Halbleiterbauelemente - Kurzanleitung

Es ist weithin zu sehen, dass der Abstand eines Kerns vom Elektron eines bestimmten Atoms nicht gleich ist. Normalerweise drehen sich Elektronen in einer genau definierten Umlaufbahn. Eine bestimmte Anzahl von Elektronen kann nur durch äußere Hülle oder Umlaufbahn gehalten werden. Die elektrische Leitfähigkeit eines Atoms wird hauptsächlich von den Elektronen der Außenhülle beeinflusst. Diese Elektronen haben viel mit der elektrischen Leitfähigkeit zu tun.

Leiter und Isolatoren

Die elektrische Leitung ist das Ergebnis einer unregelmäßigen oder unkontrollierten Bewegung von Elektronen. Diese Bewegungen bewirken, dass bestimmte Atome gut sindelectrical conductors. Ein Material mit einer solchen Art von Atomen hat viele freie Elektronen in seiner äußeren Hülle oder Umlaufbahn.

Vergleichsweise ein insulating materialhat eine relativ kleine Anzahl von freien Elektronen. Folglich neigen die Außenhüllenelektronen von Isolatoren dazu, ihren Platz festzuhalten und lassen kaum Strom durch sie fließen. Daher findet in einem Isoliermaterial eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit statt.

Halbleiter

Zwischen Leitern und Isolatoren gibt es eine dritte Klassifizierung von Atomen (Material), die als Halbleiter bekannt sind. Im Allgemeinen liegt die Leitfähigkeit eines Halbleiters zwischen den Leitfähigkeiten von Metallen und Isolatoren. Bei einer Temperatur von absolut Null wirkt der Halbleiter jedoch auch wie ein perfekter Isolator.

Silicon und germaniumsind die bekanntesten Halbleiterelemente. Kupferoxid, Cadmiumsulfid und Galliumarsenid sind einige andere Halbleiterverbindungen, die häufig verwendet werden. Diese Arten von Material werden im Allgemeinen als Elemente des Typs IVB klassifiziert. Solche Atome haben vier Valenzelektronen. Wenn sie vier Valenzelektronen abgeben können, kann Stabilität erreicht werden. Dies kann auch durch Aufnahme von vier Elektronen erreicht werden.

Stabilität eines Atoms

Das Konzept der Stabilität eines Atoms ist ein wichtiger Faktor für den Status von Halbleitermaterialien. Die maximale Anzahl von Elektronen im Valenzband beträgt 8. Wenn sich genau 8 Elektronen im Valenzband befinden, kann gesagt werden, dass das Atom stabil ist. In einemstable atomist die Bindung von Valenzelektronen sehr starr. Diese Arten von Atomen sind ausgezeichnete Isolatoren. In solchen Atomen stehen keine freien Elektronen für die elektrische Leitfähigkeit zur Verfügung.

Beispiele für stabilisierte Elemente sind Gase wie Argon, Xenon, Neon und Krypton. Aufgrund ihrer Eigenschaften können diese Gase nicht mit anderen Materialien gemischt werden und sind allgemein bekannt alsinert gases.

Wenn die Anzahl der Valenzelektronen in der Außenhülle weniger als 8 beträgt, wird das Atom als instabil bezeichnet, dh die Atome mit weniger als 8 Valenzelektronen sind instabil. Sie versuchen immer, Elektronen von den benachbarten Atomen auszuleihen oder abzugeben, um stabil zu werden. Atome in der Außenhülle mit 5, 6 oder 7 Valenzelektronen neigen dazu, Elektronen von anderen Atomen zu leihen, um Stabilität zu suchen, während Atome mit einer, zwei oder drei Valenzelektronen dazu neigen, diese Elektronen an andere nahegelegene Atome abzugeben.

Alles, was Gewicht hat, ist Materie. Nach der Atomtheorie besteht jede Materie, ob fest, flüssig oder gasförmig, aus Atomen. Ein Atom enthält einen zentralen Teil namens Kern, der die Neutronen und Protonen enthält. Normalerweise sind Protonen positiv geladene Teilchen und Neutronen sind neutral geladene Teilchen. Elektronen, die negativ geladene Teilchen sind, sind in Umlaufbahnen um den Kern angeordnet, ähnlich wie bei Planeten um die Sonne. Die folgende Abbildung zeigt die Zusammensetzung eines Atoms.

Atome verschiedener Elemente weisen eine unterschiedliche Anzahl von Protonen, Neutronen und Elektronen auf. Um ein Atom von einem anderen zu unterscheiden oder die verschiedenen Atome zu klassifizieren, wird den Atomen jedes identifizierten Elements eine Zahl zugewiesen, die die Anzahl der Protonen im Kern eines bestimmten Atoms angibt. Diese Nummer ist als bekanntatomic numberdes Elements. Die Ordnungszahlen für einige der Elemente, die mit der Untersuchung von Halbleitern verbunden sind, sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Element	Symbol	Ordnungszahl
Silizium	Si	14
Germanium	Ge	32
Arsen	Wie	33
Antimon	Sb	51
Indium	Im	49
Gallium	Ga	31
Bor	B.	5

Normalerweise hat ein Atom die gleiche Anzahl von Protonen und Planetenelektronen, um seine Nettoladung auf Null zu halten. Atome verbinden sich häufig, um durch ihre verfügbaren Valenzelektronen stabilisierte Moleküle oder Verbindungen zu bilden.

Der Prozess der Kombination von freien Valenzelektronen wird allgemein genannt bonding. Es folgen die verschiedenen Arten der Bindung, die in Atomkombinationen stattfinden.

• Ionische Bindung
• Kovalente Bindung
• Metallische Bindung

Lassen Sie uns nun diese atomaren Bindungen im Detail diskutieren.

Ionische Bindung

Jedes Atom sucht Stabilität, wenn sich die Atome zu Molekülen verbinden. Wenn das Valenzband 8 Elektronen enthält, spricht man von astabilized condition. Wenn sich die Valenzelektronen eines Atoms mit denen eines anderen Atoms verbinden, um stabil zu werden, nennt man dasionic bonding.

• Wenn ein Atom mehr als 4 Valenzelektronen in der Außenhülle hat, sucht es nach zusätzlichen Elektronen. Ein solches Atom wird oft als bezeichnetacceptor.

• Wenn ein Atom weniger als 4 Valenzelektronen in der Außenhülle enthält, versuchen sie, sich aus diesen Elektronen herauszubewegen. Diese Atome sind bekannt alsdonors.

Bei der Ionenbindung verbinden sich Donor- und Akzeptoratome häufig miteinander und die Kombination wird stabilisiert. Kochsalz ist ein häufiges Beispiel für Ionenbindung.

Die folgenden Abbildungen zeigen ein Beispiel für unabhängige Atome und Ionenbindungen.

In der obigen Abbildung ist zu sehen, dass das Natrium (Na) -Atom sein 1-Valenzelektron an das Chlorid (Cl) -Atom abgibt, das 7 Valenzelektronen aufweist. Das Chloridatom wird sofort negativ aus dem Gleichgewicht gebracht, wenn es das zusätzliche Elektron erhält, und dies führt dazu, dass das Atom ein negatives Ion wird. Andererseits verliert das Natriumatom sein Valenzelektron und das Natriumatom wird dann zu einem positiven Ion. Wie wir wissen, ziehen sich im Gegensatz zu Ladungen die Natrium- und Chloridatome durch eine elektrostatische Kraft zusammen.

Kovalente Bindung

Wenn die Valenzelektronen benachbarter Atome mit anderen Atomen geteilt werden, findet eine kovalente Bindung statt. Bei der kovalenten Bindung werden keine Ionen gebildet. Dies ist eine einzigartige Unähnlichkeit bei der kovalenten Bindung und der Ionenbindung.

Wenn ein Atom vier Valenzelektronen in der Außenhülle enthält, kann es ein Elektron mit vier benachbarten Atomen teilen. Zwischen den beiden Verbindungselektronen entsteht eine kovalente Kraft. Diese Elektronen verschieben abwechselnd die Bahnen zwischen den Atomen. Diese kovalente Kraft bindet die einzelnen Atome miteinander. Eine Darstellung der kovalenten Bindung ist in den folgenden Abbildungen dargestellt.

In dieser Anordnung sind nur die Kern- und Valenzelektronen jedes Atoms gezeigt. Elektronenpaare entstehen dadurch, dass einzelne Atome miteinander verbunden sind. In diesem Fall werden fünf Atome benötigt, um die Bindungswirkung zu vervollständigen. Der Bindungsprozess erweitert sich in alle Richtungen. Jedes Atom ist nun in einem Gitternetzwerk miteinander verbunden und durch dieses Gitternetzwerk wird eine Kristallstruktur gebildet.

Metallische Bindung

Die dritte Art der Bindung tritt im Allgemeinen bei guten elektrischen Leitern auf und wird als metallische Bindung bezeichnet. Bei der Metallbindung besteht eine elektrostatische Kraft zwischen den positiven Ionen und den Elektronen. Zum Beispiel hat das Valenzband von Kupfer ein Elektron in seiner äußeren Hülle. Dieses Elektron neigt dazu, sich zwischen verschiedenen Atomen im Material zu bewegen.

Wenn dieses Elektron ein Atom verlässt, tritt es sofort in die Umlaufbahn eines anderen Atoms ein. Der Prozess wiederholt sich ununterbrochen. Ein Atom wird zu einem positiven Ion, wenn ein Elektron es verlässt. Das ist einrandom process. Dies bedeutet, dass immer ein Elektron mit einem Atom verbunden ist. Dies bedeutet nicht, dass das Elektron einer bestimmten Umlaufbahn zugeordnet ist. Es bewegt sich immer in verschiedenen Umlaufbahnen. Infolgedessen teilen wahrscheinlich alle Atome alle Valenzelektronen.

Elektronen hängen in einer Wolke herum, die die positiven Ionen bedeckt. Diese schwebende Wolke bindet die Elektronen zufällig an die Ionen. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für die Metallbindung von Kupfer.

Die Anzahl der Elektronen im äußeren Ring eines Atoms ist immer noch der Grund für den Unterschied zwischen Leitern und Isolatoren. Wie wir wissen, werden feste Materialien hauptsächlich in elektrischen Geräten verwendet, um eine Elektronenleitung zu erreichen. Diese Materialien können in Leiter, Halbleiter und Isolatoren getrennt werden.

Leiter, Halbleiter und Isolatoren werden jedoch durch Energieniveaudiagramme unterschieden. Hier wird die Energiemenge berücksichtigt, die benötigt wird, damit ein Elektron sein Valenzband verlässt und in die Leitung geht. Das Diagramm setzt sich aus allen Atomen im Material zusammen. Energieniveaudiagramme von Isolatoren, Halbleitern und Leitern sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Valenzband

Der untere Teil ist der valence band. Es stellt die Energieniveaus dar, die dem Atomkern am nächsten liegen, und die Energieniveaus im Valenzband enthalten die richtige Anzahl von Elektronen, die erforderlich sind, um die positive Ladung des Kerns auszugleichen. Daher heißt diese Band diefilled band.

Im Valenzband sind Elektronen fest an den Kern gebunden. Wenn sich die Elektronen im Energieniveau nach oben bewegen, werden sie in jedem nachfolgenden Niveau leichter in Richtung des Kerns gebunden. Es ist nicht leicht, die Elektronen in den Energieniveaus zu stören, die näher am Kern liegen, da ihre Bewegung größere Energien erfordert und jede Elektronenbahn ein bestimmtes Energieniveau hat.

Leitungsband

Das oberste oder äußerste Band im Diagramm wird als bezeichnet conduction band. Wenn ein Elektron ein Energieniveau hat, das innerhalb dieses Bandes liegt und sich vergleichsweise frei im Kristall bewegen kann, leitet es elektrischen Strom.

In der Halbleiterelektronik beschäftigen wir uns hauptsächlich mit den Valenz- und Leitungsbändern. Im Folgenden finden Sie einige grundlegende Informationen dazu -

• Das Valenzband jedes Atoms zeigt die Energieniveaus der Valenzelektronen in der Außenhülle.

• Den Valenzelektronen muss eine bestimmte Energiemenge hinzugefügt werden, damit sie in das Leitungsband gelangen.

Verbotene Lücke

Die Valenz- und Leitungsbänder sind durch eine Lücke getrennt, wo immer vorhanden, die als verbotene Lücke bezeichnet wird. Um die verbotene Lücke zu überwinden, wird eine bestimmte Energiemenge benötigt. Wenn es nicht ausreicht, werden keine Elektronen zur Leitung freigesetzt. Elektronen bleiben im Valenzband, bis sie zusätzliche Energie erhalten, um die verbotene Lücke zu überwinden.

Der Leitungsstatus eines bestimmten Materials kann durch die Breite des verbotenen Spaltes angezeigt werden. In der Atomtheorie wird die Breite der Lücke in Elektronenvolt (eV) ausgedrückt. Ein Elektronenvolt ist definiert als die Menge an Energie, die gewonnen oder verloren wird, wenn ein Elektron einer Potentialdifferenz von 1 V ausgesetzt wird. Die Atome jedes Elements haben einen unterschiedlichen Energieniveauwert, der eine Leitung ermöglicht.

