот транзистор се донесе ви-соко ниво, транзисторот ќе води во нормално актив-но подрачје бидејќи Шоткиевата диода го ограничу-ва напонот база-колектор Ubc приближно на 0.35 [V], и не може повеќе да се смалува, т.е. не може да стиг-не до најниското ниво Uces≈0.2 [V] за да се засити

транзисторот. Значи, високото ниво на базата го поларизира Шоткиевиот транзис-тор во нормално активно подрачје, но блиску до границата со заситување. Заради ова тој ќе води со доста голема колекторска струја, така што напонот колектор-емитер Uce ќе биде доста низок, иако малку повисок од Uces оневозможувајќи го заситувањето на колекторскиот спој.

3.2.3. Униполарни транзистори

За униполарните транзистори карактеристично е тоа што струјата која тече во нив е составена само од еден тип на носители, од каде што го добиле своето име. Оваа струја е составена само од мнозински, главни носители на електриче-ство. Протекувањето на струјата во транзисторот зависи од проводниот канал кој што се формира во внатрешноста на полупроводникот. Во конструктивен поглед униполарните транзистори се изработуваат како спојни FET-ови или MOSFET-ови, при што постојат N-канални и P-канални транзистори. Кај N-каналните униполарни транзистори струјата што протекува се создава до електрони, додека кај P-канал-ните таа е составена од празнини.

При изработка на FET-от се извлекуваат три електроди, и тоа гејт (управу-вачка електрода), сорс(довод, извор) и дрејн(одвод). Од MOSFET-от се извлекува уште еден извод база(супстрат).



3.2.3.1. FET

Кај FET-от спојот гејт-сорс се изведува како инверзно поларизран PN спој. Слично како кај диодата и биполарниот транзистор и кај FET-от се дефинира праг на проводност кој што се вика напон на допир и се означува co Up, а истиот прет-ставува определена каректерисатична вредност на напонот помеѓу гејт и сорс UGS

која што ја дава произведувачот на транзисторот. За N-каналниот FET чии што симбол е даден на сл.3.2.3.1.1.а), вредноста на напонот за допир Up е негативна, така што FET-от ќе се наоѓа во запирното подрачје само ако напонот Ugs е поне-гативен од Up , т.е. ако Ugs < Up, при што Id =0.

За да проведува FET-от неопходно е Ugs ≥ Up. Покрај ова ако е исполнет условот |Uds|>| Ugs

- Up |, тој ќе проведува во подрачјето на кон-стантни струи, додека во обратен случај кога |Uds|<| Ugs - Up | тој ќе биде поларизиран во ом-ското подрачје на работа.

Напонот на прагот на проводност Up има спротивен поларитет од напојувањето што представува еден недостаток во однос на биполарниот транзистор, бидејќи прекинувачките степени со FET неможат ди-рекно да се надоврзат еден на друг. Имено, напонот Uds може да биде или на ви-соко ниво во близина на напојувањето, или на ниско позитивно ниво во околина на нулата. Ако овој напон се земе како излезен, и директно се носи на влезот од некој друг FET помеѓу неговиот гејт и сорс, тогаш вториот транзистор секогаш ќе биде проводен, бидејќи Up <0, и уште повеќе, Up сигурно е помал од било кое високо по-зитивно ниво.

Освен ова, напонот Up е ред на величина од неколку волти, што е втор не-достаток на FET-от. Ако покрај ова се дедаде и фактот дека времето на преми-нување низ подрачјето на константни струи т.е. времето на преодниот режим е по-долго, со што се смалува брзината на работа на FET-от, веднаш станува јасно зошто FET-от има мала примена во прекинувачките мрежи.

Симболот на P- каналниот FET прикажан е на сл.3.2.3.1.1.б). За негова правилна поларизација потребно е напојувањето кое што се носи на дрејнот да биде негативно, бидејќи сега струјата ќе се формира само од празнини, додека прагот на проводност е позитивен и повторно има спротивен знак. Условите за промена на режимите на работа на P- каналниот FET ќе бидат исти како кај N- каналниот FET ако се дефинираат спротивни референтни насоки на струите и напоните.



3.2.3.2. MOSFET

MOSFET-ите се изработуваат со вграден(формиран) и со индуциран канал. И кај MOSFET-от се дефинира напон на праг на проводност кој што се означува со Ut, а бидејќи претставува карактеристична вредност на напонот Ugs ние ќе го озна-чуваме со Ugst. Напонот Ugst кај MOSFET-от со вграден канал има спротивен пола-ритет од напојувањето, но кај MOSFET-от со индуциран канал поларитетот на Ugst

и напојувањето е ист.

