Urządzenia półprzewodnikowe - krótki przewodnik

Powszechnie wiadomo, że odległość jądra od elektronu danego atomu nie jest równa. Zwykle elektrony obracają się po dobrze określonej orbicie. Określona liczba elektronów może być utrzymywana tylko przez zewnętrzną powłokę lub orbitę. Na przewodnictwo elektryczne atomu wpływają głównie elektrony powłoki zewnętrznej. Te elektrony mają duży wpływ na przewodnictwo elektryczne.

Przewodniki i izolatory

Przewodnictwo elektryczne jest wynikiem nieregularnego lub niekontrolowanego ruchu elektronów. Te ruchy powodują, że pewne atomy są dobreelectrical conductors. Materiał z tego typu atomami ma wiele wolnych elektronów w swojej zewnętrznej powłoce lub na orbicie.

Dla porównania, plik insulating materialma stosunkowo małą liczbę wolnych elektronów. W konsekwencji, elektrony zewnętrznej powłoki izolatorów mają tendencję do trzymania się mocno na swoim miejscu i prawie nie pozwalają na przepływ prądu przez nią. Dlatego w materiale izolacyjnym ma miejsce bardzo małe przewodnictwo elektryczne.

Półprzewodniki

Pomiędzy przewodnikami a izolatorami istnieje trzecia klasyfikacja atomów (materiałów) zwana półprzewodnikami. Ogólnie rzecz biorąc, przewodnictwo półprzewodnika leży pomiędzy przewodnościami metali i izolatorów. Jednak w temperaturze zera absolutnego półprzewodnik działa również jak doskonały izolator.

Silicon i germaniumto najbardziej znane elementy półprzewodnikowe. Inne często stosowane związki półprzewodnikowe to tlenek miedzi, siarczek kadmu i arsenek galu. Tego rodzaju materiały są generalnie klasyfikowane jako elementy typu IVB. Takie atomy mają cztery elektrony walencyjne. Jeśli potrafią oddać cztery elektrony walencyjne, można osiągnąć stabilność. Można to również osiągnąć, przyjmując cztery elektrony.

Stabilność atomu

Pojęcie stabilności atomu jest ważnym czynnikiem wpływającym na stan materiałów półprzewodnikowych. Maksymalna liczba elektronów w paśmie walencyjnym wynosi 8. Gdy w paśmie walencyjnym jest dokładnie 8 elektronów, można powiedzieć, że atom jest stabilny. Wstable atomwiązanie elektronów walencyjnych jest bardzo sztywne. Tego typu atomy są doskonałymi izolatorami. W takich atomach wolne elektrony nie są dostępne dla przewodnictwa elektrycznego.

Przykładami stabilizowanych pierwiastków są gazy takie jak argon, ksenon, neon i krypton. Ze względu na swoje właściwości gazy te nie mogą być mieszane z innymi materiałami i są ogólnie znane jakoinert gases.

Jeśli liczba elektronów walencyjnych w powłoce zewnętrznej jest mniejsza niż 8, to mówi się, że atom jest niestabilny, tj. Atomy mające mniej niż 8 elektronów walencyjnych są niestabilne. Zawsze starają się pożyczyć lub przekazać elektrony z sąsiednich atomów, aby się ustabilizować. Atomy w powłoce zewnętrznej z 5, 6 lub 7 elektronami walencyjnymi mają tendencję do pożyczania elektronów od innych atomów w celu uzyskania stabilności, podczas gdy atomy z jednym, dwoma lub trzema elektronami walencyjnymi mają tendencję do uwalniania tych elektronów do innych pobliskich atomów.

Wszystko, co ma wagę, jest ważne. Zgodnie z teorią atomu, cała materia, czy to ciało stałe, ciecz czy gaz, składa się z atomów. Atom zawiera centralną część zwaną jądrem, w której znajdują się neutrony i protony. Zwykle protony to cząstki naładowane dodatnio, a neutrony to cząstki naładowane obojętnie. Elektrony, które są ujemnie naładowanymi cząstkami, są rozmieszczone na orbitach wokół jądra w sposób podobny do układu planet wokół Słońca. Poniższy rysunek przedstawia skład atomu.

Stwierdzono, że atomy różnych pierwiastków mają różną liczbę protonów, neutronów i elektronów. Aby odróżnić jeden atom od drugiego lub sklasyfikować różne atomy, atomom każdego zidentyfikowanego pierwiastka przypisuje się liczbę określającą liczbę protonów w jądrze danego atomu. Ten numer jest znany jakoatomic numberelementu. Liczby atomowe niektórych pierwiastków, które są związane z badaniem półprzewodników, podano w poniższej tabeli.

Element Symbol Liczba atomowa
Krzem Si 14
German Ge 32
Arsen Tak jak 33
Antymon Sb 51
Ind W 49
Gal Ga 31
Bor b 5

Zwykle atom ma taką samą liczbę protonów i elektronów planetarnych, aby utrzymać zerowy ładunek netto. Atomy często łączą się, tworząc stabilizowane cząsteczki lub związki poprzez dostępne elektrony walencyjne.

Proces łączenia wolnych elektronów walencyjnych jest ogólnie nazywany bonding. Poniżej przedstawiono różne rodzaje wiązań zachodzących w kombinacjach atomów.

  • Wiązanie jonowe
  • Wiązanie kowalencyjne
  • Klejenie metaliczne

Omówmy teraz szczegółowo te wiązania atomowe.

Wiązanie jonowe

Każdy atom szuka stabilności, gdy atomy łączą się, tworząc cząsteczki. Kiedy pasmo walencyjne zawiera 8 elektronów, mówi się, że jest to astabilized condition. Kiedy elektrony walencyjne jednego atomu łączą się z elektronami innego atomu, aby stać się stabilne, nazywa się toionic bonding.

  • Jeśli atom ma więcej niż 4 elektrony walencyjne w powłoce zewnętrznej, szuka dodatkowych elektronów. Taki atom jest często nazywanyacceptor.

  • Jeśli jakikolwiek atom zawiera mniej niż 4 elektrony walencyjne w zewnętrznej powłoce, próbuje się od nich wydostać. Te atomy są znane jakodonors.

W przypadku wiązania jonowego atomy donora i akceptora często łączą się razem, a kombinacja zostaje ustabilizowana. Sól kuchenna jest typowym przykładem wiązania jonowego.

Poniższe rysunki ilustrują przykład niezależnych atomów i wiązań jonowych.

Na powyższym rysunku widać, że atom sodu (Na) przekazuje swój 1 elektron walencyjny atomowi chlorku (Cl), który ma 7 elektronów walencyjnych. Atom chlorku natychmiast staje się ujemnie zrównoważony, gdy otrzymuje dodatkowy elektron, co powoduje, że atom staje się jonem ujemnym. Z drugiej strony, atom sodu traci swój elektron walencyjny, a atom sodu staje się wówczas jonem dodatnim. Jak wiemy, w przeciwieństwie do ładunków przyciągają się atomy sodu i chloru, które są ze sobą związane siłą elektrostatyczną.

Wiązanie kowalencyjne

Kiedy elektrony walencyjne sąsiednich atomów są wspólne z innymi atomami, następuje wiązanie kowalencyjne. W wiązaniu kowalencyjnym jony nie powstają. Jest to wyjątkowa różnica w wiązaniu kowalencyjnym i jonowym.

Kiedy atom zawiera cztery elektrony walencyjne w powłoce zewnętrznej, może dzielić jeden elektron z czterema sąsiednimi atomami. Powstaje siła kowalencyjna między dwoma łączącymi się elektronami. Te elektrony na przemian przesuwają orbity między atomami. Ta siła kowalencyjna wiąże ze sobą poszczególne atomy. Ilustrację wiązania kowalencyjnego przedstawiono na poniższych rysunkach.

W tym układzie pokazano tylko jądro i elektrony walencyjne każdego atomu. Para elektronów powstaje w wyniku połączenia poszczególnych atomów. W takim przypadku potrzeba pięciu atomów do zakończenia procesu wiązania. Proces wiązania rozszerza się we wszystkich kierunkach. Każdy atom jest teraz połączony ze sobą w sieci kratowej, a struktura krystaliczna jest tworzona przez tę sieć.

Klejenie metaliczne

Trzeci rodzaj wiązania występuje zwykle w dobrych przewodnikach elektrycznych i nazywa się go wiązaniem metalicznym. W przypadku wiązań metalicznych istnieje siła elektrostatyczna między jonami dodatnimi a elektronami. Na przykład pasmo walencyjne miedzi ma jeden elektron w zewnętrznej powłoce. Ten elektron ma tendencję do wędrowania po materiale między różnymi atomami.

Kiedy ten elektron opuszcza jeden atom, natychmiast wchodzi na orbitę innego atomu. Proces jest powtarzalny bez przerwy. Atom staje się jonem dodatnim, gdy opuszcza go elektron. To jestrandom process. Oznacza to, że jeden elektron jest zawsze połączony z atomem. Nie oznacza to, że elektron jest powiązany z jedną konkretną orbitą. Zawsze wędruje po różnych orbitach. W konsekwencji wszystkie atomy prawdopodobnie będą dzielić wszystkie elektrony walencyjne.

Elektrony krążą w chmurze, która zakrywa jony dodatnie. Ta unosząca się chmura wiąże losowo elektrony z jonami. Poniższy rysunek przedstawia przykład metalicznego wiązania miedzi.

Liczba elektronów w zewnętrznym pierścieniu atomu jest nadal przyczyną różnicy między przewodnikami i izolatorami. Jak wiemy, materiały stałe są używane głównie w urządzeniach elektrycznych do przewodzenia elektronów. Materiały te można podzielić na przewodniki, półprzewodniki i izolatory.

Jednak przewodniki, półprzewodniki i izolatory są rozróżniane za pomocą diagramów poziomów energii. Ilość energii potrzebnej do spowodowania, aby elektron opuścił swoje pasmo walencyjne i przeszedł w stan przewodzenia, będzie tutaj uwzględniony. Diagram jest połączeniem wszystkich atomów w materiale. Schematy poziomów energetycznych izolatorów, półprzewodników i przewodników przedstawiono na poniższym rysunku.

Pasmo walencyjne

Dolna część to valence band. Reprezentuje poziomy energii najbliżej jądra atomu, a poziomy energii w paśmie walencyjnym zawierają prawidłową liczbę elektronów niezbędną do zrównoważenia dodatniego ładunku jądra. Dlatego ten zespół nazywa sięfilled band.

W paśmie walencyjnym elektrony są ściśle związane z jądrem. Poruszając się w górę na poziomie energii, elektrony są lżejsze na każdym kolejnym poziomie w kierunku jądra. Nie jest łatwo zaburzyć elektrony na poziomach energii bliżej jądra, ponieważ ich ruch wymaga większych energii, a każda orbita elektronu ma inny poziom energii.

Zespół przewodzący

Górne lub najbardziej zewnętrzne pasmo na diagramie nosi nazwę conduction band. Jeśli elektron ma poziom energii, który leży w tym paśmie i może stosunkowo swobodnie poruszać się w krysztale, to przewodzi prąd elektryczny.