Notiere dass der forbidden regioneines Isolators ist relativ breit. Um einen Isolator in Leitung zu bringen, ist eine sehr große Energiemenge erforderlich. Zum Beispiel Thyrit.

Wenn Isolatoren bei hohen Temperaturen betrieben werden, bewirkt die erhöhte Wärmeenergie, dass sich die Elektronen des Valenzbandes in das Leitungsband bewegen.

Wie aus dem Energiebanddiagramm hervorgeht, ist die verbotene Lücke eines Halbleiters viel kleiner als die eines Isolators. Zum Beispiel muss Silizium 0,7 eV Energie gewinnen, um in das Leitungsband zu gelangen. Bei Raumtemperatur kann die Zugabe von Wärmeenergie ausreichend sein, um eine Leitung in einem Halbleiter zu bewirken. Diese besondere Eigenschaft ist bei elektronischen Festkörpergeräten von großer Bedeutung.

Im Falle eines Leiters überlappen sich das Leitungsband und das Valenzband teilweise. In gewissem Sinne gibt es keine verbotene Lücke. Daher können sich die Elektronen des Valenzbandes freisetzen, um freie Elektronen zu werden. Normalerweise findet bei normaler Raumtemperatur nur eine geringe elektrische Leitung innerhalb des Leiters statt.

Wie bereits erwähnt, kann es ein oder mehrere freie Elektronen pro Atom geben, die sich unter dem Einfluss eines angelegten Feldes durch das Innere des Metalls bewegen.

Die folgende Abbildung zeigt die Ladungsverteilung innerhalb eines Metalls. Es ist bekannt als dieelectron-gas description of a metal.

Das hashed regionrepräsentiert den Kern mit einer positiven Ladung. Die blauen Punkte repräsentieren die Valenzelektronen in der äußeren Hülle eines Atoms. Grundsätzlich gehören diese Elektronen keinem bestimmten Atom an und haben dadurch ihre individuelle Identität verloren und wandern frei von Atom zu Atom.

Wenn sich die Elektronen in einer ununterbrochenen Bewegung befinden, wird die Transportrichtung bei jeder Kollision mit den schweren Ionen geändert. Dies basiert auf der Elektronengastheorie eines Metalls. Der durchschnittliche Abstand zwischen Kollisionen wird als bezeichnetmean free path. Die Elektronen, die in einer bestimmten Zeit zufällig in entgegengesetzter Richtung durch eine Flächeneinheit im Metall laufen, machen den Durchschnittsstrom zu Null.

Wenn an Halbleiterbauelemente Spannung angelegt wird, fließt Elektronenstrom zur positiven Seite der Quelle und Lochstrom zur negativen Seite der Quelle. Eine solche Situation tritt nur bei einem Halbleitermaterial auf.

Silizium und Germanium sind die häufigsten Halbleitermaterialien. Im Allgemeinen liegt die Leitfähigkeit eines Halbleiters zwischen den Leitfähigkeiten von Metallen und Isolatoren.

Germanium als Halbleiter

Im Folgenden sind einige wichtige Punkte aufgeführt Germanium - -

• In der äußersten Umlaufbahn von Germanium befinden sich vier Elektronen. In Bindungen werden Atome nur mit ihren äußeren Elektronen gezeigt.

• Die Germaniumatome teilen Valenzelektronen in einer kovalenten Bindung. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Germanium sind diejenigen, die mit der kovalenten Bindung verbunden sind. Die kristalline Form von Germanium wird als Kristallgitter bezeichnet. Bei dieser Art von Struktur sind die Atome wie in der folgenden Abbildung gezeigt angeordnet.

• In einer solchen Anordnung befinden sich die Elektronen in einem sehr stabilen Zustand und sind daher weniger geeignet, mit Leitern assoziiert zu werden. In der reinen Form ist Germanium ein Isoliermaterial und wird alsintrinsic semiconductor.

Die folgende Abbildung zeigt die Atomstrukturen von Silizium und Germanium.

Silizium als Halbleiter

Halbleiterbauelemente verwenden Silizium auch bei der Herstellung verschiedener elektronischer Komponenten. Die Atomstruktur von Silizium und Germanium ist in der obigen Abbildung dargestellt. Die Kristallgitterstruktur von Silizium ähnelt der von Germanium.

Im Folgenden sind einige wichtige Punkte zu Silizium aufgeführt:

• Es hat vier Elektronen in seiner äußersten Schale wie Germanium.

• In reiner Form ist es als Halbleiterbauelement nicht von Nutzen.

• Eine gewünschte Menge an Leitfähigkeit kann durch Addition von Verunreinigungen erhalten werden.

• Das Hinzufügen von Verunreinigungen muss sorgfältig und in einer kontrollierten Umgebung erfolgen.

• Abhängig von der Art der hinzugefügten Verunreinigung entsteht entweder ein Überschuss oder ein Defizit an Elektronen.

Die folgende Abbildung zeigt den intrinsischen Kristall von Silizium.

Reines Silizium oder Germanium werden selten als Halbleiter verwendet. Praktisch verwendbare Halbleiter müssen mit einer kontrollierten Menge an Verunreinigungen versetzt werden. Die Zugabe von Verunreinigungen verändert die Leiterfähigkeit und wirkt als Halbleiter. Der Prozess des Hinzufügens einer Verunreinigung zu einem intrinsischen oder reinen Material wird genanntdoping und die Verunreinigung heißt a dopant. Nach dem Dotieren wird ein intrinsisches Material zu einem extrinsischen Material. Praktisch erst nach dem Dotieren werden diese Materialien verwendbar.

Wenn eine Verunreinigung zu Silizium oder Germanium gegeben wird, ohne die Kristallstruktur zu modifizieren, wird ein Material vom N-Typ erzeugt. In einigen Atomen haben Elektronen fünf Elektronen in ihrem Valenzband, wie Arsen (As) und Antimon (Sb). Die Dotierung von Silizium mit entweder Verunreinigungen darf weder die Kristallstruktur noch den Bindungsprozess verändern. Das zusätzliche Elektron des Verunreinigungsatoms nimmt nicht an einer kovalenten Bindung teil. Diese Elektronen werden von ihren Ursprungsatomen lose zusammengehalten. Die folgende Abbildung zeigt die Veränderung des Siliziumkristalls durch Zugabe eines Verunreinigungsatoms.

Wirkung der Dotierung auf Material vom N-Typ

Die Wirkung der Dotierung auf ein Material vom N-Typ ist wie folgt:

• Bei Zugabe von Arsen zu reinem Silizium wird der Kristall zu einem Material vom N-Typ.

• Das Arsenatom hat zusätzliche Elektronen oder negative Ladungen, die nicht am Prozess der kovalenten Bindung beteiligt sind.

• Diese Verunreinigungen geben ein Elektron an den Kristall ab oder geben ihn ab, und sie werden als Donorverunreinigungen bezeichnet.

• Ein Material vom N-Typ hat zusätzliche oder freie Elektronen als ein intrinsisches Material.

• Ein Material vom N-Typ ist nicht negativ geladen. Tatsächlich sind alle seine Atome elektrisch neutral.

• Diese zusätzlichen Elektronen nehmen nicht am kovalenten Bindungsprozess teil. Sie können sich frei durch die Kristallstruktur bewegen.

• Ein extrinsischer Siliziumkristall vom N-Typ wird mit nur 0,005 eV Energie leitend.

• Es sind nur 0,7 eV erforderlich, um Elektronen des intrinsischen Kristalls vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen.

Normalerweise werden Elektronen als Hauptstromträger in dieser Art von Kristall angesehen, und Löcher sind die Nebenstromträger. Die Menge an Donormaterial, die Silizium zugesetzt wird, bestimmt die Anzahl der Hauptstromträger in seiner Struktur.

Die Anzahl der Elektronen in einem Silizium vom N-Typ ist um ein Vielfaches größer als die Elektron-Loch-Paare von intrinsischem Silizium. Bei Raumtemperatur gibt es einen festen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit dieses Materials. Es gibt reichlich Stromträger, die am Stromfluss teilnehmen können. Der Stromfluss wird hauptsächlich durch Elektronen in dieser Art von Material erreicht. Daher wird ein Fremdmaterial zu einem guten elektrischen Leiter.

Wirkung der Dotierung auf Material vom P-Typ

Die Wirkung der Dotierung auf ein Material vom P-Typ ist wie folgt:

• Wenn Indium (In) oder Gallium (Ga) zu reinem Silizium gegeben wird, wird ein Material vom P-Typ gebildet.

• Diese Art von Dotierstoff hat drei Valenzelektronen. Sie suchen eifrig nach einem vierten Elektron.

• In P-Material kann jedes Loch mit einem Elektron gefüllt werden. Um diesen Lochbereich zu füllen, benötigen Elektronen aus den benachbarten kovalent gebundenen Gruppen sehr viel weniger Energie.

• Silizium ist typischerweise mit Dotierungsmaterial im Bereich von 1 bis 106 dotiert. Dies bedeutet, dass P-Material viel mehr Löcher aufweist als die Elektron-Loch-Paare aus reinem Silizium.

• Bei Raumtemperatur gibt es einen sehr bestimmten charakteristischen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit dieses Materials.

Die folgende Abbildung zeigt, wie sich die Kristallstruktur von Silizium ändert, wenn es mit einem Akzeptorelement dotiert wird - in diesem Fall Indium. Ein Stück P-Material ist nicht positiv geladen. Seine Atome sind hauptsächlich alle elektrisch neutral.

Es gibt jedoch Löcher in der kovalenten Struktur vieler Atomgruppen. Wenn sich ein Elektron bewegt und ein Loch füllt, wird das Loch leer. In der gebundenen Gruppe, in der das Elektron zurückgeblieben ist, entsteht ein neues Loch. Die tatsächliche Lochbewegung ist das Ergebnis der Elektronenbewegung. Ein Material vom P-Typ wird mit nur 0,05 eV Energie leitend.

Die obige Abbildung zeigt, wie ein Kristall vom P-Typ reagiert, wenn er an eine Spannungsquelle angeschlossen wird. Beachten Sie, dass es mehr Löcher als Elektronen gibt. Bei angelegter Spannung werden die Elektronen vom positiven Batteriepol angezogen.

Die Löcher bewegen sich gewissermaßen in Richtung des Minuspols der Batterie. An dieser Stelle wird ein Elektron aufgenommen. Das Elektron füllt sofort ein Loch. Das Loch wird dann leer. Gleichzeitig wird durch den positiven Batteriepol ein Elektron aus dem Material gezogen. Löcher bewegen sich daher in Richtung des negativen Anschlusses, da sich Elektronen zwischen verschiedenen gebundenen Gruppen verschieben. Bei angelegter Energie ist der Lochfluss kontinuierlich.

Eine Kristallstruktur aus P- und N-Materialien ist allgemein bekannt als junction diode. Es wird allgemein als Gerät mit zwei Anschlüssen angesehen. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, ist ein Anschluss an Material vom Typ P und der andere an Material vom Typ N angeschlossen.

Der gemeinsame Bindungspunkt, an dem diese Materialien verbunden sind, wird als a bezeichnet junction. Eine Sperrschichtdiode ermöglicht es Stromträgern, in eine Richtung zu fließen und den Stromfluss in der umgekehrten Richtung zu behindern.

Die folgende Abbildung zeigt die Kristallstruktur einer Sperrschichtdiode. Sehen Sie sich die Position der Materialien vom Typ P und N in Bezug auf die Verbindungsstelle an. Die Struktur des Kristalls ist von einem Ende zum anderen kontinuierlich. Die Verbindungsstelle fungiert nur als Trennpunkt, der das Ende eines Materials und den Anfang des anderen darstellt. Eine solche Struktur ermöglicht es Elektronen, sich in der gesamten Struktur gründlich zu bewegen.

Das folgende Diagramm zeigt zwei Teile der Halbleitersubstanz, bevor sie zu einem PN-Übergang geformt werden. Wie angegeben, hat jeder Teil des Materialsmajority und minority current carriers.

Die Anzahl der in jedem Material gezeigten Trägersymbole gibt die Minderheits- oder Mehrheitsfunktion an. Wie wir wissen, sind Elektronen die Majoritätsträger im Material vom N-Typ und Löcher die Minoritätsträger. In Material vom P-Typ sind Löcher die Hauptträger und Elektronen in der Minderheit.

Wenn eine Sperrschichtdiode gebildet wird, gibt es anfänglich eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Stromträgern. In Material vom N-Typ bewegen sich die Elektronen leicht über den Übergang, um Löcher im P-Material zu füllen. Dieser Akt wird allgemein genanntdiffusion. Die Diffusion ist das Ergebnis einer hohen Ansammlung von Trägern in einem Material und einer geringeren Ansammlung in dem anderen.

Im Allgemeinen nehmen die Stromträger, die sich in der Nähe des Übergangs befinden, nur am Diffusionsprozess teil. Elektronen, die das N-Material verlassen, bewirken, dass an ihrer Stelle positive Ionen erzeugt werden. Beim Eintritt in das P-Material zum Füllen von Löchern werden von diesen Elektronen negative Ionen erzeugt. Infolgedessen enthält jede Seite des Übergangs eine große Anzahl positiver und negativer Ionen.