Симболичка ознака на N- каналниот MOSFET со индуциран канал прика-жана е на сл.3.2.3.2.1.а), додека на оној со вграден канал на сл.3.2.3.2.1.б). Кај MOSFET-от со вграден канал преломниот напон Ugst е негативен, но затоа N- ка-налниот MOSFET со индуциран канал има позитивен праг на проведување. Стру-јата на дрејнот и кај N- каналниот MOSFET се создава од електрони, па затоа на-понот Uds треба секогаш да биде позитивен, а дрејнот приклучен на напојување. Заради потребата од директно поврзување на MOSFET-ите во прекинувачките ко-ла најчесто се користат MOSFET-и со индуциран канал.

И за MOSFET-от со вграден канал и за MOSFET-от со индуциран канал важ-но е тоа што транзисторот ќе биде закочен ако напонот Ugs е помал од Ugst. Со оваа поларизација струјата на дрејн не протекува, Id=0, а напонот Uds е максима-лен. Оваа состојба одговара на отворен прекинувач.

И кај MOSFET-от преодниот режим од запирање во триодното подрачје се изведува преку подрачјето на константни струи(заситување) во кое што транзисто-рот проведува и покажува својство на засилување.

За P- каналниот MOSFET важи скоро се она што го наведовме за N- каналниот, со единствена разлика во вредностите на прагот на проведување Ugst и напојувањето. Симболот на P- каналниот MOSFET со индуциран ка-нал прикажан на сл.3.2.3.2.2.а), додека со формиран канал на сл.3.2.3.2.2.б).

За P- каналниот MOSFET со вграден канал на проведување Ugst е позити-вен, додека напојувањето е негативно, а кај MOSFET-от со индуциран канал и на-појувањето и прагот Ugst се негативни. За да се работи со позитивни вредности на струјата на дрејн и другите напони, потребно е струјата на дрејн да се означи дека излегува од транзисторот, а меѓуелектродните напони да бидат Usg, Uds и напонот Ugst да се дефинира како критична вредност на Usg т.е. како Ugst.



Големата вредност на напонот на прагот Ugst и уште поголема вредност на напојувањето предизвикуваат MOSFET-ите да не се компатибилни со биполарни-те транзисторски кола кај кои што напонот на напојување е најчесто 5 [V]. Поради ова се појавува потребата од производство на MOSFET-и со помал Ugst , со што би се намалило напојувањето и би се зголемила брзината на работа. Прекинувачките степени со MOSFET-и кои имаат индуциран канал можат директно да се поврзу-ваат затоа што влезните и излезните напони имаат ист поларитет. Ова е од посе-бен интерес за изработката на интегрирани кола, бидејќи MOSFET транзисторите се многу погодни заради едноставното производство и големата густина на паку-вање. Во поглед на брзината на работа MOSFET-от заостаниува зад биполарниот транзистор затоа што зголемените отпорности ги зголемуваат временските кон-станти на прекинувачот, но од друга страна, ја смалуваат непотребаната потро-шувачка на моќност т.е. дисипацијата. Посебно во поглед на брзината на работа N-каналните MOSFET-и се доста побрзи од P-каналните заради тоа што подвиж-носта на електроните е скоро три пати поголема од мобилноста на празнините.

3.3. Тиристори

Тиристори се нарекуваат најразлични четирислојни PNPN елементи. Во поглед на надворешното коло тиристорите можат да имаат две, три, или четири електроди за приклучување. Основна примена на тиристорите е како насочувач или како прекинувач. Тие се многу ефикасни бидејќи сопствената потрошувачка на моќност им е мала, а тие управуваат со големи моќности што се предаваат на по-трошувачот. Низ нив може да тече струја од преку 1000 [A], додека напонот на пробив е над 2 [kV]. Тиристорите се прават исклучиво од силициум. Тиристорот со две електроди се нарекува диоден тиристор, четири слојна диода или Шоткиева

диода. Неговиот шематски приказ, графички сим-бол се дадени на сл.3.3.1. Електродите се изведени од надворешните слоеви P1 и N2 и тие се наречени анода и катода. Ако на анодата се приклучи пози-тивниот пол од анодниот напон UA струјата низ че-тирислојната диода IA ќе биде мала се додека на-

понот не ја достигне вредноста UPMO што се нарекува напон на прелом. Вредноста на напонот на прелом зависи од конструкцијата на тиристорот и се движи од 20 [V] – 2 [kV]. Кога ќе биде достигнат напонот на прелом, тиристорот проведува и него-виот напон паѓа на многу мала вредност од 1-2 [V], додека струјата може да биде многу голема. За да се заштити тиристорот од преголеми струи што би го уништи-ле, струјата се ограничува со помош на отпорност во надворешното коло.