W elektronice półprzewodnikowej zajmujemy się głównie pasmami walencyjnymi i przewodzącymi. Oto kilka podstawowych informacji na ten temat -

  • Pasmo walencyjne każdego atomu pokazuje poziomy energii elektronów walencyjnych w powłoce zewnętrznej.

  • Do elektronów walencyjnych należy dodać określoną ilość energii, aby mogły one wejść w pasmo przewodnictwa.

Zakazana Luka

Pasma walencyjne i przewodzące są oddzielone luką, nazywaną zakazaną przerwą, jeśli istnieje. Aby przekroczyć zakazaną lukę, potrzebna jest określona ilość energii. Jeśli jest niewystarczająca, elektrony nie są uwalniane do przewodzenia. Elektrony pozostaną w paśmie walencyjnym, dopóki nie otrzymają dodatkowej energii, aby przekroczyć zakazaną lukę.

Stan przewodzenia określonego materiału może być wskazany przez szerokość zabronionej szczeliny. W teorii atomowej szerokość szczeliny jest wyrażona w elektronowoltach (eV). Elektronowolt definiuje się jako ilość energii uzyskanej lub utraconej, gdy elektron jest poddany różnicy potencjałów 1 V. Atomy każdego elementu mają różną wartość poziomu energii, która umożliwia przewodzenie.

Zwróć uwagę, że forbidden regionizolatora jest stosunkowo szeroki. Aby spowodować przejście izolatora w stan przewodzenia, potrzeba bardzo dużej ilości energii. Na przykład Thyrite.

Jeśli izolatory pracują w wysokich temperaturach, zwiększona energia cieplna powoduje przemieszczanie się elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Jak jasno wynika ze schematu pasm energii, zabroniona przerwa półprzewodnika jest znacznie mniejsza niż izolatora. Na przykład krzem musi uzyskać 0,7 eV energii, aby przejść do pasma przewodzenia. W temperaturze pokojowej dodanie energii cieplnej może wystarczyć do spowodowania przewodzenia w półprzewodniku. Ta szczególna cecha ma ogromne znaczenie w półprzewodnikowych urządzeniach elektronicznych.

W przypadku przewodnika pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne częściowo nakładają się na siebie. W pewnym sensie nie ma zakazanej luki. Dlatego elektrony pasma walencyjnego są w stanie uwolnić się i stać się wolnymi elektronami. Zwykle w normalnej temperaturze pokojowej w przewodniku odbywa się niewielkie przewodzenie elektryczne.

Jak omówiono wcześniej, na atom może przypadać jeden lub więcej wolnych elektronów, które przemieszczają się przez całe wnętrze metalu pod wpływem przyłożonego pola.

Poniższy rysunek przedstawia rozkład ładunku w metalu. Jest znany jakoelectron-gas description of a metal.

Plik hashed regionreprezentuje jądro z ładunkiem dodatnim. Niebieskie kropki reprezentują elektrony walencyjne w zewnętrznej powłoce atomu. Zasadniczo te elektrony nie należą do żadnego konkretnego atomu, w wyniku czego utraciły swoją indywidualną tożsamość i swobodnie wędrują między atomami.

Gdy elektrony są w nieprzerwanym ruchu, kierunek transportu zmienia się przy każdym zderzeniu z ciężkimi jonami. Jest to oparte na teorii elektron-gaz metalu. Średnia odległość między zderzeniami to tzwmean free path. Elektrony, przechodząc przez obszar jednostkowy w metalu w danym czasie w przeciwnym kierunku, w sposób przypadkowy, powodują, że średni prąd wynosi zero.

Kiedy napięcie jest przyłożone do urządzeń półprzewodnikowych, prąd elektronów płynie w kierunku dodatniej strony źródła, a prąd dziur płynie w kierunku ujemnej strony źródła. Taka sytuacja występuje tylko w materiale półprzewodnikowym.

Krzem i german to najpowszechniejsze materiały półprzewodnikowe. Ogólnie rzecz biorąc, przewodnictwo półprzewodnika leży pomiędzy przewodnościami metali i izolatorów.

German jako półprzewodnik

Poniżej przedstawiono kilka ważnych kwestii Germanium -

  • Na najbardziej zewnętrznej orbicie germanu znajdują się cztery elektrony. W wiązaniach atomy są pokazane tylko z ich zewnętrznymi elektronami.

  • Atomy germanu będą dzielić elektrony walencyjne w wiązaniu kowalencyjnym. Pokazuje to poniższy rysunek. German to te, które są związane z wiązaniem kowalencyjnym. Krystaliczna postać germanu nazywana jest sieciami krystalicznymi. Ten typ struktury ma atomy ułożone w sposób pokazany na poniższym rysunku.

  • W takim układzie elektrony są w bardzo stabilnym stanie i dlatego są mniej odpowiednie do połączenia z przewodnikami. W czystej postaci german jest materiałem izolacyjnym i nazywany jestintrinsic semiconductor.

Poniższy rysunek przedstawia struktury atomowe krzemu i germanu.

Krzem jako półprzewodnik

Urządzenia półprzewodnikowe wykorzystują również krzem do produkcji różnych elementów elektronicznych. Strukturę atomową krzemu i germanu przedstawiono na powyższym rysunku. Struktura sieci krystalicznej krzemu jest podobna do struktury germanu.

Oto kilka ważnych punktów dotyczących krzemu -

  • Ma cztery elektrony w swojej najbardziej zewnętrznej powłoce, jak german.

  • W czystej postaci nie nadaje się jako urządzenie półprzewodnikowe.

  • Pożądaną przewodność można uzyskać dodając zanieczyszczenia.

  • Dodawanie zanieczyszczeń musi być wykonywane ostrożnie iw kontrolowanym środowisku.

  • W zależności od rodzaju dodanego zanieczyszczenia spowoduje to nadmiar lub deficyt elektronów.

Poniższy rysunek przedstawia wewnętrzny kryształ krzemu.

Czysty krzem lub german są rzadko używane jako półprzewodniki. Praktycznie użyteczne półprzewodniki muszą mieć kontrolowaną ilość dodawanych do nich zanieczyszczeń. Dodatek zanieczyszczeń zmieni zdolność przewodzenia i działa jak półprzewodnik. Nazywa się proces dodawania nieczystości do wewnętrznego lub czystego materiałudoping a nieczystość nazywa się a dopant. Po domieszkowaniu materiał wewnętrzny staje się materiałem zewnętrznym. Praktycznie dopiero po domieszkowaniu materiały te stają się użyteczne.

Kiedy zanieczyszczenie jest dodawane do krzemu lub germanu bez modyfikacji struktury kryształu, powstaje materiał typu N. W niektórych atomach elektrony mają pięć elektronów w swoim paśmie walencyjnym, takich jak arsen (As) i antymon (Sb). Domieszkowanie krzemu żadną z zanieczyszczeń nie może zmieniać struktury kryształu ani procesu wiązania. Dodatkowy elektron atomu zanieczyszczeń nie bierze udziału w wiązaniu kowalencyjnym. Te elektrony są luźno trzymane razem przez ich atomy inicjatora. Poniższy rysunek przedstawia przemianę kryształu krzemu z dodatkiem atomu zanieczyszczeń.

Wpływ domieszki na materiał typu N.

Wpływ domieszkowania na materiał typu N jest następujący -

  • Po dodaniu arsenu do czystego krzemu kryształ staje się materiałem typu N.

  • Atom arsenu posiada dodatkowe elektrony lub ładunki ujemne, które nie biorą udziału w procesie wiązania kowalencyjnego.

  • Zanieczyszczenia te oddają lub oddają jeden elektron do kryształu i nazywane są zanieczyszczeniami donorowymi.

  • Materiał typu N ma dodatkowe lub wolne elektrony niż materiał wewnętrzny.

  • Materiał typu N nie jest naładowany ujemnie. W rzeczywistości wszystkie jego atomy są elektrycznie obojętne.

  • Te dodatkowe elektrony nie biorą udziału w procesie wiązania kowalencyjnego. Mogą swobodnie poruszać się po strukturze kryształu.

  • Zewnętrzny kryształ krzemu typu N przejdzie w stan przewodzenia przy zaledwie 0,005 eV zastosowanej energii.

  • Tylko 0,7eV jest potrzebne do przeniesienia elektronów kryształu wewnętrznego z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Zwykle elektrony są uważane za większość nośników prądu w tego typu kryształach, a dziury za mniejszościowe nośniki prądu. Ilość materiału dawcy dodanego do Krzemu określa liczbę większości obecnych nośników w jego strukturze.

Liczba elektronów w krzemie typu N jest wielokrotnie większa niż pary elektron-dziura w wewnętrznym krzemie. W temperaturze pokojowej istnieje znaczna różnica w przewodnictwie elektrycznym tego materiału. Istnieje wielu nośników prądu, którzy biorą udział w przepływie prądu. Przepływ prądu jest osiągany głównie przez elektrony w tego rodzaju materiale. Dlatego materiał zewnętrzny staje się dobrym przewodnikiem elektrycznym.

Wpływ domieszki na materiał typu P.

Wpływ domieszkowania na materiał typu P jest następujący -

  • Kiedy ind (In) lub gal (Ga) jest dodawany do czystego krzemu, powstaje materiał typu P.

  • Ten rodzaj materiału domieszkującego ma trzy elektrony walencyjne. Z niecierpliwością szukają czwartego elektronu.

  • W materiale typu P każdy otwór może być wypełniony elektronem. Aby wypełnić ten obszar dziury, elektrony z sąsiednich grup z wiązaniami kowalencyjnymi potrzebują znacznie mniej energii.

  • Krzem jest zazwyczaj domieszkowany materiałem domieszkowanym w zakresie od 1 do 106. Oznacza to, że materiał P będzie miał znacznie więcej dziur niż pary elektron-dziura w czystym krzemie.

  • W temperaturze pokojowej występuje bardzo określona charakterystyczna różnica w przewodnictwie elektrycznym tego materiału.

Poniższy rysunek pokazuje, jak zmienia się struktura krystaliczna krzemu, gdy jest on domieszkowany pierwiastkiem akceptorowym - w tym przypadku indem. Kawałek materiału P nie jest naładowany dodatnio. Jego atomy są przede wszystkim obojętne elektrycznie.

Istnieją jednak dziury w kowalencyjnej strukturze wielu grup atomów. Kiedy elektron wkracza i wypełnia dziurę, dziura staje się pusta. Nowa dziura jest tworzona w związanej grupie, w której opuścił elektron. W efekcie ruch dziury jest wynikiem ruchu elektronu. Materiał typu P przejdzie w stan przewodzenia przy zaledwie 0,05 eV zastosowanej energii.

Powyższy rysunek pokazuje, jak kryształ typu P zareaguje po podłączeniu do źródła napięcia. Zauważ, że jest więcej dziur niż elektronów. Przy przyłożonym napięciu elektrony są przyciągane do dodatniego bieguna akumulatora.