Der Bereich, in dem diese Löcher und Elektronen abgereichert werden, ist allgemein unter dem Begriff Verarmungsbereich bekannt. Es ist ein Bereich, in dem es an der Mehrheit der derzeitigen Fluggesellschaften mangelt. Normalerweise wird ein Verarmungsbereich entwickelt, wenn ein PN-Übergang gebildet wird. Die folgende Abbildung zeigt den Verarmungsbereich einer Sperrschichtdiode.

Material vom N-Typ und P-Typ wird als elektrisch neutral betrachtet, bevor sie an einer gemeinsamen Verbindungsstelle miteinander verbunden werden. Nachdem jedoch die Diffusion sofort verbunden ist und Elektronen den Übergang kreuzen, um Löcher zu füllen, wodurch negative Ionen im P-Material austreten, bewirkt diese Aktion, dass der nahe gelegene Bereich des Übergangs eine negative Ladung annimmt. Elektronen, die das N-Material verlassen, bewirken, dass es positive Ionen erzeugt.

All dieser Prozess bewirkt wiederum, dass die N-Seite des Übergangs eine positive Nettoladung annimmt. Diese besondere Ladungserzeugung neigt dazu, die verbleibenden Elektronen und Löcher vom Übergang wegzudrücken. Diese Aktion macht es für andere Ladungsträger etwas schwierig, über den Übergang zu diffundieren. Infolgedessen wird die Ladung aufgebaut oder es entsteht ein Barrierepotential über der Verbindungsstelle.

Wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Das resultierende Barrierepotential hat eine kleine Batterie, die über den PN-Übergang angeschlossen ist. Beobachten Sie in der angegebenen Abbildung die Polarität dieser Potentialbarriere in Bezug auf P- und N-Material. Diese Spannung oder dieses Potential liegt vor, wenn der Kristall nicht an eine externe Energiequelle angeschlossen ist.

Das Barrierepotential von Germanium beträgt ungefähr 0,3 V und von Silizium 0,7 V. Diese Werte können nicht direkt gemessen werden und erscheinen über den Raumladungsbereich des Übergangs. Um eine Stromleitung zu erzeugen, muss das Barrierepotential eines PN-Übergangs durch eine externe Spannungsquelle überwunden werden.

Der Begriff Vorspannung bezieht sich auf das Anlegen von Gleichspannung zum Einrichten bestimmter Betriebsbedingungen. Oder wenn eine externe Energiequelle an einen PN-Übergang angelegt wird, spricht man von einer Vorspannung oder einfach von einer Vorspannung. Diese Methode erhöht oder verringert das Barrierepotential des Übergangs. Infolgedessen bewirkt die Verringerung des Barrierepotentials, dass Stromträger in den Verarmungsbereich zurückkehren. Die folgenden zwei Vorspannungsbedingungen werden für PN-Übergänge angewendet.

• Forward Biasing - Dem Sperrpotential wird eine externe Spannung mit der gleichen Polarität hinzugefügt, wodurch sich die Breite des Verarmungsbereichs vergrößert.

• Reverse Biasing - Ein PN-Übergang ist so vorgespannt, dass durch Anlegen einer externen Spannungswirkung verhindert wird, dass Stromträger in den Verarmungsbereich gelangen.

Vorwärtsvorspannung

Die folgende Abbildung zeigt eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte PN-Sperrschichtdiode mit angelegter externer Spannung. Sie können sehen, dass der Pluspol der Batterie mit dem P-Material und der Minuspol der Batterie mit dem N-Material verbunden ist.

Es folgen die Beobachtungen -

• Diese Vorspannung stößt die Hauptstromträger jedes Materials vom P- und N-Typ ab. Infolgedessen erscheint eine große Anzahl von Löchern und Elektronen an der Verbindungsstelle.

• Auf der N-Seite des Übergangs bewegen sich Elektronen hinein, um die positiven Ionen im Verarmungsbereich zu neutralisieren.

• Auf dem P-seitigen Material werden Elektronen aus negativen Ionen gezogen, wodurch sie wieder neutral werden. Dies bedeutet, dass die Vorwärtsvorspannung den Verarmungsbereich und damit auch das Barrierepotential zusammenbricht. Dies bedeutet, dass ein PN-Übergang, der in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, einen kontinuierlichen Stromfluss ermöglicht.

Die folgende Abbildung zeigt den Fluss der Stromträger einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diode. Eine konstante Elektronenversorgung ist aufgrund einer an die Diode angeschlossenen externen Spannungsquelle verfügbar. Der Fluss und die Richtung des Stroms sind im Diagramm durch große Pfeile außerhalb der Diode dargestellt. Beachten Sie, dass sich der Elektronenfluss und der Stromfluss auf dasselbe beziehen.

Es folgen die Beobachtungen -

• Angenommen, Elektronen fließen durch einen Draht vom negativen Batteriepol zum N-Material. Beim Eintritt in dieses Material fließen sie sofort zur Verbindungsstelle.

• In ähnlicher Weise wird auf der anderen Seite eine gleiche Anzahl von Elektronen von der P-Seite gezogen und zum positiven Batteriepol zurückgeführt. Diese Aktion erzeugt neue Löcher und bewirkt, dass sie sich in Richtung der Kreuzung bewegen.

• Wenn diese Löcher und Elektronen den Übergang erreichen, verbinden sie sich und verschwinden effektiv. Infolgedessen entstehen an den äußeren Enden der Diode neue Löcher und Elektronen. Diese Mehrheitsbetreiber werden kontinuierlich geschaffen. Diese Aktion wird fortgesetzt, solange die externe Spannungsquelle angelegt wird.

• Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, kann festgestellt werden, dass Elektronen durch die gesamte Struktur der Diode fließen. Dies ist bei Material vom N-Typ üblich, während in den P-Materiallöchern die beweglichen Stromträger sind. Beachten Sie, dass die Lochbewegung in eine Richtung mit einer Elektronenbewegung in die entgegengesetzte Richtung beginnen muss. Daher ist der Gesamtstromfluss das Hinzufügen von Löchern und Elektronen fließen durch eine Diode.

Rückwärtsvorspannung

Die folgende Abbildung zeigt eine in Sperrrichtung vorgespannte PN-Sperrschichtdiode mit angelegter externer Spannung. Sie können sehen, dass der Pluspol der Batterie mit dem N-Material und der Minuspol der Batterie mit dem P-Material verbunden ist. Es ist zu beachten, dass in einer solchen Anordnung die Batteriepolarität der Materialpolarität der Diode entgegengesetzt sein muss, so dass sich unterschiedliche Ladungen anziehen. Daher werden Mehrheitsladungsträger jedes Materials von der Verbindungsstelle weggezogen. Durch Sperrvorspannung ist die Diode nicht leitend.

Die folgende Abbildung zeigt die Anordnung der Mehrheitsstromträger in einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode.

Es folgen die Beobachtungen -

• Aufgrund der Schaltungswirkung werden Elektronen des N-Materials zum positiven Batteriepol gezogen.

• Jedes Elektron, das die Diode bewegt oder verlässt, bewirkt, dass an seiner Stelle ein positives Ion austritt. Infolgedessen bewirkt dies eine äquivalente Zunahme der Breite des Verarmungsbereichs auf der N-Seite des Übergangs.

• Die P-Seite der Diode hat einen ähnlichen Effekt wie die N-Seite. Bei dieser Aktion verlassen mehrere Elektronen den Minuspol der Batterie und treten in das Material vom Typ P ein.

• Diese Elektronen bewegen sich dann sofort hinein und füllen eine Reihe von Löchern. Jedes besetzte Loch wird dann zu einem negativen Ion. Diese Ionen werden dann wiederum vom negativen Batteriepol abgestoßen und in Richtung der Verbindungsstelle getrieben. Aufgrund dessen nimmt die Breite des Verarmungsbereichs auf der P-Seite des Übergangs zu.

Die Gesamtbreite des Verarmungsbereichs hängt direkt von einer externen Spannungsquelle einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode ab. In diesem Fall kann die Diode den Stromfluss durch den breiten Verarmungsbereich nicht effizient unterstützen. Infolgedessen beginnt sich die potentielle Ladung über den Übergang zu entwickeln und steigt an, bis das Barrierepotential der externen Vorspannung entspricht. Danach verhält sich die Diode wie ein Nichtleiter.

Eine wichtige Leitungsbegrenzung der PN-Sperrschichtdiode ist leakage current. Wenn eine Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, nimmt die Breite des Verarmungsbereichs zu. Im Allgemeinen ist diese Bedingung erforderlich, um die Stromträgerakkumulation in der Nähe der Verbindungsstelle zu beschränken. Mehrheitsstromträger werden hauptsächlich im Verarmungsbereich negiert, und daher wirkt der Verarmungsbereich als Isolator. Normalerweise passieren Stromträger keinen Isolator.

Es ist ersichtlich, dass in einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode ein Teil des Stroms durch den Verarmungsbereich fließt. Dieser Strom wird Leckstrom genannt. Der Leckstrom ist abhängig von Minderheitsstromträgern. Wie wir wissen, sind die Minoritätsträger Elektronen im Material vom P-Typ und Löcher im Material vom N-Typ.

Die folgende Abbildung zeigt, wie Stromträger reagieren, wenn eine Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist.

Es folgen die Beobachtungen -

• Minoritätsträger jedes Materials werden durch die Verarmungszone zur Verbindungsstelle geschoben. Diese Aktion verursacht einen sehr kleinen Leckstrom. Im Allgemeinen ist der Leckstrom so gering, dass er als vernachlässigbar angesehen werden kann.

• Hier spielt bei Leckstrom die Temperatur eine wichtige Rolle. Die Minoritätsstromträger sind meist temperaturabhängig.

• Bei Raumtemperaturen von 25 ° C oder 78 ° F ist eine vernachlässigbare Menge von Minoritätsträgern in einer Sperrvorspannungsdiode vorhanden.

• Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, führt dies zu einer signifikanten Zunahme der Erzeugung von Minoritätsträgern und infolgedessen zu einer entsprechenden Zunahme des Leckstroms.

Bei allen in Sperrrichtung vorgespannten Dioden ist das Auftreten von Leckstrom bis zu einem gewissen Grad normal. In Germanium- und Siliziumdioden ist der Leckstrom nur geringmicroamperes und nanoamperes, beziehungsweise. Germanium ist viel temperaturempfindlicher als Silizium. Aus diesem Grund wird in modernen Halbleiterbauelementen hauptsächlich Silizium verwendet.

Es gibt verschiedene Stromskalen für Vorwärts- und Rückwärtsvorspannungsoperationen. Der vordere Teil der Kurve zeigt an, dass die Diode einfach leitet, wenn der P-Bereich positiv und der N-Bereich negativ gemacht wird.

Die Diode leitet fast keinen Strom in der Richtung mit hohem Widerstand, dh wenn der P-Bereich negativ und der N-Bereich positiv gemacht wird. Jetzt werden die Löcher und Elektronen von der Verbindungsstelle abgelassen, wodurch sich das Barrierepotential erhöht. Dieser Zustand wird durch den Rückstromteil der Kurve angezeigt.

Der gepunktete Abschnitt der Kurve zeigt die ideal curve, was sich ergeben würde, wenn es keinen Lawinenausfall gäbe. Die folgende Abbildung zeigt die statische Charakteristik einer Sperrschichtdiode.

DIODE IV Eigenschaften

Die Vorwärts- und Rückwärtsstromspannungskennlinien (IV) einer Diode werden im Allgemeinen auf einer einzelnen Kennlinie verglichen. Die im Abschnitt Vorwärtskennlinie dargestellte Abbildung zeigt, dass die Vorwärtsspannung und die Rückwärtsspannung normalerweise in der horizontalen Linie des Diagramms dargestellt sind.

Vorwärts- und Rückwärtsstromwerte werden auf der vertikalen Achse des Diagramms angezeigt. Vorwärtsspannung rechts und Rückwärtsspannung links dargestellt. Der Anfangspunkt oder der Nullwert befindet sich in der Mitte des Diagramms. Der Vorwärtsstrom verlängert sich über der horizontalen Achse, wobei sich der Rückwärtsstrom nach unten erstreckt.

Die kombinierten Werte für Vorwärtsspannung und Vorwärtsstrom befinden sich im oberen rechten Teil des Diagramms und die Werte für Rückwärtsspannung und Rückwärtsstrom in der unteren linken Ecke. Normalerweise werden unterschiedliche Skalen verwendet, um Vorwärts- und Rückwärtswerte anzuzeigen.

Vorwärtskennlinie

Wenn eine Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, leitet sie Strom (IF) in Vorwärtsrichtung. Der Wert von IF hängt direkt von der Höhe der Durchlassspannung ab. Das Verhältnis von Durchlassspannung und Durchlassstrom wird als Ampere-Volt- oder IV-Charakteristik einer Diode bezeichnet. Eine typische Diodenvorwärts-IV-Charakteristik ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Es folgen die Beobachtungen -

• Die Durchlassspannung wird über die Diode gemessen und der Durchlassstrom ist ein Maß für den Strom durch die Diode.