Бидејќи тиристорот се однесува како прекинувач само во директно подрачје, се нарекува еднонасочен тиристор. Покрај него, постои и двонасочен диоден ти-



ристор што ги има особините на прекинувач во двете подрачја. Двонасочниот тиристор може да се сфати како два еднонасочни тиристори што се врзани пара-лелно и спротивно. Двонасочниот диоден тиристор обично се нарекува дијак.

Најзначаен тип на тиристор е еднонасочниот триоден тиристор кој скратено се означува со SCR. Кај него, покрај анодата и катодата, постои и трета електрода од подрач-јето p2, што се нарекува управувачка или контролна елек-трода G. На сл.3.3.2. се дадени шематскиот приказ и гра-

фичкиот симбол. Триодниот тиристор има иста карактеристика како и диодниот тиристор. Меѓутоа, ако на контролната електрода од триодниот тиристор се при-клучи позитивен напон спрема катодата, низ неа ќе потече струја IG и со тоа се намалува напонот на прелом. Со други зборови, со промена на струјата низ кон-тролната електрода, се контролира напонот при кој тиристорот поминува од ис-клучена во вклучена состојба. Кога тиристорот е во вклучена состојба, напонот на управувачката електрода нема никаква улога. Тиристорот се исклучува ако стру-јата IA падне под вредноста IH. Покрај еднонасочен триоден тиристор, постои и двонасочен триоден тиристор, наречен тријак. Исто како и диодниот двонасочен тиристор, и овој може да биде вклучен при позитивни и при негативни анодни на-пони, додека напонот на управувачката електрода може да биде позитивен или негативен.

Конструирани се и се произведуваат многу други типови тиристори со најразлични дополнителни карактеристики во однос на карактеристиките на ос-новниот тип. Тука ќе ги споменеме фототиристорите (LASCR), тиристорите со исклучување со импулс на управувачката електрода (GTO), тетродните тиристори со четири електроди и др.



4.Користена литература

Дип.инж. Вначо Ивановски, Дип.инж. Зоран Угуровски - “Електротехнички материјали” – “Просветно Дело” Скопје , 1992;

Дип.инж. Јани Сервини - “Импулсна и дигитална електроника - 1” - “Просветно Дело” Скопје , 1997;

Дип.инж. Јани Сервини, Дип.инж. Марија Дужевиќ - “Импулсна и дигитална електроника - 2” - “Просветно Дело” Скопје , 1997;

Д-р Љубен Јаневм, М-р Лидија Ололоска-Гагоска - “Основи на електроте-хниката - 1” - “Просветно Дело” Скопје , 1993;

Дип.инж. Милутин Петковиќ - “Електроника” - “Просветно Дело” Скопје , 1990;

Проф. Д-р Методија Камиловски - “Вовед во електрониката” – Скопје, 1998.



Содржина

1. Вовед ..............................................................................................стр.12. Полупроводни материјали.............................................................стр.2

2.1. Енергетски зони на полупроводните материјали.................стр.22.2. Слободни носители на електрицитетот кај

чистите полупроводници......................................................стр.32.3. Слободни носители на електрицитетот во примесните

полупроводни материјали.....................................................стр.42.4. Зависност на концентрацијата на слободните електрони

и празниниод температурата.................................................стр.53. Полупроводнички елементи...........................................................стр.6

3.1. Диоди......................................................................................стр.63.1.1. Статички(стационарни, стабилни) состојби..................стр.73.1.2. Паразитни капацитивности кај диодата.......................стр.73.1.3. Брзина на префрлање...................................................стр.83.1.4. Шоткиева диода............................................................стр.83.1.5. Зенер диода...................................................................стр.93.1.6. Капацитивни(варикап) диоди.......................................стр.93.1.7. Прекинувачки(импулсни) диоди.................................стр.103.1.8. PIN диоди.....................................................................стр.103.1.9. Тунел диоди.................................................................стр.10

3.2. Транзистори ..........................................................................стр.113.2.1. Статички карактеристики на транзисторот.................стр.113.2.2. Биполарни транзистори..............................................стр.12

3.2.2.1. Подрачје на закочување....................................стр.123.2.2.2. Нормално активно подрачје..............................стр.123.2.2.3. Подрачје на заситување.....................................стр.133.2.2.4. Инверзно активно подрачје...............................стр.133.2.2.5. Биполарен транзистор од PNP тип.....................стр.143.2.2.6. Брзина на префрлање........................................стр.143.2.2.7. Шоткиев транзистор...........................................стр.16



3.2.3. Униполарни транзистори.............................................стр.163.2.3.1. FET……………………………………………………………………стр.173.2.3.2. MOSFET……………………………………………………………стр.18

3.3. Тиристори............................................................................стр.194. Користена литература...................................................................стр.21

Documents

Poluprovodnicki elementi