Otwory przesuwają się w pewnym sensie w kierunku ujemnego bieguna akumulatora. W tym momencie wychwycony zostaje elektron. Elektron natychmiast wypełnia dziurę. Dziura staje się wtedy pusta. Jednocześnie elektron jest wyciągany z materiału przez dodatni zacisk akumulatora. Dlatego dziury przesuwają się w kierunku ujemnego bieguna z powodu przemieszczania się elektronów między różnymi związanymi grupami. Przy doprowadzonej energii przepływ przez otwory jest ciągły.

Struktura krystaliczna wykonana z materiałów P i N jest ogólnie znana jako junction diode. Jest ogólnie uważane za urządzenie z dwoma terminalami. Jak pokazano na poniższym schemacie, jeden zacisk jest przymocowany do materiału typu P, a drugi do materiału typu N.

Wspólny punkt połączenia, w którym te materiały są połączone, nazywa się a junction. Dioda złączowa umożliwia przepływ nośników prądu w jednym kierunku i utrudnia przepływ prądu w kierunku przeciwnym.

Poniższy rysunek przedstawia strukturę krystaliczną diody złączowej. Przyjrzyj się położeniu materiałów typu P i N w odniesieniu do złącza. Struktura kryształu jest ciągła od jednego końca do drugiego. Połączenie działa tylko jako punkt oddzielający, który reprezentuje koniec jednego materiału i początek drugiego. Taka struktura umożliwia dokładne poruszanie się elektronów w całej strukturze.

Poniższy diagram przedstawia dwie części substancji półprzewodnikowej, zanim zostaną uformowane w złącze PN. Jak określono, każda część materiału mamajority i minority current carriers.

Ilość symboli nośników pokazanych w każdym materiale wskazuje na funkcję mniejszościową lub większościową. Jak wiemy elektrony są większością nośników w materiale typu N, a dziury są nośnikami mniejszościowymi. W materiale typu P dziury są większością nośników, a elektrony stanowią mniejszość.

Początkowo, gdy tworzy się dioda złączowa, zachodzi wyjątkowa interakcja między nośnikami prądu. W materiale typu N elektrony z łatwością przemieszczają się po złączu, wypełniając dziury w materiale P. Ten akt jest powszechnie nazywanydiffusion. Dyfuzja jest wynikiem dużej akumulacji nośników w jednym materiale i mniejszego gromadzenia się w drugim.

Ogólnie rzecz biorąc, obecne nośniki, które znajdują się blisko skrzyżowania, biorą udział tylko w procesie dyfuzji. Elektrony opuszczające materiał N powodują, że w ich miejsce generowane są jony dodatnie. Wchodząc do materiału P w celu wypełnienia dziur, elektrony te wytwarzają jony ujemne. W rezultacie każda strona złącza zawiera dużą liczbę jonów dodatnich i ujemnych.

Obszar, w którym te dziury i elektrony ulegają wyczerpaniu, jest ogólnie znany pod pojęciem regionu zubożenia. Jest to obszar, w którym brakuje większości obecnych przewoźników. Zwykle region zubożenia powstaje, gdy tworzy się złącze PN. Poniższy rysunek przedstawia obszar zubożenia diody złączowej.

Materiały typu N i P są uważane za elektrycznie obojętne, zanim zostaną połączone na wspólnym złączu. Jednak po przyłączeniu dyfuzja następuje natychmiastowo, gdy elektrony przechodzą przez złącze, wypełniając dziury powodując pojawienie się jonów ujemnych w materiale P, działanie to powoduje, że pobliski obszar złącza przyjmuje ładunek ujemny. Elektrony opuszczające materiał N powodują, że generuje on jony dodatnie.

Cały ten proces z kolei powoduje, że strona N skrzyżowania przyjmuje dodatni ładunek netto. Ten szczególny ładunek ma tendencję do odsuwania pozostałych elektronów i dziur od złącza. To działanie utrudnia innym nośnikom ładunku dyfuzję przez złącze. W rezultacie ładunek narasta lub na skrzyżowaniu pojawia się potencjał bariery.

Jak pokazano na poniższym rysunku. Wynikowy potencjał bariery ma małą baterię podłączoną przez złącze PN. Na podanym rysunku zwróć uwagę na biegunowość tej potencjalnej bariery w odniesieniu do materiału P i N. To napięcie lub potencjał będzie istniał, gdy kryształ nie będzie podłączony do zewnętrznego źródła energii.

Potencjał barierowy germanu wynosi w przybliżeniu 0,3 V, a krzemu 0,7 V. Wartości tych nie można zmierzyć bezpośrednio i pojawiają się one w rejonie ładunku przestrzennego złącza. Aby wytworzyć przewodzenie prądu, potencjał bariery złącza PN musi zostać pokonany przez zewnętrzne źródło napięcia.

Termin odchylenie odnosi się do zastosowania napięcia stałego do ustawienia określonych warunków pracy. Lub gdy zewnętrzne źródło energii jest przykładane do złącza PN, nazywa się to napięciem polaryzacji lub po prostu polaryzacją. Ta metoda zwiększa lub zmniejsza potencjał bariery złącza. W rezultacie zmniejszenie potencjału bariery powoduje powrót obecnych nośników do obszaru zubożenia. Następujące dwa warunki polaryzacji są stosowane na złączach PN.

  • Forward Biasing - Do potencjału bariery dodaje się napięcie zewnętrzne o tej samej polaryzacji, co powoduje zwiększenie szerokości obszaru zubożenia.

  • Reverse Biasing - Złącze PN jest spolaryzowane w taki sposób, że zastosowanie zewnętrznego działania napięcia zapobiega przedostawaniu się nośników prądu do obszaru zubożenia.

Promowanie do przodu

Poniższy rysunek przedstawia diodę złączową PN spolaryzowaną do przodu z przyłożonym napięciem zewnętrznym. Widać, że biegun dodatni akumulatora jest połączony z materiałem P, a biegun ujemny akumulatora jest połączony z materiałem N.

Oto obserwacje -

  • To napięcie polaryzacji odpycha większość nośników prądu każdego materiału typu P i N. W rezultacie na skrzyżowaniu zaczyna pojawiać się duża liczba dziur i elektronów.

  • Po stronie N złącza elektrony zbliżają się, aby zneutralizować jony dodatnie w obszarze zubożenia.

  • W materiale strony P elektrony są wyciągane z jonów ujemnych, co powoduje, że stają się ponownie neutralne. Oznacza to, że odchylenie w przód niszczy region zubożenia, a tym samym potencjał bariery. Oznacza to, że gdy złącze PN jest spolaryzowane do przodu, pozwoli to na ciągły przepływ prądu.

Poniższy rysunek przedstawia przepływ nośników prądu diody spolaryzowanej w przód. Dzięki zewnętrznemu źródłu napięcia podłączonemu do diody zapewniony jest stały dopływ elektronów. Przepływ i kierunek prądu są pokazane na schemacie za pomocą dużych strzałek poza diodą. Zauważ, że przepływ elektronów i przepływ prądu odnoszą się do tego samego.

Oto obserwacje -

  • Załóżmy, że elektrony przepływają przez przewód od ujemnego zacisku akumulatora do materiału N. Po wejściu do tego materiału przepływają natychmiast do skrzyżowania.

  • Podobnie z drugiej strony równa liczba elektronów jest pobierana ze strony P i powracana do dodatniego bieguna akumulatora. Ta czynność tworzy nowe dziury i powoduje, że przesuwają się w kierunku skrzyżowania.

  • Kiedy te dziury i elektrony docierają do złącza, łączą się ze sobą i skutecznie znikają. W rezultacie na zewnętrznych końcach diody pojawiają się nowe dziury i elektrony. Te większościowe nośniki są tworzone w sposób ciągły. To działanie trwa tak długo, jak długo podłączone jest zewnętrzne źródło napięcia.

  • Gdy dioda jest spolaryzowana do przodu, można zauważyć, że elektrony przepływają przez całą strukturę diody. Jest to powszechne w materiale typu N, podczas gdy w otworach materiału P są ruchome nośniki prądu. Zauważ, że ruch dziury w jednym kierunku musi rozpocząć się ruchem elektronów w przeciwnym kierunku. Dlatego całkowity przepływ prądu to dodanie dziur i przepływ elektronów przez diodę.

Odwrotne odchylenie

Poniższy rysunek przedstawia diodę złączową PN z odwrotnym polaryzacją przy przyłożonym napięciu zewnętrznym. Widać, że biegun dodatni akumulatora jest połączony z materiałem N, a biegun ujemny akumulatora jest połączony z materiałem P. Należy zauważyć, że w takim układzie polaryzacja baterii ma przeciwstawiać się biegunowości materiału diody, tak aby przyciągały się odmienne ładunki. W związku z tym większość nośników ładunku z każdego materiału jest odciągana od złącza. Odwrotne polaryzacja powoduje, że dioda nie przewodzi.

Poniższy rysunek przedstawia rozmieszczenie większości nośników prądu w diodzie spolaryzowanej odwrotnie.

Oto obserwacje -

  • W wyniku działania obwodu elektrony materiału N są przyciągane w kierunku dodatniego bieguna akumulatora.

  • Każdy elektron poruszający się lub opuszczający diodę powoduje pojawienie się jonu dodatniego na jego miejscu. W rezultacie powoduje to równoważne zwiększenie szerokości obszaru zubożenia po stronie N skrzyżowania.

  • Strona P diody ma podobny efekt, podobnie jak strona N. W tej akcji pewna liczba elektronów opuszcza ujemny zacisk akumulatora i wchodzi do materiału typu P.

  • Te elektrony od razu wchodzą do środka i wypełniają wiele dziur. Każdy zajęty otwór staje się wówczas jonem ujemnym. Jony te z kolei są następnie odpychane przez ujemny zacisk akumulatora i kierowane w kierunku złącza. W związku z tym następuje zwiększenie szerokości obszaru zubożenia po stronie P skrzyżowania.

Całkowita szerokość obszaru zubożenia zależy bezpośrednio od zewnętrznego źródła napięcia diody spolaryzowanej wstecznie. W takim przypadku dioda nie może skutecznie wspierać przepływu prądu przez szeroki obszar zubożenia. W rezultacie potencjalny ładunek zaczyna się rozwijać w poprzek złącza i rośnie, aż potencjał bariery zrówna się z zewnętrznym napięciem polaryzacji. Następnie dioda zachowuje się jak nieprzewodnik.

Ważnym ograniczeniem przewodzenia diody złączowej PN jest leakage current. Kiedy dioda jest spolaryzowana wstecznie, szerokość obszaru zubożenia wzrasta. Zasadniczo warunek ten jest wymagany, aby ograniczyć gromadzenie się prądu nośnego w pobliżu skrzyżowania. Większość nośników prądu jest przede wszystkim zanegowana w regionie zubożenia, a zatem obszar zubożenia działa jako izolator. Zwykle nośniki prądu nie przechodzą przez izolator.

Widać, że w diodzie spolaryzowanej wstecznie pewien prąd przepływa przez obszar zubożenia. Ten prąd nazywa się prądem upływowym. Prąd upływu zależy od mniejszościowych nośników prądu. Jak wiemy, nośnikami mniejszościowymi są elektrony w materiale typu P i dziury w materiale typu N.