• Wenn die Durchlassspannung über der Diode 0 V beträgt, beträgt der Durchlassstrom (IF) 0 mA.

• Wenn der Wert am Startpunkt (0) des Diagramms beginnt und die VF in Schritten von 0,1 V progressiv erhöht wird, beginnt die ZF zu steigen.

• Wenn der Wert von VF groß genug ist, um das Barrierepotential des PN-Übergangs zu überwinden, tritt ein beträchtlicher Anstieg der ZF auf. Der Punkt, an dem dies auftritt, wird oft als Kniespannung bezeichnetV_K. Für Germaniumdioden,V_K beträgt ungefähr 0,3 V und 0,7 V für Silizium.

• Wenn der Wert von IF weit darüber hinaus ansteigt V_Kwird der Durchlassstrom ziemlich groß.

Dieser Vorgang führt dazu, dass sich über der Verbindungsstelle übermäßige Wärme entwickelt und eine Diode zerstört werden kann. Um diese Situation zu vermeiden, ist ein Schutzwiderstand in Reihe mit der Diode geschaltet. Dieser Widerstand begrenzt den Durchlassstrom auf seinen maximalen Nennwert. Normalerweise wird ein Strombegrenzungswiderstand verwendet, wenn Dioden in Vorwärtsrichtung betrieben werden.

Reverse Characteristic

Wenn eine Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, leitet sie einen Sperrstrom, der normalerweise recht klein ist. Eine typische Diodenumkehr-IV-Charakteristik ist in der obigen Abbildung dargestellt.

Die vertikale Rückstromlinie in diesem Diagramm enthält Stromwerte, die in Mikroampere ausgedrückt werden. Die Anzahl der Minderheitenstromträger, die an der Leitung des Rückstroms beteiligt sind, ist recht gering. Im Allgemeinen bedeutet dies, dass der Rückstrom über einen großen Teil der Rückspannung konstant bleibt. Wenn die Sperrspannung einer Diode von Anfang an erhöht wird, ändert sich der Sperrstrom geringfügig. Am Durchbruchspannungspunkt (VBR) steigt der Strom sehr schnell an. Die Spannung an der Diode bleibt zu diesem Zeitpunkt einigermaßen konstant.

Diese Konstantspannungscharakteristik führt zu einer Reihe von Anwendungen von Dioden unter Sperrvorspannungsbedingungen. Die Prozesse, die für die Stromleitung in einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode verantwortlich sind, werden als bezeichnetAvalanche breakdown und Zener breakdown.

Diodenspezifikationen

Wie bei jeder anderen Auswahl muss die Auswahl einer Diode für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden. Der Hersteller stellt diese Art von Informationen im Allgemeinen zur Verfügung. Spezifikationen wie maximale Spannungs- und Stromwerte, übliche Betriebsbedingungen, mechanische Fakten, Kabelidentifikation, Montageverfahren usw.

Im Folgenden sind einige wichtige Spezifikationen aufgeführt:

• Maximum forward current (IFM) - Der absolute maximale sich wiederholende Durchlassstrom, der durch eine Diode fließen kann.

• Maximum reverse voltage (VRM) - Die absolute maximale oder maximale Sperrspannung, die an eine Diode angelegt werden kann.

• Reverse breakdown voltage (VBR) - Die minimale stationäre Sperrspannung, bei der ein Durchschlag auftritt.

• Maximum forward surge current (IFM-surge)- Der maximale Strom, der für ein kurzes Zeitintervall toleriert werden kann. Dieser aktuelle Wert ist viel größer als IFM.

• Maximum reverse current (IR) - Der absolute maximale Rückstrom, der bei Betriebstemperatur des Geräts toleriert werden kann.

• Forward voltage (VF) - Maximaler Durchlassspannungsabfall für einen bestimmten Durchlassstrom bei Betriebstemperatur des Geräts.

• Power dissipation (PD) - Die maximale Leistung, die das Gerät kontinuierlich kontinuierlich in freier Luft bei 25 ° C aufnehmen kann.

• Reverse recovery time (Trr) - Die maximale Zeit, die das Gerät zum Ein- und Ausschalten benötigt.

Wichtige Begriffe

• Breakdown Voltage - Dies ist die minimale Sperrspannung, bei der der PN-Übergang bei plötzlichem Anstieg des Sperrstroms zusammenbricht.

• Knee Voltage - Dies ist die Durchlassspannung, bei der der Strom durch die Verbindungsstelle schnell ansteigt.

• Peak Inverse Voltage - Dies ist die maximale Sperrspannung, die an den PN-Übergang angelegt werden kann, ohne ihn zu beschädigen.

• Maximum Forward Rating - Es ist der höchste momentane Durchlassstrom, den ein PN-Übergang passieren kann, ohne ihn zu beschädigen.

• Maximum Power Rating - Dies ist die maximale Leistung, die von der Verbindungsstelle abgeleitet werden kann, ohne die Verbindungsstelle zu beschädigen.

Leuchtdioden beeinflussen direkt oder indirekt unsere täglichen Aktivitäten. Von der Nachrichtenanzeige bis zu LED-Fernsehern sind diese LEDs überall vorhanden. Es handelt sich im Grunde genommen um eine PN-Sperrschichtdiode, die Licht emittiert, wenn ein Durchlassstrom durch sie fließen darf. Die folgende Abbildung zeigt das Logiksymbol einer LED.

Wie emittiert eine PN-Sperrschichtdiode Licht?

LEDs bestehen nicht aus Silizium oder Germanium und Elementen wie Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP). Diese Materialien werden bewusst verwendet, da sie Licht emittieren. Wenn also eine LED in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, überqueren Elektronen wie üblich den Übergang und vereinigen sich mit Löchern.

Diese Aktion bewirkt, dass Elektronen des N-Typ-Bereichs aus der Leitung fallen und zum Valenzband zurückkehren. Dabei wird die Energie jedes freien Elektrons freigesetzt. Ein Teil der freigesetzten Energie entsteht als Wärme und der Rest wird als sichtbare Lichtenergie abgegeben.

Wenn LEDs aus Silizium und Germanium hergestellt werden, wird bei der Rekombination von Elektronen die gesamte Energie nur in Form von Wärme abgeführt. Andererseits besitzen Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) genügend Photonen, die ausreichen, um sichtbares Licht zu erzeugen.

• Wenn LEDs aus Galliumarsenid bestehen, erzeugen sie rotes Licht.
• Wenn LEDs aus Galliumphosphid bestehen, geben solche LEDs grünes Licht ab.

Betrachten Sie nun zwei LEDs, die über eine externe Spannungsversorgungsquelle hintereinander geschaltet sind, sodass die Anode einer LED mit der Kathode einer anderen LED verbunden ist oder umgekehrt. Wenn eine externe Spannung an diese Schaltung angelegt wird, arbeitet jeweils eine LED und aufgrund dieser Schaltungswirkung gibt sie ein anderes Licht ab, wenn eine LED in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und die andere in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist oder umgekehrt.

Vorteile von LEDs

LEDs bieten folgende Vorteile:

• Ziemlich klein.
• Sehr schnelles Umschalten.
• Kann mit sehr niedriger Spannung betrieben werden.
• Eine sehr lange Lebenserwartung.
• Das Konstruktionsverfahren ermöglicht die Herstellung in verschiedenen Formen und Mustern.

Anwendungen von LEDs

LEDs werden meistens in numerischen Anzeigen verwendet, die die Zahlen 0 bis 9 anzeigen. Sie werden auch in verwendet seven-segment display in digitalen Zählern, Uhren, Taschenrechnern usw. gefunden.

Es handelt sich um einen speziellen Typ einer Halbleiterdiode, die für den Betrieb im Sperrbereich ausgelegt ist. Die folgende Abbildung zeigt die Kristallstruktur und das Symbol einer Zenerdiode. Es ähnelt größtenteils dem einer herkömmlichen Diode. Es wird jedoch eine kleine Modifikation vorgenommen, um es von einem Symbol einer regulären Diode zu unterscheiden. Die gebogene Linie zeigt den Buchstaben 'Z' des Zener an.

Der bedeutendste Unterschied zwischen Zenerdioden und regulären PN-Sperrschichtdioden besteht in der Art und Weise, in der sie in Schaltungen verwendet werden. Diese Dioden werden normalerweise nur in Sperrrichtung betrieben, was bedeutet, dass die Anode mit der negativen Seite der Spannungsquelle und die Kathode mit der positiven Seite verbunden sein muss.

Wenn eine reguläre Diode wie die Zenerdiode verwendet wird, wird sie durch übermäßigen Strom zerstört. Diese Eigenschaft macht die Zenerdiode weniger bedeutend.

Die folgende Abbildung zeigt einen Regler mit einer Zenerdiode.

Die Zenerdiode ist in Sperrrichtung über eine ungeregelte Gleichstromversorgungsquelle geschaltet. Es ist stark dotiert, so dass die Sperrspannung reduziert wird. Dies führt zu einer sehr dünnen Verarmungsschicht. Aufgrund dessen hat die Zenerdiode eine scharfe SperrspannungV_z.

Gemäß der Schaltungsaktion tritt ein starker Ausfall mit einem plötzlichen Anstieg des Stroms auf, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Stromspannung V_zbleibt mit steigendem Strom konstant. Aufgrund dieser Eigenschaft wird die Zenerdiode häufig in der Spannungsregelung verwendet. Es liefert unabhängig von der Stromänderung durch den Zener eine nahezu konstante Ausgangsspannung. Somit bleibt die Lastspannung auf einem konstanten Wert.

Wir können sehen, dass bei einer bestimmten Sperrspannung, die als Kniespannung bekannt ist, der Strom bei konstanter Spannung stark ansteigt. Aufgrund dieser Eigenschaft werden Zenerdioden häufig zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.

Eine Fotodiode ist eine PN-Sperrschichtdiode, die Strom leitet, wenn sie Licht ausgesetzt wird. Diese Diode ist tatsächlich für den Betrieb im Sperrmodus ausgelegt. Dies bedeutet, dass der Sperrstrom umso größer ist, je intensiver das fallende Licht ist.

Die folgende Abbildung zeigt ein schematisches Symbol und ein Konstruktionsdetail einer Fotodiode.

Arbeiten einer Fotodiode

Es ist ein reverse-biased diode. Der Rückstrom nimmt mit zunehmender Intensität des einfallenden Lichts zu. Dies bedeutet, dass der Rückstrom direkt proportional zur Intensität des fallenden Lichts ist.

Es besteht aus einem PN-Übergang, der auf einem P-Substrat montiert und in einem Metallgehäuse versiegelt ist. Der Verbindungspunkt besteht aus einer transparenten Linse und ist das Fenster, in das das Licht fallen soll.

Wie wir wissen, fließt, wenn die PN-Sperrschichtdiode in Sperrrichtung vorgespannt ist, eine sehr kleine Menge an Sperrstrom. Der Rückstrom wird thermisch durch Elektron-Loch-Paare im Verarmungsbereich der Diode erzeugt.

Wenn Licht auf den PN-Übergang fällt, wird es vom Übergang absorbiert. Dadurch werden mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt. Oder wir können charakteristischerweise sagen, dass die Menge des Rückstroms zunimmt.

Mit anderen Worten, wenn die Intensität des fallenden Lichts zunimmt, nimmt der Widerstand der PN-Sperrschichtdiode ab.

• Diese Aktion macht die Diode leitfähiger.
• Diese Dioden haben eine sehr schnelle Reaktionszeit
• Diese werden in High-Computing-Geräten verwendet.
• Es wird auch in Alarmschaltungen, Zählerschaltungen usw. verwendet.

Eine grundlegende Photovoltaikzelle besteht aus einem n-Typ- und einem p-Typ-Halbleiter, die einen pn-Übergang bilden. Der obere Bereich ist erweitert und transparent und im Allgemeinen der Sonne ausgesetzt. Diese Dioden oder Zellen sind außergewöhnlich und erzeugen eine Spannung, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Die Zellen wandeln Lichtenergie direkt in elektrische Energie um.

Die folgende Abbildung zeigt die symbol of photovoltaic cell.

Arbeiten einer Photovoltaikzelle

Der Aufbau einer Photovoltaikzelle ähnelt dem einer PN-Sperrschichtdiode. Es fließt kein Strom durch das Gerät, wenn kein Licht angelegt wird. In diesem Zustand kann die Zelle keinen Strom erzeugen.

Es ist wichtig, die Zelle richtig vorzuspannen, was eine angemessene Menge Licht erfordert. Sobald Licht angelegt wird, kann ein bemerkenswerter Zustand der PN-Sperrschichtdiode beobachtet werden. Infolgedessen erhalten die Elektronen ausreichend Energie und brechen von den Elternatomen ab. Diese neu erzeugten Elektron-Loch-Paare im Verarmungsbereich kreuzen den Übergang.

Bei dieser Aktion bewegen sich die Elektronen aufgrund ihrer normalen positiven Ionenkonzentration in das Material vom N-Typ. Ebenso fegen Löcher aufgrund ihres negativen Gehalts in das Material vom P-Typ. Dies bewirkt, dass das Material vom N-Typ sofort eine negative Ladung und das P-Material eine positive Ladung annimmt. Der PN-Übergang liefert dann eine kleine Spannung als Antwort.

Eigenschaften einer Photovoltaikzelle

Die folgende Abbildung links zeigt eine der Eigenschaften, eine grafische Darstellung zwischen Rückstrom (I _R ) und Beleuchtung (E) einer Fotodiode. Das IR wird auf der vertikalen Achse und die Beleuchtung auf der horizontalen Achse gemessen. Der Graph ist eine gerade Linie, die durch die Nullposition verläuft.

dh I _R = mE

m = Steigung der geraden Linie des Graphen

Der Parameter m ist die Empfindlichkeit der Diode.

Die Abbildung rechts zeigt eine weitere Eigenschaft der Fotodiode, ein Diagramm zwischen dem Sperrstrom (I _R ) und der Sperrspannung einer Fotodiode. Aus dem Diagramm geht hervor, dass für eine gegebene Sperrspannung der Sperrstrom zunimmt, wenn die Beleuchtung am PN-Übergang zunimmt.

Diese Zellen versorgen im Allgemeinen eine Lastvorrichtung mit elektrischer Energie, wenn Licht angelegt wird. Wenn eine größere Spannung erforderlich ist, wird eine Anordnung dieser Zellen verwendet, um dieselbe bereitzustellen. Aus diesem Grund werden Photovoltaikzellen in Anwendungen eingesetzt, in denen hohe Lichtenergie verfügbar ist.

Dies ist eine spezielle PN-Sperrschichtdiode mit einer inkonsistenten Konzentration von Verunreinigungen in ihren PN-Materialien. In einer normalen PN-Sperrschichtdiode sind Dotierungsverunreinigungen normalerweise gleichmäßig im Material verteilt. Varaktordiode, die mit einer sehr geringen Menge an Verunreinigungen in der Nähe des Übergangs dotiert ist, und die Verunreinigungskonzentration nehmen zu, wenn sie sich vom Übergang wegbewegen.

Bei einer herkömmlichen Sperrschichtdiode ist der Verarmungsbereich ein Bereich, der das P- und N-Material trennt. Der Verarmungsbereich wird zu Beginn entwickelt, wenn der Übergang anfänglich gebildet wird. In diesem Bereich gibt es keine Stromträger, und daher wirkt der Verarmungsbereich als dielektrisches Medium oder Isolator.

Das Material vom P-Typ mit Löchern als Majoritätsträger und das Material vom N-Typ mit Elektronen als Majoritätsträger wirken nun als geladene Platten. Somit kann die Diode als Kondensator mit gegenüberliegenden geladenen Platten vom N- und P-Typ betrachtet werden, und der Verarmungsbereich wirkt als Dielektrikum. Wie wir wissen, sind P- und N-Materialien als Halbleiter durch einen Isolator im Verarmungsbereich getrennt.

Es werden Dioden genannt, die so ausgelegt sind, dass sie auf den Kapazitätseffekt unter Sperrvorspannung reagieren varactors, varicap diodes, oder voltage-variable capacitors.

Die folgende Abbildung zeigt das Symbol der Varactor-Diode.

Varaktordioden werden normalerweise im Sperrvorspannungszustand betrieben. Wenn die Sperrvorspannung zunimmt, nimmt auch die Breite des Verarmungsbereichs zu, was zu einer geringeren Kapazität führt. Das heißt, wenn die Sperrvorspannung abnimmt, ist eine entsprechende Erhöhung der Kapazität zu sehen. Somit ändert sich die Diodenkapazität umgekehrt proportional zur Vorspannung. Normalerweise ist dies nicht linear. Es wird zwischen Null und der Sperrspannung betrieben.

Die Kapazität der Varactor-Diode wird ausgedrückt als -

$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$

• C_T = Gesamtkapazität der Verbindungsstelle

• E = Permittivität des Halbleitermaterials

• A = Querschnittsfläche der Kreuzung

• W_d = Breite der Verarmungsschicht

Diese Dioden sind variabel und werden in Mikrowellenanwendungen verwendet. Varaktordioden werden auch in Resonanzkreisen verwendet, in denen ein gewisses Maß an Spannungsabstimmung oder Frequenzsteuerung erforderlich ist. Diese Diode wird auch in der automatischen Frequenzsteuerung (AFC) in FM-Radio- und Fernsehempfängern verwendet.

Bipolartransistoren bestehen hauptsächlich aus zwei Schichten aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Typs, die Rücken an Rücken verbunden sind. Die Art der Verunreinigung, die Silizium oder Germanium zugesetzt wird, bestimmt die Polarität, wenn es gebildet wird.

NPN-Transistor

Ein NPN-Transistor besteht aus zwei Materialien vom N-Typ, die durch eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial vom P-Typ getrennt sind. Die Kristallstruktur und das schematische Symbol des NPN-Transistors sind in der obigen Abbildung dargestellt.

Es gibt drei Kabel, die aus jeder Art von Material entnommen werden, das als das erkannt wird emitter, base, und collector. Wenn die Pfeilspitze des Emitters von der Basis nach außen gerichtet ist, zeigt dies im Symbol an, dass das Gerät vom Typ NPN ist.

PNP-Transistor

Ein PNP-Transistor besteht aus zwei Materialien vom P-Typ, die durch eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial vom N-Typ getrennt sind. Die Kristallstruktur und das schematische Symbol eines PNP-Transistors sind unten gezeigt.

Wenn im Symbol die Pfeilspitze des Emitters nach innen zur Basis gerichtet ist, zeigt dies an, dass das Gerät vom Typ PNP ist.

Im Folgenden sind einige Herstellungstechniken aufgeführt, die beim Aufbau eines Transistors verwendet werden:

Diffusionstyp

Bei diesem Verfahren wird der Halbleiterwafer einer gewissen Gasdiffusion von Verunreinigungen vom N-Typ und P-Typ ausgesetzt, um Emitter- und Kollektorübergänge zu bilden. Zunächst wird der Basis-Kollektor-Übergang unmittelbar vor der Basisdiffusion bestimmt und photogeätzt. Später wird der Emitter auf der Basis diffundiert. Mit dieser Technik hergestellte Transistoren weisen eine bessere Rauschzahl auf, und es ist auch eine Verbesserung der Stromverstärkung zu sehen.

Gewachsener Typ

Es entsteht durch Ziehen eines Einkristalls aus geschmolzenem Silizium oder Germanium. Die erforderliche Verunreinigungskonzentration wird während des Kristallziehvorgangs hinzugefügt.

Epitaktischer Typ

Eine sehr hochreine und dünne Einkristallschicht aus Silizium oder Germanium wird auf einem stark dotierten Substrat des gleichen Typs gezüchtet. Diese verbesserte Version des Kristalls bildet den Kollektor, auf dem die Emitter- und Basisübergänge gebildet werden.

Legierungstyp

Bei diesem Verfahren besteht der Basisabschnitt aus einer dünnen Scheibe aus Material vom N-Typ. An den gegenüberliegenden Seiten der Scheibe sind zwei kleine Indiumpunkte angebracht, und die gesamte Formation wird für eine kürzere Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten. Die Temperatur würde über der Schmelztemperatur von Indium und unter Germanium liegen. Diese Technik wird auch als Schmelzkonstruktion bezeichnet.

Elektrochemisch geätzter Typ

Bei diesem Verfahren wird auf den gegenüberliegenden Seiten eines Halbleiterwafers eine Vertiefung geätzt, um die Breite des Basisbereichs zu verringern. Dann wird ein geeignetes Metall in den Vertiefungsbereich galvanisiert, um Emitter- und Kollektorübergänge zu bilden.

Transistoren haben drei Abschnitte, nämlich - die emitter, das base, und die collector.

• Das base ist viel dünner als der Emitter und der Kollektor ist vergleichsweise breiter als beide.

• Das emitter ist stark dotiert, so dass es eine große Anzahl von Ladungsträgern zur Stromleitung injizieren kann.

• Die Basis leitet die meisten Ladungsträger zum Kollektor, da sie vergleichsweise leicht dotiert ist als der Emitter und der Kollektor.

Für eine ordnungsgemäße Funktion des Transistors muss der Emitter-Basisbereich in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein und der Kollektor-Basisbereich muss in Rückwärtsrichtung vorgespannt sein.

In Halbleiterschaltungen wird die Quellenspannung als Vorspannung bezeichnet. Um zu funktionieren, müssen bei Bipolartransistoren beide Übergänge vorgespannt sein. Dieser Zustand bewirkt, dass ein Strom durch den Stromkreis fließt. Der Verarmungsbereich der Vorrichtung wird verringert und Mehrheitsstromträger werden in Richtung des Übergangs injiziert. Einer der Übergänge eines Transistors muss in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein und der andere muss in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein, wenn er arbeitet.

Arbeitsweise des NPN-Transistors

Wie in der obigen Figur gezeigt, ist der Übergang von Emitter zu Basis in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Übergang von Kollektor zu Basis ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Durch Vorwärtsvorspannung des Emitters zum Basisübergang fließen die Elektronen vom Emitter vom N-Typ zur Vorspannung. Diese Bedingung formuliert den Emitterstrom (I _E ).

Beim Überqueren des Materials vom P-Typ neigen Elektronen dazu, sich mit im Allgemeinen sehr wenigen Löchern zu verbinden und bilden den Basisstrom (I _B ). Der Rest der Elektronen durchquert den dünnen Verarmungsbereich und erreicht den Kollektorbereich. Dieser Strom bildet den Kollektorstrom (I _C ).

Mit anderen Worten fließt der Emitterstrom tatsächlich durch die Kollektorschaltung. Daher kann angenommen werden, dass der Emitterstrom die Summe der Basis- und des Kollektorstroms ist. Es kann ausgedrückt werden als:

I _E = I _B + I _C.

Arbeitsweise des PNP-Transistors

Wie in der folgenden Figur gezeigt, ist der Übergang von Emitter zu Basis in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Übergang von Kollektor zu Basis ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Durch die Vorwärtsvorspannung des Emitters zum Basisübergang fließen die Löcher vom P-Emitter zur Vorspannung. Diese Bedingung formuliert den Emitterstrom (I _E ).

Beim Überqueren des Materials vom N-Typ neigen die Elektronen dazu, sich mit Elektronen zu verbinden, im Allgemeinen sehr wenige, und bilden den Basisstrom (I _B ). Der Rest der Löcher kreuzt den dünnen Verarmungsbereich und erreicht den Kollektorbereich. Dieser Strom bildet den Kollektorstrom (I _C ).

Mit anderen Worten fließt der Emitterstrom tatsächlich durch die Kollektorschaltung. Daher kann angenommen werden, dass der Emitterstrom die Summe der Basis- und des Kollektorstroms ist. Es kann ausgedrückt werden als:

I _E = I _B + I _C.

Wenn ein Transistor in einer Schaltung angeschlossen ist, sind vier Anschlüsse oder Leitungen oder Zweige erforderlich, zwei sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang. Da wir wissen, dass Transistoren nur 3 Anschlüsse haben, kann diese Situation überwunden werden, indem einer der Anschlüsse sowohl für den Eingangs- als auch für den Ausgangsabschnitt gemeinsam gemacht wird. Dementsprechend kann ein Transistor in drei Konfigurationen wie folgt angeschlossen werden:

• Gemeinsame Basiskonfiguration
• Common Emitter-Konfiguration
• Allgemeine Kollektorkonfiguration

Im Folgenden sind einige wichtige Punkte zum Betrieb des Transistors aufgeführt.

• Ein Transistor kann in drei Bereichen betrieben werden, nämlich im aktiven Bereich, im Sättigungsbereich und im Grenzbereich.

• Bei Verwendung eines Transistors im aktiven Bereich ist der Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Kollektor-Basis-Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt.

• Bei Verwendung eines Transistors im Sättigungsbereich ist der Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Kollektor-Basis-Übergang ist ebenfalls in Vorwärtsrichtung vorgespannt.

• Bei Verwendung eines Transistors im Sperrbereich sind sowohl der Basis-Emitter-Übergang als auch der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt.

Vergleich der Transistorkonfiguration

Die folgende Tabelle zeigt den Vergleich der Transistorkonfiguration.

Eigenschaften	Gemeinsamer Emitter	Gemeinsame Basis	Gemeinsamer Sammler
Stromgewinn	Hoch	Nein	Beträchtlich
Anwendungen	Audiofrequenz	Hochfrequenz	Impedanzanpassung
Eingangswiderstand	Niedrig	Niedrig	Sehr hoch
Ausgangswiderstand	Hoch	Sehr hoch	Niedrig
Spannungsverstärkung	Ca. 500	Ca. 150	Weniger als 1

Vor- und Nachteile von Transistoren

In der folgenden Tabelle sind die Vor- und Nachteile von Transistoren aufgeführt.