Poniższy rysunek pokazuje, jak reagują nośniki prądu, gdy dioda jest spolaryzowana odwrotnie.

Oto obserwacje -

  • Mniejszościowe nośniki każdego materiału są przepychane przez strefę ubytku do skrzyżowania. Ta czynność powoduje wystąpienie bardzo małego prądu upływu. Generalnie prąd upływu jest tak mały, że można go uznać za pomijalny.

  • Tutaj, w przypadku prądu upływu, ważną rolę odgrywa temperatura. Mniejszościowe nośniki prądu są w większości zależne od temperatury.

  • W temperaturze pokojowej 25 ° C lub 78 ° F występuje znikoma ilość nośników mniejszościowych obecnych w diodzie odwrotnego polaryzacji.

  • Wzrost temperatury otoczenia powoduje znaczny wzrost tworzenia nośników mniejszościowych, w wyniku czego powoduje odpowiedni wzrost prądu upływu.

We wszystkich diodach spolaryzowanych wstecznie występowanie prądu upływu jest do pewnego stopnia normalne. W diodach germanowych i krzemowych prąd upływu jest tylko nielicznymicroamperes i nanoamperesodpowiednio. German jest znacznie bardziej podatny na temperaturę niż krzem. Z tego powodu w nowoczesnych urządzeniach półprzewodnikowych stosuje się głównie krzem.

Istnieją różne obecne skale operacji odchylenia do przodu i do tyłu. Przednia część krzywej wskazuje, że dioda przewodzi po prostu, gdy obszar P jest dodatni, a obszar N ujemny.

Dioda prawie nie przewodzi prądu w kierunku wysokiej rezystancji, tj. Kiedy Pregion jest ujemny, a obszar N jest dodatni. Teraz dziury i elektrony są odprowadzane ze złącza, powodując wzrost potencjału bariery. Ten stan jest wskazywany przez część krzywej dla prądu wstecznego.

Kropkowana część krzywej wskazuje ideal curve, co by się stało, gdyby nie załamanie lawinowe. Poniższy rysunek przedstawia statyczną charakterystykę diody złączowej.

Charakterystyka DIODY IV

Charakterystyki napięcia prądu przewodzenia i wstecznego (IV) diody są generalnie porównywane na jednej krzywej charakterystycznej. Rysunek przedstawiony w sekcji Charakterystyka do przodu pokazuje, że napięcie w przód i napięcie wsteczne są zwykle wykreślane na poziomej linii wykresu.

Wartości prądów do przodu i do tyłu są pokazane na osi pionowej wykresu. Napięcie przewodzenia przedstawione po prawej stronie i napięcie wsteczne po lewej stronie. Punkt początkowy lub wartość zerowa znajduje się na środku wykresu. Prąd do przodu wydłuża się powyżej osi poziomej z prądem wstecznym w dół.

Połączone wartości napięcia przewodzenia i prądu przewodzenia znajdują się w prawej górnej części wykresu, a napięcie wsteczne i prąd wsteczny w lewym dolnym rogu. Do wyświetlania wartości do przodu i do tyłu są zwykle używane różne skale.

Charakterystyka do przodu

Gdy dioda jest spolaryzowana do przodu, przewodzi prąd (IF) w kierunku do przodu. Wartość IF jest bezpośrednio zależna od wielkości napięcia przewodzenia. Zależność napięcia przewodzenia i prądu przewodzenia nazywana jest amperowoltem lub charakterystyką IV diody. Typową charakterystykę diody przewodzenia IV pokazano na poniższym rysunku.

Oto obserwacje -

  • Napięcie przewodzenia jest mierzone na diodzie, a prąd przewodzenia jest miarą prądu przepływającego przez diodę.

  • Gdy napięcie przewodzenia na diodzie jest równe 0 V, prąd przewodzenia (IF) jest równy 0 mA.

  • Gdy wartość zaczyna się od punktu początkowego (0) wykresu, jeżeli VF jest stopniowo zwiększane w krokach co 0,1 V, IF zaczyna rosnąć.

  • Gdy wartość VF jest dostatecznie duża, aby pokonać potencjał barierowy złącza PN, następuje znaczny wzrost IF. Punkt, w którym to następuje, jest często nazywany napięciem kolanowymVK. W przypadku diod germanowychVK wynosi około 0,3 V i 0,7 V dla krzemu.

  • Jeśli wartość IF wzrośnie znacznie powyżej VK, prąd przewodzenia staje się dość duży.

Ta operacja powoduje nadmierne wydzielanie się ciepła w poprzek złącza i może zniszczyć diodę. Aby uniknąć tej sytuacji, rezystor ochronny jest połączony szeregowo z diodą. Ten rezystor ogranicza prąd przewodzenia do jego maksymalnej wartości znamionowej. Zwykle rezystor ograniczający prąd jest używany, gdy diody działają w kierunku do przodu.

Odwrotna charakterystyka

Kiedy dioda jest spolaryzowana odwrotnie, przewodzi prąd wsteczny, który jest zwykle dość mały. Na powyższym rysunku pokazano typową charakterystykę odwróconej diody IV.

Pionowa linia prądu wstecznego na tym wykresie ma wartości prądu wyrażone w mikroamperach. Ilość mniejszościowych nośników prądu biorących udział w przewodzeniu prądu wstecznego jest dość mała. Ogólnie oznacza to, że prąd wsteczny pozostaje stały w dużej części napięcia wstecznego. Kiedy napięcie wsteczne diody wzrasta od początku, następuje bardzo niewielka zmiana prądu wstecznego. W punkcie napięcia przebicia (VBR) prąd rośnie bardzo szybko. W tym czasie napięcie na diodzie pozostaje w miarę stałe.

Ta charakterystyka stałego napięcia prowadzi do wielu zastosowań diody w warunkach polaryzacji odwrotnej. Procesy odpowiedzialne za przewodzenie prądu w diodzie spolaryzowanej odwrotnie nazywane sąAvalanche breakdown i Zener breakdown.

Specyfikacje diody

Jak w przypadku każdego innego wyboru, należy wziąć pod uwagę dobór diody do konkretnego zastosowania. Producent generalnie udostępnia tego typu informacje. Specyfikacje, takie jak maksymalne napięcie i natężenie prądu, zwykłe warunki pracy, dane mechaniczne, identyfikacja przewodów, procedury montażu itp.

Poniżej przedstawiono niektóre ważne specyfikacje -

  • Maximum forward current (IFM) - Absolutny maksymalny powtarzalny prąd przewodzenia, który może przepłynąć przez diodę.

  • Maximum reverse voltage (VRM) - Absolutne maksymalne lub szczytowe napięcie polaryzacji wstecznej, które można przyłożyć do diody.

  • Reverse breakdown voltage (VBR) - Minimalne napięcie wsteczne w stanie ustalonym, przy którym nastąpi przebicie.

  • Maximum forward surge current (IFM-surge)- Maksymalny prąd, który może być tolerowany przez krótki okres czasu. Ta aktualna wartość jest znacznie większa niż IFM.

  • Maximum reverse current (IR) - Absolutny maksymalny prąd wsteczny, który może być tolerowany w temperaturze pracy urządzenia.

  • Forward voltage (VF) - Maksymalny spadek napięcia przewodzenia dla danego prądu przewodzenia w temperaturze pracy urządzenia.

  • Power dissipation (PD) - Maksymalna moc, jaką urządzenie może bezpiecznie pobierać w sposób ciągły na wolnym powietrzu o temperaturze 25 ° C.

  • Reverse recovery time (Trr) - Maksymalny czas, w którym urządzenie przełącza się ze stanu włączenia do wyłączenia.

Ważne terminy

  • Breakdown Voltage - Jest to minimalne napięcie wsteczne, przy którym następuje przerwanie złącza PN z nagłym wzrostem prądu wstecznego.

  • Knee Voltage - Jest to napięcie przewodzenia, przy którym prąd płynący przez złącze zaczyna szybko rosnąć.

  • Peak Inverse Voltage - Jest to maksymalne napięcie wsteczne, które można przyłożyć do złącza PN bez jego uszkodzenia.

  • Maximum Forward Rating - Jest to najwyższy chwilowy prąd przewodzenia, jaki może przepuścić złącze PN, bez jego uszkodzenia.

  • Maximum Power Rating - Jest to maksymalna moc, jaka może zostać odprowadzona ze złącza bez uszkodzenia złącza.

Diody elektroluminescencyjne bezpośrednio lub pośrednio wpływają na nasze codzienne czynności. Od wyświetlacza wiadomości po telewizory LED - te diody LED istnieją wszędzie. Zasadniczo jest to dioda złączowa PN, która emituje światło, gdy przepływa przez nią prąd przewodzenia. Poniższy rysunek przedstawia symbol logiczny diody LED.

W jaki sposób dioda złączowa PN emituje światło?

Diody LED nie są wykonane z krzemu ani germanu i elementów takich jak arsenek galu (GaAs) i fosforek galu (GaP). Materiały te są używane celowo, ponieważ emitują światło. Stąd, gdy dioda LED jest spolaryzowana do przodu, jak zwykle elektrony przecinają złącze i łączą się z dziurami.

To działanie powoduje, że elektrony z regionu typu N wypadają z przewodnictwa i wracają do pasma walencyjnego. W ten sposób energia posiadana przez każdy wolny elektron jest następnie uwalniana. Część uwolnionej energii pojawia się jako ciepło, a reszta jest podana jako energia światła widzialnego.

Jeśli diody LED są wykonane z krzemu i germanu, to podczas rekombinacji elektronów cała energia jest rozpraszana tylko w postaci ciepła. Z drugiej strony materiały takie jak arsenek galu (GaAs) i fosforek galu (GaP) mają wystarczającą ilość fotonów, które są wystarczające do wytworzenia światła widzialnego.

  • Jeśli diody LED są wykonane z arsenku galu, wytwarzają czerwone światło.
  • Jeśli diody LED są wykonane z fosforku galu, wówczas takie diody LED emitują zielone światło.

Rozważmy teraz dwie diody LED połączone tyłem do siebie przez zewnętrzne źródło zasilania, tak że anoda jednej diody LED jest połączona z katodą drugiej diody LED lub odwrotnie. Kiedy do tego obwodu zostanie przyłożone zewnętrzne napięcie, jedna dioda LED będzie działać jednocześnie i dzięki temu działaniu obwodu emituje inne światło, gdy jedna dioda LED jest spolaryzowana do przodu, a druga jest spolaryzowana odwrotnie lub odwrotnie.

Zalety diod LED

Diody LED mają następujące zalety -

  • Dość mały rozmiar.
  • Bardzo szybkie przełączanie.
  • Może pracować przy bardzo niskim napięciu.
  • Bardzo długa długość życia.
  • Procedura konstrukcyjna pozwala na produkcję w różnych kształtach i wzorach.

Zastosowania diod LED

Diody LED są najczęściej używane w wyświetlaczach numerycznych wskazujących cyfry od 0 do 9. Są również używane w seven-segment display znaleźć w miernikach cyfrowych, zegarach, kalkulatorach itp.