Vorteile	Nachteile
Niedrige Quellenspannung	Temperaturabhängigkeit
Hochspannungsverstärkung	Geringere Verlustleistung
Kleiner	Niedrige Eingangsimpedanz

Stromverstärkungsfaktor (α)

Das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms zur Änderung des Emitterstroms bei konstanter Kollektor- / Basisspannung V_cb ist als Stromverstärkungsfaktor bekannt ‘α’. Es kann ausgedrückt werden als

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ bei Constant V _CB

Es ist klar, dass der Stromverstärkungsfaktor kleiner als eins ist und umgekehrt proportional zum Basisstrom ist, wenn man bedenkt, dass die Basis leicht dotiert und dünn ist.

Basisstromverstärkungsfaktor (β)

Dies ist das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms zur Änderung des Basisstroms. Eine kleine Änderung des Basisstroms führt zu einer sehr großen Änderung des Kollektorstroms. Daher kann der Transistor eine Stromverstärkung erreichen. Es kann ausgedrückt werden als

$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$

Transistor als Verstärker

Die folgende Abbildung zeigt, dass ein Lastwiderstand (R _L ) in Reihe mit der Kollektorversorgungsspannung (V _cc ) liegt. Eine kleine SpannungsänderungΔV_i zwischen dem Emitter und der Basis verursacht eine relativ große Emitterstromänderung ΔI_E.

Wir definieren durch das Symbol 'a' - den Bruchteil dieser aktuellen Änderung - der gesammelt wird und durchläuft R_L. Die Änderung der Ausgangsspannung am LastwiderstandΔV_o = a’RL ΔI_Ekann ein Vielfaches der Änderung der Eingangsspannung ΔV _{I sein} . Unter diesen Umständen erfolgt die SpannungsverstärkungA == V_O/ΔV_I wird größer als Eins sein und der Transistor wirkt als Verstärker.

Ein Feldeffekttransistor (FET) ist eine Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen. Sein Betrieb basiert auf einer geregelten Eingangsspannung. JFET und Bipolartransistoren sind äußerlich sehr ähnlich. BJT ist jedoch ein stromgesteuertes Gerät und JFET wird durch die Eingangsspannung gesteuert. Am häufigsten sind zwei Arten von FETs verfügbar.

• Junction Field Effect Transistor (JFET)
• Metalloxid-Halbleiter-FET (IGFET)

Junction Field Effect Transistor

Die Funktion des Junction Field Effect Transistors hängt nur vom Fluss der Majoritätsträger (Elektronen oder Löcher) ab. Grundsätzlich bestehen JFETs aus einemN Typ oder PTyp Siliziumstab mit PN-Übergängen an den Seiten. Im Folgenden sind einige wichtige Punkte aufgeführt, die Sie bei FET beachten sollten:

• Gate- Durch Diffusions- oder Legierungstechnik werden beide Seiten des Stabes vom Typ N stark dotiert, um einen PN-Übergang zu erzeugen. Diese dotierten Bereiche werden als Gate (G) bezeichnet.

• Source - Es ist der Einstiegspunkt für Majoritätsträger, über den sie in die Halbleiterleiste eintreten.

• Drain - Es ist der Austrittspunkt für Majoritätsträger, durch den sie den Halbleiterstab verlassen.

• Channel - Dies ist der Bereich aus Material vom Typ N, durch den die meisten Ladungsträger von der Quelle zum Abfluss gelangen.

Es gibt zwei Arten von JFETs, die üblicherweise in Feldhalbleiterbauelementen verwendet werden: N-Channel JFET und P-Channel JFET.

N-Kanal-JFET

Es hat eine dünne Schicht aus Material vom N-Typ, die auf einem Substrat vom P-Typ gebildet ist. Die folgende Abbildung zeigt die Kristallstruktur und das schematische Symbol eines N-Kanal-JFET. Dann wird das Gate auf dem N-Kanal mit P-Material gebildet. Am Ende des Kanals und des Gates sind Anschlussdrähte angebracht und das Substrat hat keine Verbindung.

Wenn eine Gleichspannungsquelle an die Source und die Drainleitungen eines JFET angeschlossen ist, fließt maximaler Strom durch den Kanal. Die gleiche Strommenge fließt von den Source- und Drain-Anschlüssen. Die Höhe des Kanalstromflusses wird durch den Wert von V _DD und den Innenwiderstand des Kanals bestimmt.

Ein typischer Wert für den Source-Drain-Widerstand eines JFET beträgt einige hundert Ohm. Es ist klar, dass selbst bei geöffnetem Gate die volle Stromleitung im Kanal stattfindet. Im Wesentlichen steuert der Betrag der an ID angelegten Vorspannung den Fluss von Stromträgern, die durch den Kanal eines JFET laufen. Mit einer kleinen Änderung der Gate-Spannung kann der JFET überall zwischen Vollleitung und Abschaltzustand gesteuert werden.

P-Kanal-JFETs

Es hat eine dünne Schicht aus Material vom P-Typ, die auf einem Substrat vom N-Typ gebildet ist. Die folgende Abbildung zeigt die Kristallstruktur und das schematische Symbol eines N-Kanal-JFET. Das Gate ist auf dem P-Kanal mit Material vom N-Typ ausgebildet. Am Ende des Kanals und des Gates sind Anschlussdrähte angebracht. Die restlichen Konstruktionsdetails ähneln denen des N-Kanal-JFET.

Normalerweise wird für den allgemeinen Betrieb der Gate-Anschluss in Bezug auf den Source-Anschluss positiv gemacht. Die Größe der PN-Übergangsverarmungsschicht hängt von Schwankungen der Werte der in Sperrrichtung vorgespannten Gate-Spannung ab. Mit einer kleinen Änderung der Gate-Spannung kann der JFET überall zwischen Vollleitung und Abschaltzustand gesteuert werden.

Ausgangseigenschaften des JFET

Die Ausgangskennlinien des JFET werden zwischen dem Drainstrom (I _D ) und der Drainquellenspannung (V _DS ) bei konstanter Gatequellenspannung (V _GS ) gezeichnet, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Anfänglich steigt der Drainstrom (I _D ) schnell mit der Drain-Source-Spannung (V _DS ) an, wird jedoch plötzlich konstant bei einer Spannung, die als Quetschspannung (V _P ) bekannt ist. Oberhalb der Quetschspannung wird die Kanalbreite so eng, dass ein sehr kleiner Drainstrom durch sie fließen kann. Daher bleibt der Drainstrom (I _D ) über der Abschaltspannung konstant.

Parameter des JFET

Die Hauptparameter von JFET sind -

• AC-Drain-Widerstand (Rd)
• Transconductance
• Verstärkungsfaktor

AC drain resistance (R_d)- Dies ist das Verhältnis der Änderung der Drain-Source-Spannung (ΔV _DS ) zur Änderung des Drain-Stroms (ΔI _D ) bei konstanter Gate-Source-Spannung. Es kann ausgedrückt werden als:

R _d = (& Delta; V _DS ) / (& Delta; I _D ) bei konstanter V _GS

Transconductance (g_fs)- Dies ist das Verhältnis der Änderung des Drainstroms (ΔI _D ) zur Änderung der Gate-Source-Spannung (ΔV _GS ) bei konstanter Drain-Source-Spannung. Es kann ausgedrückt werden als:

g _fs = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) bei konstanter V _DS

Amplification Factor (u)- Es ist das Verhältnis der Änderung der Drain-Source - Spannung (& Delta; V _DS ) auf die Änderung der Gate - Source - Spannung (& Delta; V _GS ) konstanter Drain - Strom (& Delta; I _D ). Es kann ausgedrückt werden als:

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) bei konstanter _ID

Es gibt zwei Methoden zum Vorspannen des JFET: Self-Bias-Methode und Potential Divider-Methode. In diesem Kapitel werden wir diese beiden Methoden im Detail diskutieren.

Self-Bias-Methode

Die folgende Abbildung zeigt das Self-Bias-Verfahren des n-Kanal-JFET. Der Drainstrom fließt durchR_sund erzeugt die erforderliche Vorspannung. Deshalb,R_s ist der Vorspannungswiderstand.

Daher Spannung über Vorspannungswiderstand,

$$ V_s = I_ {DRS} $$

Wie wir wissen, ist der Gate-Strom vernachlässigbar klein, der Gate-Anschluss befindet sich auf Gleichstrommasse, V _G = 0,

$$ V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS} $$

Oder $ V_ {GS} = -I_ {DRS} $

V _GS hält das Gate negativ gegenüber der Quelle.

Spannungsteilermethode

Die folgende Abbildung zeigt das Spannungsteilerverfahren zum Vorspannen der JFETs. Hier bilden die Widerstände R ₁ und R ₂ eine Spannungsteilerschaltung über der Drain-Versorgungsspannung (V _DD ) und sind mehr oder weniger identisch mit der bei der Transistorvorspannung verwendeten.

Die Spannung an R ₂ liefert die notwendige Vorspannung -

$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ mal R_2 $$

$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $

Oder $ V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS} $

Die Schaltung ist so ausgelegt, dass V _GS immer negativ ist. Der Arbeitspunkt kann mit der folgenden Formel ermittelt werden:

$$ I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S} $$

und $ V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S) $

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, auch als MOSFETs bekannt, haben eine größere Bedeutung und sind ein neues Mitglied der FET-Familie.

Es hat ein leicht dotiertes Substrat vom P-Typ, in das zwei hoch dotierte Zonen vom N-Typ diffundiert sind. Ein einzigartiges Merkmal dieses Geräts ist seine Torkonstruktion. Hier ist das Gate vollständig vom Kanal isoliert. Wenn eine Spannung an das Gate angelegt wird, entwickelt sich eine elektrostatische Ladung.

Zu diesem Zeitpunkt darf im Gate-Bereich der Vorrichtung kein Strom fließen. Das Tor ist auch ein Bereich der Vorrichtung, der mit Metall beschichtet ist. Im Allgemeinen wird Siliziumdioxid als Isoliermaterial zwischen dem Gate und dem Kanal verwendet. Aus diesem Grund ist es auch bekannt alsinsulated gate FET. Es gibt zwei weit verbreitete MOSFETs: i) Verarmungs-MOSFET ii) Verbesserungs-MOSFET.

D MOSFET

Die folgenden Abbildungen zeigen den n-Kanal-D-MOSFET und das Symbol. Das Gate bildet einen Kondensator mit einem Gate als einer Platte, und die andere Platte ist der Kanal mit einer SiO ₂ -Schicht als Dielektrikum. Wenn sich die Gate-Spannung ändert, ändert sich das elektrische Feld des Kondensators, was wiederum den Widerstand des n-Kanals ändert.

In diesem Fall können wir entweder eine positive oder eine negative Spannung an das Gate anlegen. Wenn der MOSFET mit einer negativen Gate-Spannung betrieben wird, wird er als Verarmungsmodus bezeichnet, und wenn er mit einer positiven Gate-Spannung betrieben wird, wird er als Verbesserungsbetriebsmodus des MOSFET bezeichnet.

Erschöpfungsmodus

Die folgende Abbildung zeigt einen n-Kanal-D-MOSFET im Depletion-Betriebsmodus.

Seine Funktionsweise ist wie folgt:

• Die meisten Elektronen sind am Gate verfügbar, da das Gate negativ ist und die Elektronen von abstößt n Kanal.

• Diese Aktion hinterlässt positive Ionen im Teil des Kanals. Mit anderen Worten, einige der freien Elektronen dernKanal sind erschöpft. Infolgedessen steht weniger Elektronen für die Stromleitung durch dien Kanal.

• Je größer die negative Spannung am Gate ist, desto geringer ist der Strom von der Source zum Drain. Somit können wir den Widerstand des n-Kanals und den Strom von der Source zum Drain ändern, indem wir die negative Spannung am Gate variieren.

Verbesserungsmodus

Die folgende Abbildung zeigt einen n-Kanal-D-MOSFET im Enhancement-Betriebsmodus. Hier wirkt das Gate als Kondensator. In diesem Fall ist das Gate jedoch positiv. Es provoziert die Elektronen in dern Kanal und die Anzahl der Elektronen steigt in der n Kanal.

Eine positive Gate-Spannung erhöht oder erhöht die Leitfähigkeit des Kanals. Je größer die positive Spannung am Gate ist, desto größer ist die Leitung von der Source zum Drain.

Somit können wir den Widerstand des n-Kanals und den Strom von der Source zum Drain ändern, indem wir die positive Spannung am Gate variieren.

Übertragungseigenschaften des D - MOSFET

Die folgende Abbildung zeigt die Übertragungseigenschaften des D-MOSFET.

Wenn V _GS negativ wird, fällt I _D unter den Wert von I _DSS , bis es Null erreicht und V _GS = V _GS (aus) (Verarmungsmodus). Wenn V _GS Null ist, ist I _D = I _DSS, weil das Gate und die Source-Anschlüsse kurzgeschlossen sind. I _D steigt über den Wert von I _{DSS an} , wenn V _GS positiv ist und sich der MOSFET im Verbesserungsmodus befindet.