Jest to specyficzny rodzaj diody półprzewodnikowej, która jest stworzona do pracy w regionie przebicia wstecznego. Poniższy rysunek przedstawia strukturę kryształu i symbol diody Zenera. Jest głównie podobny do tradycyjnej diody. Wprowadzono jednak niewielką modyfikację, aby odróżnić go od symbolu zwykłej diody. Wygięta linia wskazuje literę Zenera „Z”.

Najbardziej znacząca różnica między diodami Zenera i zwykłymi diodami złączowymi PN dotyczy trybu, w jakim są używane w obwodach. Diody te normalnie działają tylko w odwrotnym kierunku polaryzacji, co oznacza, że ​​anoda musi być podłączona do ujemnej strony źródła napięcia, a katoda do dodatniej.

Jeśli zwykła dioda jest używana w taki sam sposób jak dioda Zenera, zostanie zniszczona z powodu nadmiernego prądu. Ta właściwość sprawia, że ​​dioda Zenera ma mniejsze znaczenie.

Poniższa ilustracja przedstawia regulator z diodą Zenera.

Dioda Zenera jest podłączona w odwrotnym kierunku polaryzacji przez nieregulowane źródło zasilania DC. Jest silnie domieszkowany, co zmniejsza odwrotne napięcie przebicia. Powoduje to bardzo cienką warstwę zubożenia. Z tego powodu dioda Zenera ma ostre odwrotne napięcie przebiciaVz.

Zgodnie z działaniem obwodu, przebicie następuje gwałtownie z nagłym wzrostem prądu, jak pokazano na poniższym rysunku.

Napięcie Vzpozostaje stały wraz ze wzrostem prądu. Ze względu na tę właściwość dioda Zenera znajduje szerokie zastosowanie w regulacji napięcia. Zapewnia prawie stałe napięcie wyjściowe niezależnie od zmian prądu płynącego przez Zenera. W ten sposób napięcie obciążenia pozostaje na stałym poziomie.

Widzimy, że przy określonym napięciu wstecznym, znanym jako napięcie kolanowe, prąd gwałtownie rośnie przy stałym napięciu. Dzięki tej właściwości diody Zenera znajdują szerokie zastosowanie w stabilizacji napięcia.

Fotodioda to dioda złączowa PN, która przewodzi prąd pod wpływem światła. Ta dioda jest faktycznie zaprojektowana do pracy w trybie odwrotnego polaryzacji. Oznacza to, że im większe natężenie padającego światła, tym większy będzie prąd polaryzacji wstecznej.

Poniższy rysunek przedstawia schematyczny symbol i szczegóły konstrukcyjne fotodiody.

Działanie fotodiody

To jest reverse-biased diode. Prąd wsteczny wzrasta wraz ze wzrostem natężenia padającego światła. Oznacza to, że prąd wsteczny jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego światła.

Składa się ze złącza PN zamontowanego na podłożu typu P i uszczelnionego w metalowej obudowie. Punkt połączenia jest wykonany z przezroczystego szkła i jest to okno, w którym ma padać światło.

Jak wiemy, gdy dioda złączowa PN jest spolaryzowana odwrotnie, przepływa bardzo mała ilość prądu wstecznego. Prąd wsteczny jest generowany termicznie przez pary elektron-dziura w obszarze zubożenia diody.

Kiedy światło pada na złącze PN, jest przez nie pochłaniane. To wygeneruje więcej par elektron-dziura. Lub możemy powiedzieć, charakterystycznie, ilość prądu wstecznego wzrasta.

Innymi słowy, wraz ze wzrostem natężenia padającego światła maleje rezystancja diody złączowej PN.

  • To działanie sprawia, że ​​dioda jest bardziej przewodząca.
  • Diody te mają bardzo krótki czas reakcji
  • Są one używane w urządzeniach o dużej mocy obliczeniowej.
  • Znajduje również zastosowanie w obwodach alarmowych, licznikowych itp.

Podstawowe ogniwo fotowoltaiczne składa się z półprzewodników typu n i p tworzących złącze pn. Górna część jest wydłużona i przezroczysta, generalnie wystawiona na działanie słońca. Te diody lub ogniwa są wyjątkowe, które generują napięcie pod wpływem światła. Ogniwa przekształcają energię świetlną bezpośrednio w energię elektryczną.

Poniższy rysunek przedstawia symbol of photovoltaic cell.

Działanie ogniwa fotowoltaicznego

Konstrukcja ogniwa fotowoltaicznego jest podobna do budowy diody złączowej PN. Gdy nie ma światła, przez urządzenie nie przepływa prąd. W tym stanie komórka nie będzie w stanie generować prądu.

Niezbędne jest prawidłowe naprężenie komórki, które wymaga sporej ilości światła. Zaraz po przyłożeniu światła można zaobserwować niezwykły stan diody złączowej PN. W rezultacie elektrony uzyskują wystarczającą energię i odrywają się od atomów macierzystych. Te nowo wygenerowane pary elektron-dziura w obszarze zubożenia przecinają połączenie.

W tej akcji elektrony przemieszczają się do materiału typu N z powodu jego normalnego stężenia jonów dodatnich. Podobnie dziury zagłębiają się w materiale typu P ze względu na zawartość negatywów. Powoduje to, że materiał typu N natychmiast przyjmuje ładunek ujemny, a materiał P - ładunek dodatni. Następnie złącze PN dostarcza w odpowiedzi małe napięcie.

Charakterystyka ogniwa fotowoltaicznego

Poniższy rysunek po lewej stronie przedstawia jedną z charakterystyk, wykres między prądem wstecznym (I R ) a oświetleniem (E) fotodiody. IR jest mierzony na osi pionowej, a oświetlenie na osi poziomej. Wykres jest linią prostą przechodzącą przez położenie zerowe.

tj. I R = mE

m = wykres nachylenia linii prostej

Parametr m to czułość diody.

Rysunek po prawej przedstawia inną charakterystykę fotodiody, wykres między prądem wstecznym (I R ) a napięciem wstecznym fotodiody. Z wykresu jasno wynika, że ​​dla danego napięcia wstecznego prąd wsteczny rośnie wraz ze wzrostem oświetlenia na złączu PN.

Ogniwa te generalnie dostarczają energię elektryczną do urządzenia obciążającego, gdy jest włączone światło. Jeśli wymagane jest większe napięcie, układ tych ogniw służy do zapewnienia tego samego. Z tego powodu ogniwa fotowoltaiczne są wykorzystywane w zastosowaniach, w których dostępne są wysokie poziomy energii świetlnej.

Jest to specjalna dioda złączowa PN z niespójnym stężeniem zanieczyszczeń w materiałach PN. W normalnej diodzie złączowej PN zanieczyszczenia domieszkowe są zwykle równomiernie rozproszone w całym materiale. Dioda waraktorowa domieszkowana bardzo małą ilością zanieczyszczeń w pobliżu złącza, a stężenie zanieczyszczeń rośnie w miarę oddalania się od złącza.

W konwencjonalnej diodzie złączowej obszar zubożenia to obszar oddzielający materiał P i N. Region zubożenia powstaje na początku, kiedy tworzy się skrzyżowanie. W tym regionie nie ma nośników prądu, a zatem obszar zubożenia działa jako medium dielektryczne lub izolator.

Materiał typu P z otworami jako większością nośników i materiał typu N z elektronami jako nośnikami większościowymi działa teraz jako naładowane płytki. Zatem diodę można uznać za kondensator z przeciwległymi naładowanymi płytkami typu N i P, a obszar zubożenia działa jako dielektryk. Jak wiemy, materiały P i N, będące półprzewodnikami, są oddzielone izolatorem obszaru zubożenia.

Nazywa się diody, które są zaprojektowane do reagowania na efekt pojemności przy odwrotnym polaryzacji varactors, varicap diodeslub voltage-variable capacitors.

Poniższy rysunek przedstawia symbol diody Varactor.

Diody Varactor działają normalnie w stanie odwróconej polaryzacji. Kiedy wzrasta odwrócenie polaryzacji, szerokość obszaru zubożenia również wzrasta, powodując mniejszą pojemność. Oznacza to, że gdy zmniejsza się odchylenie wsteczne, można zauważyć odpowiedni wzrost pojemności. Zatem pojemność diody zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do napięcia polaryzacji. Zwykle nie jest to liniowe. Działa w zakresie od zera do napięcia przebicia wstecznego.

Pojemność diody Varactor jest wyrażona jako -

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

  • CT = Całkowita pojemność złącza

  • E = Przenikalność materiału półprzewodnikowego

  • A = Pole przekroju poprzecznego skrzyżowania

  • Wd = Szerokość warstwy zubożonej

Te diody są zmiennie używane w zastosowaniach mikrofalowych. Diody waraktorowe są również używane w obwodach rezonansowych, w których wymagany jest pewien poziom dostrojenia napięcia lub kontroli częstotliwości. Ta dioda jest również stosowana w automatycznej regulacji częstotliwości (AFC) w odbiornikach radiowych i telewizyjnych FM.

Tranzystory bipolarne zbudowane są głównie z dwóch warstw materiału półprzewodnikowego przeciwnego typu, połączonych tyłem do siebie. Rodzaj domieszki dodanej do krzemu lub germanu decyduje o polarności, kiedy się tworzy.

Tranzystor NPN

Tranzystor NPN składa się z dwóch materiałów typu N oddzielonych cienką warstwą materiału półprzewodnikowego typu P. Strukturę kryształu i schematyczny symbol tranzystora NPN pokazano na powyższym rysunku.

Istnieją trzy odprowadzenia wyjęte z każdego rodzaju materiału rozpoznanego jako emitter, base, i collector. W symbolu, gdy grot strzałki emitera skierowany jest na zewnątrz od podstawy, oznacza to, że urządzenie jest typu NPN.

Tranzystor PNP

Tranzystor PNP składa się z dwóch materiałów typu P oddzielonych cienką warstwą materiału półprzewodnikowego typu N. Strukturę krystaliczną i schematyczny symbol tranzystora PNP przedstawiono poniżej.

Na symbolu, gdy grot strzałki emitera skierowany jest do wewnątrz w kierunku podstawy, oznacza to, że urządzenie jest typu PNP.

Poniżej przedstawiono niektóre techniki produkcji stosowane w konstrukcji tranzystora -

Typ rozpraszania

W tej metodzie płytka półprzewodnika poddawana jest pewnej dyfuzji gazowej zarówno zanieczyszczeń typu N, jak i typu P w celu utworzenia połączeń emitera i kolektora. Najpierw określa się i trawi fototrawione połączenie baza-kolektor tuż przed dyfuzją bazy. Później emiter jest rozpraszany na podstawie. Tranzystory wytwarzane tą techniką mają lepszy współczynnik szumów i widać również poprawę wzmocnienia prądu.

Grown Type

Powstaje przez wyciągnięcie pojedynczego kryształu ze stopionego krzemu lub germanu. Wymagane stężenie zanieczyszczeń jest dodawane podczas operacji ciągnienia kryształów.

Typ epitaksjalny

Bardzo wysoka czystość i cienka monokrystaliczna warstwa krzemu lub germanu rośnie na silnie domieszkowanym podłożu tego samego typu. Ta ulepszona wersja kryształu tworzy kolektor, na którym utworzone są połączenia emitera i podstawy.

Typ stopu

W tej metodzie sekcja podstawowa jest wykonana z cienkiego kawałka materiału typu N. Po przeciwnych stronach plasterka przymocowane są dwie małe kropki indu, a cała formacja jest utrzymywana w wysokiej temperaturze przez krótszy czas. Temperatura byłaby wyższa od temperatury topnienia indu i poniżej germanu. Ta technika jest również znana jako konstrukcja stopiona.

Typ wytrawiony elektrochemicznie

W metodzie tej po przeciwnych stronach płytki półprzewodnikowej wytrawia się wgłębienie w celu zmniejszenia szerokości obszaru podstawowego. Następnie odpowiedni metal jest galwanizowany w obszarze zagłębień, aby utworzyć połączenia emitera i kolektora.

Tranzystory mają trzy sekcje, a mianowicie - emitter, the basei collector.

  • Plik base jest znacznie cieńszy niż emiter, a kolektor jest stosunkowo szerszy niż oba.

  • Plik emitter jest silnie domieszkowany, dzięki czemu może wstrzykiwać dużą liczbę nośników ładunku do przewodzenia prądu.

  • Baza przepuszcza większość nośników ładunku do kolektora, ponieważ jest stosunkowo słabo domieszkowana niż emiter i kolektor.

Aby tranzystor działał prawidłowo, obszar podstawy emitera musi być spolaryzowany w przód, a obszar bazy kolektora musi być spolaryzowany do tyłu.

W obwodach półprzewodnikowych napięcie źródła nazywane jest napięciem polaryzacji. Aby tranzystory bipolarne działały, muszą mieć spolaryzowane oba złącza. Ten stan powoduje przepływ prądu przez obwód. Obszar zubożenia urządzenia jest zmniejszony, a większość nośników prądu jest wprowadzana w kierunku złącza. Jedno ze złączy tranzystora musi być spolaryzowane do przodu, a inne muszą być spolaryzowane do tyłu, gdy działa.

Działanie tranzystora NPN

Jak pokazano na powyższym rysunku, złącze emiter-baza jest spolaryzowane do przodu, a złącze kolektora do bazy jest spolaryzowane odwrotnie. Odchylenie do przodu na złączu emitera do podstawy powoduje, że elektrony przepływają z emitera typu N w kierunku polaryzacji. Warunek ten formułuje prąd emitera (I E ).

Przechodząc przez materiał typu P, elektrony mają tendencję do łączenia się z dziurami, na ogół bardzo nielicznych, i tworzą prąd bazowy (I B ). Reszta elektronów przechodzi przez cienki obszar zubożenia i dociera do obszaru kolektora. Ten prąd stanowi prąd kolektora (I C ).

Innymi słowy, prąd emitera faktycznie przepływa przez obwód kolektora. Dlatego można uznać, że prąd emitera jest sumą prądu podstawy i kolektora. Można to wyrazić jako:

Ja E = Ja B + Ja C.

Działanie tranzystora PNP

Jak pokazano na poniższym rysunku, złącze emiter-baza jest spolaryzowane do przodu, a złącze kolektora do podstawy jest spolaryzowane odwrotnie. Przesunięcie w przód na złączu emitera do podstawy powoduje, że otwory przepływają z emitera typu P w kierunku polaryzacji. Warunek ten formułuje prąd emitera (I E ).

Przechodząc przez materiał typu N, elektrony mają tendencję do łączenia się z elektronami, na ogół bardzo nielicznych, i tworzą prąd bazowy (I B ). Pozostałe otwory przecinają cienki obszar zubożenia i dochodzą do obszaru kolektora. Ten prąd stanowi prąd kolektora (I C ).

Innymi słowy, prąd emitera faktycznie przepływa przez obwód kolektora. Dlatego można uznać, że prąd emitera jest sumą prądu podstawy i kolektora. Można to wyrazić jako:

Ja E = Ja B + Ja C.

Kiedy tranzystor jest podłączony w obwodzie, wymagane są cztery zaciski, przewody lub nogi, po dwa dla wejścia i wyjścia. Ponieważ wiemy, że tranzystory mają tylko 3 zaciski, sytuację tę można rozwiązać, tworząc jeden z zacisków jako wspólny dla sekcji wejściowej i wyjściowej. W związku z tym tranzystor można podłączyć w trzech konfiguracjach w następujący sposób -

  • Wspólna konfiguracja podstawowa
  • Wspólna konfiguracja emitera
  • Wspólna konfiguracja kolektora

Poniżej przedstawiono kilka ważnych uwag dotyczących działania tranzystora.

  • Tranzystor może działać w trzech obszarach, a mianowicie w obszarze aktywnym, nasycenia i odcięcia.

  • Tranzystor, gdy jest używany w obszarze aktywnym, złącze baza-emiter jest spolaryzowane do przodu, a złącze kolektor-baza jest spolaryzowane odwrotnie.

  • Tranzystor, gdy jest używany w obszarze nasycenia, złącze baza-emiter jest spolaryzowane do przodu, a złącze kolektor-baza jest również spolaryzowane do przodu.

  • Tranzystor, gdy jest używany w obszarze odcięcia, zarówno złącze baza-emiter, jak i złącze baza-kolektor są spolaryzowane odwrotnie.

Porównanie konfiguracji tranzystorów

Poniższa tabela przedstawia porównanie konfiguracji tranzystorów.

Charakterystyka Wspólny emiter Wspólna podstawa Wspólny kolekcjoner
Aktualny zysk Wysoki Nie Znaczny
Aplikacje Częstotliwość dźwięku Wysoka częstotliwość Dopasowania impedancji
Rezystancja wejściowa Niska Niska Bardzo wysoko
Rezystancja wyjściowa Wysoki Bardzo wysoko Niska
Wzmocnienie napięcia Około. 500 Około. 150 Mniej niż 1

Zalety i wady tranzystorów

W poniższej tabeli wymieniono zalety i wady tranzystorów.

Zalety Niedogodności
Niskie napięcie źródła Zależność od temperatury
Wzmocnienie wysokiego napięcia Niższe straty mocy
Mniejszy rozmiar Niska impedancja wejściowa

Aktualny współczynnik wzmocnienia (α)

Stosunek zmiany prądu kolektora do zmiany prądu emitera przy stałym napięciu kolektora do napięcia podstawowego Vcb jest znany jako aktualny współczynnik wzmocnienia ‘α’. Można to wyrazić jako

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ przy stałej V CB

Oczywiste jest, że aktualny współczynnik wzmocnienia jest mniejszy niż jedność i jest odwrotnie proporcjonalny do prądu podstawowego, biorąc pod uwagę, że baza jest słabo domieszkowana i cienka.

Podstawowy współczynnik wzmocnienia prądu (β)

Jest to stosunek zmian prądu kolektora do zmiany prądu podstawowego. Mała zmiana prądu bazowego skutkuje bardzo dużą zmianą prądu kolektora. Dlatego tranzystor jest w stanie osiągnąć wzmocnienie prądu. Można to wyrazić jako

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

Tranzystor jako wzmacniacz

Poniższy rysunek pokazuje, że rezystor obciążający (R L ) jest połączony szeregowo z napięciem zasilania kolektora (V cc ). Mała zmiana napięciaΔVi pomiędzy emiterem a podstawą powoduje stosunkowo dużą zmianę prądu emitera ΔIE.

Definiujemy przez symbol „a” - ułamek tej aktualnej zmiany - który jest zbierany i przez który przechodzi RL. Zmiana napięcia wyjściowego na rezystorze obciążeniaΔVo = a’RL ΔIEmoże być wielokrotnie zmiana napięcia wejściowego AV I . W tych okolicznościach wzmocnienie napięciaA == VO/ΔVI będzie większa niż jedność, a tranzystor działa jak wzmacniacz.

Tranzystor polowy (FET) to trójzaciskowe urządzenie półprzewodnikowe. Jego działanie opiera się na kontrolowanym napięciu wejściowym. Z wyglądu tranzystory JFET i bipolarne są bardzo podobne. Jednak BJT jest urządzeniem sterowanym prądem, a JFET jest sterowany napięciem wejściowym. Najczęściej dostępne są dwa typy FET.

  • Tranzystor polowy połączeniowy (JFET)
  • Półprzewodnikowy FET z tlenku metalu (IGFET)

Tranzystor polowy złączowy

Funkcjonowanie tranzystora polowego połączeniowego zależy tylko od przepływu większości nośników (elektronów lub dziur). Zasadniczo JFET składa się z plikuN type lub Ptypu pręt silikonowy zawierający boczne złącza PN. Oto kilka ważnych punktów, o których należy pamiętać o FET:

  • Gate- Stosując technikę dyfuzyjną lub stopową, obie strony pręta typu N są silnie domieszkowane w celu utworzenia złącza PN. Te domieszkowane regiony nazywane są bramkami (G).

  • Source - Jest to punkt wejścia dla większości nośników, przez który wchodzą do paska półprzewodników.

  • Drain - Jest to punkt wyjścia dla większości nośników, przez który opuszczają pasek półprzewodników.

  • Channel - Jest to obszar materiału typu N, przez który większość nośników przechodzi od źródła do odpływu.

Istnieją dwa typy tranzystorów JFET powszechnie stosowanych w polowych urządzeniach półprzewodnikowych: N-Channel JFET i P-Channel JFET.

JFET z kanałem N

Posiada cienką warstwę materiału typu N uformowaną na podłożu typu P. Poniższy rysunek przedstawia strukturę kryształu i schematyczny symbol N-kanałowego tranzystora JFET. Następnie brama jest formowana na górze kanału N z materiału typu P. Na końcu kanału i bramki są przymocowane przewody doprowadzające, a podłoże nie ma połączenia.

Gdy źródło napięcia stałego jest podłączone do źródła i przewodów drenowych JFET, przez kanał przepłynie maksymalny prąd. Taka sama ilość prądu popłynie ze źródła i zacisków drenu. Wielkość przepływu prądu w kanale będzie określona przez wartość V DD i opór wewnętrzny kanału.

Typowa wartość rezystancji źródła-dren JFET wynosi kilkaset omów. Oczywiste jest, że nawet gdy brama jest otwarta, w kanale będzie odbywać się pełne przewodzenie prądu. Zasadniczo wielkość napięcia polaryzacji przyłożonego na ID kontroluje przepływ nośników prądu przechodzących przez kanał JFET. Przy niewielkiej zmianie napięcia bramki, JFET może być kontrolowany w dowolnym miejscu między pełnym przewodzeniem a stanem odcięcia.

Tranzystory JFET z kanałem P.