Ein Operationsverstärker oder Operationsverstärker ist ein Differenzverstärker mit sehr hoher Verstärkung mit hoher Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz. Operationsverstärker werden typischerweise verwendet, um Spannungsamplitudenänderungen, Oszillatoren, Filterschaltungen usw. bereitzustellen. Ein Operationsverstärker kann eine Anzahl von Differenzverstärkerstufen enthalten, um eine sehr hohe Spannungsverstärkung zu erzielen.

Dies ist ein Differenzverstärker mit hoher Verstärkung, der eine direkte Kopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang verwendet. Dies ist sowohl für Gleichstrom- als auch für Wechselstrombetriebe geeignet. Operationsverstärker erfüllen neben verschiedenen mathematischen Operationen zahlreiche elektronische Funktionen wie Instrumentierungsgeräte, Signalgeneratoren, aktive Filter usw. Dieses vielseitige Gerät wird auch in vielen nichtlinearen Anwendungen verwendet, z. B. in Spannungskomparatoren, Analog-Digital-Wandlern und Digital-Analog-Wandlern, logarithmischen Verstärkern, nichtlinearen Funktionsgeneratoren usw.

Grundlegender Differenzverstärker

Die folgende Abbildung zeigt einen grundlegenden Differenzverstärker -

In der obigen Abbildung -

• V_DI = Differenzeingang

• V_DI= V ₁ - V ₂

• V_DO = Differenzausgang

• V_DO= V _C1 - V _C2

Dieser Verstärker verstärkt die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen V ₁ und V ₂ .

Differenzspannungsverstärkung,

$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$

und

$$ A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}} $$

Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, besteht der Basis-Operationsverstärker aus drei Stufen:

Eingangsstufe

Dies ist die erste Stufe und weist die folgenden Eigenschaften auf.

• Hohe CMR (Common Mode Rejection)
• Hohe Eingangsimpedanz
• Breite Bandbreite
• Niedriger (DC) Eingangsoffset

Dies sind einige wichtige Merkmale für die Leistung des Operationsverstärkers. Diese Stufe besteht aus einer Differenzverstärkerstufe und ein Transistor ist vorgespannt, so dass er als Konstantstromquelle wirkt. Die Konstantstromquelle erhöht das CMR des Differenzverstärkers erheblich.

Es folgen die beiden Eingänge des Differenzverstärkers -

• V ₁ = nicht invertierender Eingang
• V ₂ = Eingang invertieren

Fortgeschrittenes Stadium

Dies ist die zweite Stufe und wurde entwickelt, um bessere Spannungs- und Stromverstärkungen zu erzielen. Die Stromverstärkung ist erforderlich, um ausreichend Strom zu liefern, um die Ausgangsstufe anzutreiben, in der der größte Teil der Operationsverstärkerleistung erzeugt wird. Diese Stufe besteht aus einem oder mehreren Differenzverstärkern, gefolgt von einem Emitterfolger und einer DC-Pegelverschiebungsstufe. Die Pegelverschiebungsschaltung ermöglicht es einem Verstärker, zwei Differenzeingänge mit einem einzigen Ausgang zu haben.

V out = + ve	wenn V 1 > V 2
V out = -ve	wenn V 2 <V 1
V out = 0	wenn V 1 = V 2

Ausgangsstufe

Dies ist die letzte Stufe des Operationsverstärkers und ist auf eine niedrige Ausgangsimpedanz ausgelegt. Dies liefert den erforderlichen Strom, um die Last anzutreiben. Bei wechselnder Last wird mehr oder weniger Strom aus der Ausgangsstufe entnommen. Daher ist es wichtig, dass die vorherige Stufe arbeitet, ohne von der Ausgangslast beeinflusst zu werden. Diese Anforderung wird erfüllt, indem diese Stufe so ausgelegt wird, dass sie eine hohe Eingangsimpedanz und eine hohe Stromverstärkung aufweist, jedoch mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz.

Der Operationsverstärker hat zwei Eingänge: Non-inverting input und Inverting input.

Die obige Abbildung zeigt den invertierenden Typ des Operationsverstärkers. Ein Signal, das am invertierenden Eingangsanschluss angelegt wird, wird verstärkt, das Ausgangssignal ist jedoch um 180 Grad phasenverschoben zum Eingangssignal. Ein am nichtinvertierenden Eingangsanschluss angelegtes Signal wird verstärkt und das Ausgangssignal ist mit dem Eingangssignal in Phase.

Der Operationsverstärker kann in einer großen Anzahl von Schaltkreisen angeschlossen werden, um verschiedene Betriebseigenschaften bereitzustellen.

Invertierender Verstärker

Die folgende Abbildung zeigt einen invertierenden Verstärker. Das Eingangssignal wird verstärkt und invertiert. Dies ist die am weitesten verbreitete Verstärkerschaltung mit konstanter Verstärkung.

V _o = -R _f .V _in / R ₁

Spannungsverstärkung A = (-R _f / R ₁ )

Nicht invertierender Verstärker

Die folgende Abbildung zeigt eine Operationsverstärkerschaltung, die als nichtinvertierender Verstärker oder Multiplikator mit konstanter Verstärkung arbeitet und eine bessere Frequenzstabilität aufweist.

Das Eingangssignal wird verstärkt, aber nicht invertiert.

Ausgang V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

Spannungsverstärkung A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Invertierender Summierverstärker

Die folgende Abbildung zeigt einen invertierenden Summierverstärker. Es ist die am häufigsten verwendete Schaltung des Operationsverstärkers. Die Schaltung zeigt einen Summierverstärker mit drei Eingängen, der ein Mittel zum algebraischen Summieren von drei Spannungen bereitstellt, die jeweils mit einem konstanten Verstärkungsfaktor multipliziert werden. Die Ausgangsspannung wird ausgedrückt als:

V _o = [(-R ₄ / R ₁ ) V ₁ ] [(- R ₄ / R ₂ ) V ₂ ] [(- R ₄ / R ₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

Wenn R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = - (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

Die folgende Abbildung zeigt, dass die verwendete Rückkopplungskomponente ein Kondensator ist und die resultierende Verbindung als Integrator bezeichnet wird.

Das Virtual-Ground-Äquivalent zeigt, dass ein Ausdruck für die Spannung zwischen Eingang und Ausgang als Strom (I) vom Eingang zum Ausgang abgeleitet werden kann. Denken Sie daran, dass virtuelle Masse bedeutet, dass wir die Spannung an der Verbindungsstelle von R und X _C als Masse betrachten können (da V _i ≈ 0 V ist), jedoch an diesem Punkt kein Strom in die Erde fließt. Die kapazitive Impedanz kann ausgedrückt werden als

$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$

Wo s= jw wie in der Laplace-Notation. Das Lösen der Gleichung für $ V_o / V_i $ ergibt die folgende Gleichung

$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$

$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$

Es kann im Zeitbereich als geschrieben werden

$$ V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt $$

Eine Differenzierungsschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das Unterscheidungsmerkmal liefert eine nützliche Operation, wobei sich die resultierende Beziehung für die Schaltung ergibt

V _o (t) = RC (dv1 (t) / dt

Im Folgenden sind einige wichtige Parameter des Operationsverstärkers aufgeführt:

Spannungsverstärkung im offenen Regelkreis (AVOL)

Die Spannungsverstärkung eines Operationsverstärkers im offenen Regelkreis ist seine Differenzverstärkung unter Bedingungen, bei denen keine negative Rückkopplung verwendet wird. AVOL reicht von 74 dB bis 100 dB.

AVOL = [V _o / (V ₁ - V ₂ )]

Ausgangsoffsetspannung (VOO)

Die Ausgangsoffsetspannung eines Operationsverstärkers ist seine Ausgangsspannung, wenn seine differentielle Eingangsspannung Null ist.

Gleichtaktunterdrückung (CMR)

Wenn beide Eingänge auf dem gleichen Potential liegen, wodurch der Differenzeingang Null wird, und wenn der Ausgang Null ist, hat der Operationsverstärker eine gute Gleichtaktunterdrückung.

Gleichtaktverstärkung (AC)

Die Gleichtaktverstärkung eines Operationsverstärkers ist das Verhältnis der Gleichtakt-Ausgangsspannung zur Gleichtakt-Eingangsspannung.

Differential Gain (AD)

Die Differenzverstärkung eines Operationsverstärkers ist das Verhältnis des Ausgangs zum Differenzeingang.

Ad = [V _o / (V ₁ ) - V ₂ ]

Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis (CMRR)

Das CMRR eines Operationsverstärkers ist definiert als das Verhältnis der Differenzverstärkung im geschlossenen Regelkreis zur Gleichtaktverstärkung.

CMRR = Ad / AC

Anstiegsgeschwindigkeit (SR)

Die Anstiegsgeschwindigkeit ist die Änderungsrate der Ausgangsspannung, die durch eine Stufeneingangsspannung verursacht wird. Eine ideale Anstiegsgeschwindigkeit ist unendlich, was bedeutet, dass sich der Ausgang des Operationsverstärkers als Reaktion auf eine Eingangsschrittspannung sofort ändern sollte.

Wir haben bereits einige Anwendungen von Operationsverstärkern wie Differenzierer, Integrator, Summierverstärker usw. erörtert. Einige andere übliche Anwendungen von Operationsverstärkern sind -

• Logarithmischer Verstärker
• Gyrator (Induktivitätssimulator)
• DC & AC Spannungsfolger
• Analog-Digital-Wandler
• Digital-Analog-Wandler
• Netzteile für Überspannungsschutz
• Polaritätsanzeige
• Spannungsfolger
• Aktive Filter

Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung, die sinusförmige Schwingungen erzeugt, die als bekannt sind sinusoidal oscillator. Es wandelt Eingangsenergie von einer Gleichstromquelle in Wechselstromausgangsenergie mit periodischer Wellenform bei einer bestimmten Frequenz und bekannter Amplitude um. Das charakteristische Merkmal des Oszillators ist, dass er seinen Wechselstromausgang beibehält.

Die folgende Abbildung zeigt einen Verstärker mit Rückkopplungssignal, auch wenn kein extern angelegtes Eingangssignal vorhanden ist. Ein Sinusoszillator ist im Wesentlichen eine Form eines Rückkopplungsverstärkers, bei dem besondere Anforderungen an die Spannungsverstärkung gestellt werdenA_v und die Feedback-Netzwerke β.

Betrachten Sie den Rückkopplungsverstärker der obigen Abbildung, bei dem die Rückkopplungsspannung V _f = βV _O die gesamte Eingangsspannung liefert

$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)

$ V_i = A_V \ beta V_i $ Oder $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)

Wenn eine Ausgangsspannung erzeugt werden soll, kann die Eingangsspannung nicht Null sein. Damit V _i existiert, erfordert Gleichung (2) dies

$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ oder $ A_V \ beta = 1 $ (3)

Gleichung (3) ist bekannt als “Barkhausen criterion”, die zwei Grundvoraussetzungen für die Schwingung angibt -

• Die Spannungsverstärkung um den Verstärker und die Rückkopplungsschleife, die als Schleifenverstärkung bezeichnet wird, muss Eins oder $ A_V \ beta = 1 $ sein.

• Die Phasenverschiebung zwischen $ V_i $ und $ V_f $, die als Schleifenphasenverschiebung bezeichnet wird, muss Null sein.

Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, erzeugt der Rückkopplungsverstärker der obigen Figur konsistent eine sinusförmige Ausgangswellenform.

Lassen Sie uns nun einige typische Oszillatorschaltungen im Detail diskutieren.

Phasenverschiebungsoszillator

Eine Oszillatorschaltung, die dem grundlegenden Fortschritt einer Rückkopplungsschaltung folgt, ist der Phasenverschiebungsoszillator. Ein Phasenverschiebungsoszillator ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Anforderungen für die Schwingung sind , dass die Schleifenverstärkung (& beta; A) sollte größer sein als die Einheit und die Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang 360 sein sollte ^o .

Die Rückmeldung erfolgt vom Ausgang des RC-Netzwerks zurück zum Verstärkereingang. Die Verstärkerstufe des Operationsverstärkers bietet eine anfängliche Verschiebung um 180 Grad, und das RC-Netzwerk führt eine zusätzliche Phasenverschiebung ein. Bei einer bestimmten Frequenz beträgt die vom Netzwerk eingeführte Phasenverschiebung genau 180 Grad, sodass die Schleife 360 ​​Grad beträgt und die Rückkopplungsspannung in der Phaseneingangsspannung liegt.

Die Mindestanzahl von RC-Stufen im Rückkopplungsnetz beträgt drei, da jeder Abschnitt eine Phasenverschiebung von 60 Grad bietet. Der RC-Oszillator ist ideal für den Bereich der Audiofrequenzen von wenigen Zyklen bis ca. 100 kHz geeignet. Bei den höheren Frequenzen wird die Netzwerkimpedanz so niedrig, dass sie den Verstärker ernsthaft belasten kann, wodurch seine Spannungsverstärkung unter den erforderlichen Mindestwert verringert wird und die Schwingungen aufhören.

Bei niedrigen Frequenzen ist der Belastungseffekt normalerweise kein Problem und die erforderlichen großen Widerstands- und Kapazitätswerte sind leicht verfügbar. Unter Verwendung der grundlegenden Netzwerkanalyse kann die Frequenzschwingung ausgedrückt werden als

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$

Wiener Brückenoszillator

Eine praktische Oszillatorschaltung verwendet eine Operationsverstärker- und eine RC-Brückenschaltung, wobei die Oszillatorfrequenz durch die eingestellt wird R und CKomponenten. Die folgende Abbildung zeigt eine Basisversion einer Wien-Brückenoszillatorschaltung.

Beachten Sie die grundlegende Brückenverbindung. Die Widerstände R ₁ und R ₂ und die Kondensatoren C ₁ und C ₂ bilden die Frequenzanpassungselemente, während die Widerstände R ₃ und R ₄ einen Teil des Rückkopplungspfades bilden.

In dieser Anwendung ist die Eingangsspannung (V _i ) der Brücke die Verstärkerausgangsspannung, und die Ausgangsspannung (V _o ) der Brücke ist eine Rückkopplung zum Verstärkereingang. Unter Vernachlässigung der Belastungseffekte der Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des Operationsverstärkers ergibt sich die Analyse der Brückenschaltung

$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$

und

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$

Wenn R ₁ = R ₂ = R und C ₁ = C ₂ = C ist, ist die resultierende Oszillatorfrequenz

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$

Hartley-Oszillator

Die folgende Abbildung zeigt den Hartley-Oszillator. Es ist eine der häufigsten HF-Schaltungen. Es wird normalerweise als lokaler Oszillator in einem Kommunikations-Rundfunkempfänger verwendet. Der Bipolartransistor in der gemeinsamen Emitterverbindung ist der Spannungsverstärker und wird durch eine universelle Vorspannungsschaltung vorgespannt, die aus R ₁ , R ₂ , R _{E besteht} . Der Emitter-Bypass-Kondensator (C _E ) erhöht die Spannungsverstärkung dieser einzelnen Transistorstufe.

Die Hochfrequenzdrossel (RFC) im Kollektorstromkreis wirkt als offener Stromkreis bei der HF-Frequenz und verhindert, dass HF-Energie in die Stromversorgung gelangt. Der Tankkreis besteht aus L ₁ , L ₂ und C. Die Frequenz der Schwingungen wird durch den Wert von L ₁ , L ₂ und C bestimmt und wird durch die Schwingungen bei der Resonanzfrequenz des LC-Tankkreises bestimmt. Diese Resonanzfrequenz wird ausgedrückt als

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$

Das Ausgangssignal kann durch kapazitive Kopplung aus dem Kollektor entnommen werden, sofern die Last groß ist und die Schwingungsfrequenz nicht beeinflusst wird.

Piezoelektrizität

Piezoelektrische Eigenschaften zeigen eine Reihe natürlicher Kristallsubstanzen, von denen die wichtigsten Quarz, Rochellesalz und Turmalin sind. Wenn an diese Materialien eine sinusförmige Spannung angelegt wird, schwingen sie mit der angelegten Spannungsfrequenz.

Wenn diese Materialien andererseits komprimiert und mechanisch belastet werden, um zu vibrieren, erzeugen sie eine äquivalente sinusförmige Spannung. Daher werden diese Materialien als piezoelektrischer Kristall bezeichnet. Quarz ist der beliebteste piezoelektrische Kristall.

Kristalloszillator

Das Schaltbild des Quarzoszillators ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der Kristall wirkt hier als abgestimmter Schaltkreis. Das Ersatzschaltbild eines Kristalls ist unten angegeben.

Ein Quarzoszillator hat zwei Resonanzfrequenzen: Serienresonanzfrequenz und Parallelresonanzfrequenz.

Serienresonanzfrequenz

$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

Parallele Resonanzfrequenz

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$

Die beiden Resonanzfrequenzen sind nahezu gleich, da C / Cm sehr klein ist. In der obigen Figur ist der Kristall verbunden, um im Parallelresonanzmodus zu arbeiten.

Die Widerstände R ₁ , R ₂ , R _E und der Transistor bilden zusammen eine Verstärkerschaltung. Die Widerstände R ₁ und R ₂ liefern eine spannungsstabilisierte Gleichstromvorspannung. Der Kondensator (C _E ) liefert einen Wechselstrom-Bypass des Emitterwiderstands (R _E ) und der RFC liefert eine hohe Impedanz für die vom Oszillator erzeugte Frequenz, so dass sie nicht in die Stromleitungen gelangen.

Der Kristall ist parallel zu den Kondensatoren C ₁ und C ₂ und ermöglicht eine maximale Spannungsrückkopplung vom Kollektor zum Emitter, wenn seine Impedanz maximal ist. Bei anderen Frequenzen ist die Kristallimpedanz niedrig und daher ist die resultierende Rückkopplung zu klein, um Schwingungen aufrechtzuerhalten. Die Oszillatorfrequenz wird bei der parallelen Resonanzfrequenz des Kristalls stabilisiert.

Der Hauptzweck des Vorspannungsnetzwerks besteht darin, Kollektor-Basis-Emitter-Spannungs- und Strombeziehungen im Betriebspunkt der Schaltung herzustellen (der Betriebspunkt wird auch als Ruhepunkt, Q-Punkt, No-Signal-Punkt, Leerlaufpunkt, bezeichnet). oder statischer Punkt). Da Transistoren selten an diesem Q-Punkt arbeiten, werden die grundlegenden Vorspannungsnetzwerke im Allgemeinen als Referenz oder Ausgangspunkt für den Entwurf verwendet.

Die tatsächliche Schaltungskonfiguration und insbesondere die Vorspannungsnetzwerkwerte werden auf der Grundlage dynamischer Schaltungsbedingungen (gewünschter Ausgangsspannungshub, erwarteter Eingangssignalpegel usw.) ausgewählt. Sobald der gewünschte Betriebspunkt festgelegt ist, ist die nächste Funktion des Vorspannungsnetzwerks um die Verstärkerschaltung an dieser Stelle zu stabilisieren. Das Basisvorspannungsnetzwerk muss die gewünschten Stromverhältnisse bei Vorhandensein von Temperatur- und Stromversorgungsänderungen und möglichem Transistorwechsel aufrechterhalten.

In einigen Fällen müssen Frequenzänderungen und Änderungen, die erneut durch die Komponente verursacht werden, auch durch das Vorspannungsnetzwerk ausgeglichen werden. Dieser Prozess wird allgemein als Vorspannungsstabilisierung bezeichnet. Durch eine ordnungsgemäße Vorspannungsstabilisierung wird die Verstärkerschaltung auf dem gewünschten Betriebspunkt (innerhalb praktischer Grenzen) gehalten und ein thermisches Durchgehen verhindert.

Stabilitätsfaktor 'S'

Es ist definiert als die Änderungsrate des Kollektorstroms gegenüber dem Rückwärtssättigungsstrom, wobei β und V _BE konstant bleiben . Es wird ausgedrückt als

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

Vorspannungsstabilisierungsmethoden

Das Verfahren, den Betriebspunkt unabhängig von Temperaturänderungen oder Variationen der Transistorparameter zu machen, ist bekannt als stabilization. Es gibt verschiedene Schemata zur Bereitstellung einer Vorspannungsstabilisierung von Festkörperverstärkern. Alle diese Schemata führen zu einer Form von negativem Feedback. Das heißt, jede Stufe in Transistorströmen erzeugt eine entsprechende Spannungs- oder Stromänderung, die dazu neigt, die anfängliche Änderung auszugleichen.

Es gibt zwei grundlegende Methoden zur Erzeugung einer negativen Rückkopplung: eine inverse Spannungsrückkopplung und eine inverse Stromrückkopplung.

Inverse-Voltage-Feedback

Die folgende Abbildung zeigt das grundlegende inverse Spannungsvorspannungsnetzwerk. Der Emitter-Basis-Übergang ist durch die Spannung am Übergang von R ₁ und R _{2 in} Vorwärtsrichtung vorgespannt . Der Basis-Kollektor-Übergang ist durch die Differenz zwischen den Spannungen am Kollektor und an der Basis in Sperrrichtung vorgespannt.

Normalerweise hat der Kollektor eines widerstandsgekoppelten Verstärkers eine Spannung, die etwa halb so hoch ist wie die des Versorgungswiderstands (R ₃ ), der zwischen Kollektor und Basis geschaltet ist. Da die Kollektorspannung positiv ist, wird ein Teil dieser Spannung zur Basis zurückgeführt, um die Vorwärtsvorspannung zu unterstützen.

Die normale (oder Q-Punkt-) Vorwärtsvorspannung am Emitter-Basis-Übergang ist das Ergebnis aller Spannungen zwischen Emitter und Basis. Mit zunehmendem Kollektorstrom wird über R _L ein größerer Spannungsabfall erzeugt . Infolgedessen nimmt die Spannung am Kollektor ab, wodurch die Spannungsrückkopplung zur Basis durch R ₃ verringert wird . Dies verringert die Vorwärtsvorspannung von Emitter und Basis, reduziert den Emitterstrom und senkt den Kollektorstrom auf seinen normalen Wert. Da der Kollektorstrom anfänglich abnimmt, findet eine entgegengesetzte Aktion statt, und der Kollektorstrom wird auf seinen normalen Wert (Q-Punkt) angehoben.

Jede Form von negativer oder inverser Rückkopplung in einem Verstärker neigt dazu, sich allen Änderungen zu widersetzen, selbst denen, die durch das zu verstärkende Signal erzeugt werden. Diese inverse oder negative Rückkopplung verringert und stabilisiert tendenziell die Verstärkung sowie unerwünschte Änderungen. Dieses Prinzip der Stabilisierung der Verstärkung durch Rückkopplung wird bei mehr oder weniger allen Arten von Verstärkern angewendet.

Inverse-Current-Feedback

Die folgende Abbildung zeigt ein charakteristisches Inversstrom-Vorspannungsnetzwerk (Emitter-Rückkopplung) unter Verwendung eines NPN-Transistors. Stromrückkopplungen werden in Festkörperverstärkern häufiger verwendet als Spannungsrückkopplungen. Dies liegt daran, dass Transistoren hauptsächlich strombetriebene Geräte und keine spannungsbetriebenen Geräte sind.

Die Verwendung eines Emitter-Rückkopplungswiderstands in jedem Vorspannungskreis kann wie folgt zusammengefasst werden: Der Basisstrom hängt von der Spannungsdifferenz zwischen der Basis und dem Emitter ab. Wenn die Differenzspannung verringert wird, fließt weniger Basisstrom.

Das Gegenteil ist der Fall, wenn das Differential erhöht wird. Der gesamte Strom fließt durch den Kollektor. Die Spannung fällt über den Emitterwiderstand ab und ist daher nicht vollständig abhängig. Mit zunehmendem Kollektorstrom nehmen auch der Emitterstrom und der Spannungsabfall am Emitterwiderstand zu. Diese negative Rückkopplung neigt dazu, die Differenz zwischen der Basis und dem Emitter zu verringern, wodurch der Basisstrom verringert wird. Der niedrigere Basisstrom neigt wiederum dazu, den Kollektorstrom zu verringern und den anfänglichen Kollektorstrom auszugleichen.

Vorspannungskompensation

In Festkörperverstärkern werden häufig Kompensationstechniken verwendet, um die Drift des Betriebspunkts zu verringern, wenn der Verlust der Signalverstärkung in einer bestimmten Anwendung nicht tolerierbar ist. Um eine maximale Vorspannung und thermische Stabilisierung bereitzustellen, können sowohl Kompensations- als auch Stabilisierungsverfahren zusammen angewendet werden.

Die folgende Abbildung zeigt eine Diodenkompensationstechnik, bei der sowohl die Diodenkompensation als auch die Selbstvorspannungsstabilisierung verwendet wurden. Wenn sowohl die Diode als auch der Transistor vom gleichen Typ sind, haben sie über die Schaltung den gleichen Temperaturkoeffizienten. Hier ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt. KVL für die gegebene Schaltung kann ausgedrückt werden als -

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass $ V_ {BE} $ der VO-Temperatur folgt und Ic keinen Einfluss auf Variationen in $ V_ {BE} $ hat. Dies ist eine effektive Methode, um den Betriebspunkt des Transistors aufgrund der Variation von $ V_ {BE} $ zu berücksichtigen.

Temperaturkompensationsgerät

Wir können auch ein temperaturempfindliches Gerät verwenden, um Schwankungen der internen Eigenschaften des Transistors auszugleichen. Der Thermistor hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sein Widerstand mit steigender Temperatur exponentiell abnimmt. Die folgende Abbildung zeigt eine Schaltung, die einen Thermistor (R _T ) verwendet, um den Anstieg des Kollektorstroms aufgrund einer Änderung von $ V_ {BE} $, ICO oder β mit der Temperatur zu verringern.

Wenn die Temperatur steigt, nimmt R _T ab und der durch R _T in R _E eingespeiste Strom nimmt zu. Der Aktionsspannungsabfall über R _E ist in die entgegengesetzte Richtung, um den Transistor in Sperrrichtung vorzuspannen. R _T wirkt so, dass es dazu neigt, den Anstieg des IC zu kompensieren, der aufgrund des Temperaturanstiegs zunimmt.