Posiada cienką warstwę materiału typu P uformowaną na podłożu typu N. Poniższy rysunek przedstawia strukturę kryształu i schematyczny symbol N-kanałowego JFET. Bramka jest uformowana na górze kanału P z materiału typu N. Na końcu kanału i bramki przymocowane są przewody doprowadzające. Pozostałe szczegóły konstrukcyjne są podobne do JFET z kanałem N.

Zwykle w przypadku ogólnego działania terminal bramki jest dodatni w stosunku do terminala źródłowego. Rozmiar warstwy zubożenia złącza PN zależy od wahań wartości napięcia bramki spolaryzowanej wstecz. Przy niewielkiej zmianie napięcia bramki, JFET może być kontrolowany w dowolnym miejscu między pełnym przewodzeniem a stanem odcięcia.

Charakterystyka wyjściowa JFET

Charakterystyki wyjściowe JFET są rysowane między prądem drenu (I D ) a napięciem źródła drenu (V DS ) przy stałym napięciu źródła bramki (V GS ), jak pokazano na poniższym rysunku.

Początkowo prąd drenu ( ID ) gwałtownie rośnie wraz z napięciem źródła drenu (V DS ), jednak nagle staje się stały przy napięciu znanym jako napięcie zaciskające (V P ). Powyżej napięcia zaciskowego szerokość kanału staje się tak wąska, że ​​przepuszcza przez niego bardzo mały prąd drenu. Dlatego prąd drenu (I D ) pozostaje stały powyżej napięcia zacisku.

Parametry JFET

Główne parametry JFET to -

  • Opór drenu AC (Rd)
  • Transconductance
  • Współczynnik wzmocnienia

AC drain resistance (Rd)- Jest to stosunek zmiany napięcia źródła drenu (ΔV DS ) do zmiany prądu drenu (ΔI D ) przy stałym napięciu bramka-źródło. Można to wyrazić jako:

R d = (ΔV DS ) / (ΔI D ) przy stałej V GS

Transconductance (gfs)- Jest to stosunek zmiany prądu drenu (ΔI D ) do zmiany napięcia źródła bramki (ΔV GS ) przy stałym napięciu dren-źródło. Można to wyrazić jako:

g fs = (ΔI D ) / (ΔV GS ) przy stałej V DS

Amplification Factor (u)- Jest to stosunek zmiany napięcia źródła drenu (ΔV DS ) do zmiany napięcia źródła bramki (ΔV GS ) stałego prądu drenu (ΔI D ). Można to wyrazić jako:

u = (ΔV DS ) / (ΔV GS ) przy stałej I D

Istnieją dwie metody obciążania JFET: metoda samoczynnego odchylenia i metoda dzielenia potencjału. W tym rozdziale omówimy szczegółowo te dwie metody.

Metoda samoobliczenia

Poniższy rysunek przedstawia metodę auto-bias n-kanałowego JFET. Przepływa prąd spustowyRsi wytwarza wymagane napięcie polaryzacji. W związku z tym,Rs jest rezystorem polaryzacji.

Dlatego napięcie na rezystorze polaryzacji,

$$ V_s = I_ {DRS} $$

Jak wiemy, prąd bramki jest pomijalnie mały, zacisk bramki znajduje się na uziemieniu DC, V G = 0,

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

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

V GS utrzymuje ujemną wartość bramki względem źródła.

Metoda dzielnika napięcia

Poniższy rysunek przedstawia metodę dzielnika napięcia polaryzacji tranzystorów JFET. Tutaj rezystor R 1 i R 2 tworzą obwód dzielnika napięcia na napięciu zasilania drenu (V DD ) i jest mniej więcej identyczny z tym stosowanym w polaryzacji tranzystora.

Napięcie na R 2 zapewnia niezbędne odchylenie -

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

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

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

Obwód jest tak zaprojektowany, że V GS jest zawsze ujemne. Punkt pracy można znaleźć za pomocą następującego wzoru -

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

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

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, znane również jako MOSFET, mają większe znaczenie i są nowym dodatkiem do rodziny FET.

Ma lekko domieszkowane podłoże typu P, w którym dyfundują dwie silnie domieszkowane strefy typu N. Unikalną cechą tego urządzenia jest konstrukcja bramy. Tutaj brama jest całkowicie izolowana od kanału. Gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie, wytworzy ładunek elektrostatyczny.

W tym momencie żaden prąd nie może płynąć w obszarze bramki urządzenia. Brama to również obszar urządzenia, który jest pokryty metalem. Generalnie dwutlenek krzemu jest stosowany jako materiał izolacyjny między bramą a kanałem. Z tego powodu jest również znany jakoinsulated gate FET. Istnieją dwa powszechnie stosowane tranzystory MOSFET i) MOSFET z wyczerpaniem ii) MOSFET wzmacniający.

D MOSFET

Poniższe rysunki przedstawiają n-kanałowy D-MOSFET i symbol. Bramka tworzy kondensator z bramką jako jedną płytą, a drugą płytą jest kanał z warstwą SiO 2 jako dielektrykiem. Kiedy zmienia się napięcie bramki, zmienia się pole elektryczne kondensatora, co z kolei zmienia rezystancję kanału n.

W takim przypadku możemy przyłożyć do bramki napięcie dodatnie lub ujemne. Kiedy tranzystor MOSFET działa z ujemnym napięciem bramki, nazywa się to trybem zubożenia, a gdy działa z dodatnim napięciem bramki, nazywa się to trybem wzmocnienia działania MOSFET.

Tryb wyczerpywania

Poniższy rysunek przedstawia n-kanałowy D-MOSFET w trybie wyczerpywania.

Jego działanie jest następujące -

  • Większość elektronów jest dostępna na bramce, ponieważ brama jest ujemna i odpycha elektrony n kanał.

  • To działanie pozostawia jony dodatnie w części kanału. Innymi słowy, niektóre wolne elektronynkanał są wyczerpane. W rezultacie dostępna jest mniejsza liczba elektronów do przewodzenia prądu przezn kanał.

  • Im większe ujemne napięcie na bramce, tym mniejszy jest prąd ze źródła do odpływu. W ten sposób możemy zmienić rezystancję kanału n i prąd ze źródła do drenu, zmieniając ujemne napięcie na bramce.

Tryb wzmocnienia

Poniższy rysunek przedstawia tranzystor MOSFET z kanałem D w trybie wzmocnienia. Tutaj bramka działa jak kondensator. Jednak w tym przypadku bramka jest dodatnia. Prowokuje elektrony wn kanał i liczba elektronów wzrasta w n kanał.

Dodatnie napięcie bramki poprawia lub zwiększa przewodność kanału. Im większe dodatnie napięcie na bramce, tym większe przewodzenie ze źródła do odpływu.

W ten sposób możemy zmienić rezystancję kanału n i prąd ze źródła do drenu, zmieniając dodatnie napięcie na bramce.

Charakterystyka transferu D - MOSFET

Poniższy rysunek przedstawia charakterystykę transferu D-MOSFET.

Kiedy V GS ma wartość ujemną, I D spada poniżej wartości I DSS , aż osiągnie zero, a V GS = V GS (wyłączony) (tryb zubożenia). Kiedy V GS ma wartość zero, I D = I DSS, ponieważ bramka i zaciski źródłowe są zwarte. I D rośnie powyżej wartości I DSS , gdy V GS jest dodatnie, a MOSFET jest w trybie wzmocnienia.

Wzmacniacz operacyjny lub wzmacniacz operacyjny to wzmacniacz różnicowy o bardzo dużym wzmocnieniu o wysokiej impedancji wejściowej i niskiej impedancji wyjściowej. Wzmacniacze operacyjne są zwykle używane do zapewniania zmian amplitudy napięcia, oscylatorów, obwodów filtrów itp. Wzmacniacz operacyjny może zawierać szereg stopni wzmacniacza różnicowego, aby uzyskać bardzo wysokie wzmocnienie napięcia.

Jest to wzmacniacz różnicowy o dużym wzmocnieniu wykorzystujący bezpośrednie sprzężenie między wyjściem a wejściem. Jest to odpowiednie dla operacji DC i AC. Wzmacniacze operacyjne oprócz różnych operacji matematycznych pełnią liczne funkcje elektroniczne, takie jak urządzenia pomiarowe, generatory sygnału, filtry aktywne itp. To wszechstronne urządzenie jest również używane w wielu zastosowaniach nieliniowych, takich jak komparatory napięcia, przetworniki analogowo-cyfrowe i przetworniki cyfrowo-analogowe, wzmacniacze logarytmiczne, nieliniowe generatory funkcyjne itp.

Podstawowy wzmacniacz różnicowy

Poniższa ilustracja przedstawia podstawowy wzmacniacz różnicowy -

Na powyższym rysunku -

  • VDI = wejście różnicowe

  • VDI= V 1 - V 2

  • VDO = wyjście różnicowe

  • VDO= V C1 - V C2

Ten wzmacniacz wzmacnia różnicę między dwoma sygnałami wejściowymi, V 1 i V 2 .

Różnicowe wzmocnienie napięcia,

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

i

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

Jak pokazano na poniższym rysunku, podstawowy wzmacniacz operacyjny składa się z trzech stopni -

Stopień wejściowy

To jest pierwszy etap i ma następujące cechy.

  • Wysoki CMR (odrzucenie trybu wspólnego)
  • Wysoka impedancja wejściowa
  • Szerokie pasmo
  • Niskie (DC) offset wejściowy

Oto kilka istotnych cech charakterystycznych dla wydajności wzmacniacza operacyjnego. Ten stopień składa się z różnicowego stopnia wzmacniacza, a tranzystor jest spolaryzowany, dzięki czemu działa jako źródło prądu stałego. Źródło prądu stałego znacznie zwiększa CMR wzmacniacza różnicowego.

Poniżej znajdują się dwa wejścia do wzmacniacza różnicowego -

  • V 1 = wejście nieodwracające
  • V 2 = wejście odwracające

Etap pośredni

Jest to drugi stopień, zaprojektowany w celu uzyskania lepszych zysków napięcia i prądu. Wzmocnienie prądu jest wymagane do dostarczenia wystarczającego prądu do napędzania stopnia wyjściowego, w którym generowana jest większość mocy wzmacniacza operacyjnego. Ten stopień składa się z jednego lub więcej wzmacniaczy różnicowych, po których następuje popychacz emitera i stopień zmiany poziomu prądu stałego. Obwód z przesunięciem poziomu umożliwia posiadanie przez wzmacniacz dwóch wejść różnicowych z jednym wyjściem.

V out = + ve kiedy V 1 > V 2
V out = -ve kiedy V 2 <V 1
V out = 0 gdy V 1 = V 2

Stopień wyjściowy

To jest ostatni stopień wzmacniacza operacyjnego i ma niską impedancję wyjściową. Zapewnia to prąd potrzebny do napędzania obciążenia. W miarę zmian obciążenia ze stopnia wyjściowego będzie pobierany mniej więcej prąd. Dlatego ważne jest, aby poprzedni stopień działał bez wpływu obciążenia wyjściowego. Wymóg ten jest spełniony poprzez zaprojektowanie tego stopnia tak, aby miał wysoką impedancję wejściową i duże wzmocnienie prądowe, jednak przy niskiej impedancji wyjściowej.

Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia: Non-inverting input i Inverting input.

Powyższy rysunek przedstawia odwracający typ wzmacniacza operacyjnego. Sygnał, który jest podawany na odwracającym zacisku wejściowym, jest wzmacniany, jednak sygnał wyjściowy jest przesunięty w fazie z sygnałem wejściowym o 180 stopni. Sygnał doprowadzony do nieodwracającego zacisku wejściowego jest wzmacniany, a sygnał wyjściowy jest w fazie z sygnałem wejściowym.

Wzmacniacz operacyjny można podłączyć do wielu obwodów, aby zapewnić różne charakterystyki robocze.

Wzmacniacz odwracający

Poniższy rysunek przedstawia wzmacniacz odwracający. Sygnał wejściowy jest wzmacniany i odwracany. Jest to najczęściej używany obwód wzmacniacza o stałym wzmocnieniu.

V o = -R f. V we / R 1

Wzmocnienie napięcia A = (-R f / R 1 )

Wzmacniacz nieodwracający

Poniższy rysunek przedstawia obwód wzmacniacza operacyjnego, który działa jako wzmacniacz nieodwracający lub mnożnik o stałym wzmocnieniu i ma lepszą stabilność częstotliwości.

Sygnał wejściowy jest wzmacniany, ale nie jest odwracany.

Wyjście V o = [(R 1 + R f ) / R 1 ] V 1

Wzmocnienie napięciowe A = (R 1 + R f ) / R 1

Odwracający wzmacniacz sumujący

Poniższy rysunek przedstawia odwracający wzmacniacz sumujący. Jest to najczęściej używany obwód wzmacniacza operacyjnego. Obwód przedstawia trójwejściowy wzmacniacz sumujący, który umożliwia algebraiczne sumowanie trzech napięć, każde pomnożone przez współczynnik stałego wzmocnienia. Napięcie wyjściowe wyraża się jako:

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 )

Jeśli R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R i R s = R / 3

V o = - (V 1 + V 2 + V 3 )

Poniższy rysunek pokazuje, że używanym elementem sprzężenia zwrotnego jest kondensator, a powstałe połączenie jest nazywane integratorem.

Ekwiwalent wirtualnego uziemienia pokazuje, że wyrażenie określające napięcie między wejściem a wyjściem można wyprowadzić w postaci prądu (I), od wejścia do wyjścia. Przypomnijmy, że wirtualna masa oznacza, że ​​możemy uznać napięcie na skrzyżowaniu R i X C za uziemienie (ponieważ V i ≈ 0 V), jednak w tym punkcie nie ma prądu do ziemi. Impedancję pojemnościową można wyrazić jako

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

Gdzie s= jw jak w notacji Laplace'a. Rozwiązanie równania dla $ V_o / V_i $ daje następujące równanie

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

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

Można go zapisać w dziedzinie czasu jako

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

Na poniższym rysunku pokazano obwód różnicujący.

Rozróżniacz zapewnia użyteczną operację, a wynikowa zależność jest dla obwodu

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

Oto kilka ważnych parametrów wzmacniacza operacyjnego -

Wzmocnienie napięcia w otwartej pętli (AVOL)

Wzmocnienie napięcia w otwartej pętli wzmacniacza operacyjnego to jego różnicowe wzmocnienie w warunkach, w których nie jest używane ujemne sprzężenie zwrotne. Zakres AVOL wynosi od 74 db do 100 db.

AVOL = [V o / (V 1 - V 2 )]

Napięcie przesunięcia wyjściowego (VOO)

Wyjściowe napięcie przesunięcia wzmacniacza operacyjnego jest jego napięciem wyjściowym, gdy jego różnicowe napięcie wejściowe wynosi zero.

Odrzucenie trybu wspólnego (CMR)

Jeśli oba wejścia mają ten sam potencjał, powodując różnicowe zero na wejściu, i jeśli wyjście ma wartość zero, mówi się, że wzmacniacz operacyjny ma dobre tłumienie w trybie wspólnym.

Wzmocnienie trybu wspólnego (AC)

Wzmocnienie w trybie wspólnym wzmacniacza operacyjnego to stosunek napięcia wyjściowego w trybie wspólnym do napięcia wejściowego w trybie wspólnym.

Wzmocnienie różnicowe (AD)

Wzmocnienie różnicowe wzmacniacza operacyjnego to stosunek mocy wyjściowej do wejścia różnicowego.

Ad = [V o / (V 1 ) - V 2 ]

Współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym (CMRR)

CMRR wzmacniacza operacyjnego definiuje się jako stosunek wzmocnienia różnicowego w pętli zamkniętej do wzmocnienia w trybie wspólnym.

CMRR = Ad / AC

Slew Rate (SR)

Szybkość narastania to szybkość zmiany napięcia wyjściowego spowodowana skokowym napięciem wejściowym. Idealna szybkość narastania jest nieskończona, co oznacza, że ​​wyjście wzmacniacza operacyjnego powinno zmieniać się natychmiast w odpowiedzi na wejściowe napięcie krokowe.

Omówiliśmy już niektóre zastosowania wzmacniacza operacyjnego, takie jak różnicujący, integrator, wzmacniacz sumujący itp. Niektóre inne powszechne zastosowania wzmacniaczy operacyjnych to:

  • Wzmacniacz logarytmiczny
  • Żyrator (symulator indukcyjności)
  • Popychacz napięcia DC i AC
  • Analogowy do cyfrowego konwertera
  • Przetwornik cyfrowo-analogowy
  • Zasilacze do ochrony przed przepięciami
  • Wskaźnik polaryzacji
  • Popychacz napięcia
  • Aktywne filtry

Oscylator to obwód elektroniczny, który generuje oscylacje sinusoidalne znane jako sinusoidal oscillator. Konwertuje energię wejściową ze źródła prądu stałego na energię wyjściową prądu przemiennego o okresowym kształcie fali, przy określonej częstotliwości i znanej amplitudzie. Cechą charakterystyczną oscylatora jest to, że zachowuje moc wyjściową AC.

Poniższy rysunek przedstawia wzmacniacz z sygnałem sprzężenia zwrotnego, nawet przy braku zewnętrznego sygnału wejściowego. Oscylator sinusoidalny jest zasadniczo formą wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym, w którym specjalne wymagania stawiane są wzmocnieniu napięciaAv oraz sieci informacji zwrotnej β.

Rozważmy wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym z powyższego rysunku, gdzie napięcie sprzężenia zwrotnego V f = βV O dostarcza całe napięcie wejściowe

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

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

Jeśli ma być wytwarzane napięcie wyjściowe, napięcie wejściowe nie może wynosić zero. Stąd, aby V i istniało, wymaga tego równanie (2)

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

Równanie (3) jest znane jako “Barkhausen criterion”, który określa dwa podstawowe wymagania dotyczące oscylacji -

  • Wzmocnienie napięcia wokół wzmacniacza i pętli sprzężenia zwrotnego, zwane wzmocnieniem pętli, musi wynosić jedność lub $ A_V \ beta = 1 $.

  • Przesunięcie fazowe między $ V_i $ a $ V_f $, nazywane przesunięciem fazowym pętli, musi wynosić zero.

Jeśli te dwa warunki są spełnione, wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym z powyższego rysunku będzie generował konsekwentnie sinusoidalny przebieg wyjściowy.

Omówmy teraz szczegółowo niektóre typowe obwody oscylatora.

Oscylator przesunięcia fazowego

Obwód oscylatora, który śledzi podstawowy postęp obwodu sprzężenia zwrotnego, to oscylator z przesunięciem fazowym. Na poniższym rysunku przedstawiono oscylator przesunięcia fazowego. Wymagania dotyczące oscylacji są takie, że wzmocnienie pętli (βA) powinno być większe niż jedność, a przesunięcie fazowe między wejściem a wyjściem powinno wynosić 360 o .

Sprzężenie zwrotne jest dostarczane z wyjścia sieci RC z powrotem do wejścia wzmacniacza. Stopień wzmacniacza operacyjnego zapewnia początkowe przesunięcie o 180 stopni, a sieć RC wprowadza dodatkowe przesunięcie fazowe. Przy określonej częstotliwości przesunięcie fazowe wprowadzone przez sieć wynosi dokładnie 180 stopni, więc pętla będzie miała 360 stopni, a napięcie sprzężenia zwrotnego jest w fazowym napięciu wejściowym.

Minimalna liczba stopni RC w sieci sprzężenia zwrotnego to trzy, ponieważ każda sekcja zapewnia 60 stopni przesunięcia fazowego. Oscylator RC jest idealnie dopasowany do zakresu częstotliwości audio, od kilku cykli do około 100 KHz. Przy wyższych częstotliwościach impedancja sieci staje się tak niska, że ​​może poważnie obciążać wzmacniacz, zmniejszając w ten sposób jego wzmocnienie napięcia poniżej wymaganej wartości minimalnej, a oscylacje ustaną.

Przy niskich częstotliwościach efekt obciążenia zwykle nie stanowi problemu, a wymagane duże wartości rezystancji i pojemności są łatwo dostępne. Korzystając z podstawowej analizy sieci, oscylacje częstotliwości można wyrazić jako

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

Oscylator Wien Bridge

Praktyczny obwód oscylatora wykorzystuje obwód wzmacniacza operacyjnego i mostka RC, z częstotliwością oscylatora ustawioną przez R i Cskładniki. Poniższy rysunek przedstawia podstawową wersję obwodu oscylatora mostka Wien.

Zwróć uwagę na podstawowe połączenie mostkowe. Rezystory R 1 i R 2 i kondensatory C 1 i C 2 tworzą elementy regulacji częstotliwościowej, podczas gdy rezystory R 3 i R 4 stanowią część toru sprzężenia zwrotnego.

W tym zastosowaniu napięcie wejściowe (V i ) do mostka jest napięciem wyjściowym wzmacniacza, a napięcie wyjściowe (V o ) mostka jest sprzężeniem zwrotnym z wejściem wzmacniacza. Pomijając skutki obciążenia impedancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza operacyjnego, wyniki analizy obwodu mostka

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

i

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

Gdy R 1 = R 2 = R i C 1 = C 2 = C, otrzymany częstotliwość oscylatora jest

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

Oscylator Hartley

Poniższy rysunek przedstawia oscylator Hartley. Jest to jeden z najpopularniejszych obwodów RF. Zwykle jest używany jako lokalny oscylator w odbiorniku transmisji. Tranzystor bipolarny węzeł do wspólnego połączenia emitera wzmacniacza napięcia i jest dociskany przez uniwersalne obwodu polaryzacji składającej się z R 1 , R 2 , R E . Kondensator obejściowy emitera (C E ) zwiększa wzmocnienie napięcia tego pojedynczego stopnia tranzystora.

Dławik częstotliwości radiowej (RFC) w obwodzie kolektora działa jako obwód otwarty przy częstotliwości RF i zapobiega przedostawaniu się energii RF do źródła zasilania. Obwód zbiornika składa się z L 1 , L 2 i C. Częstotliwość oscylacji jest określona przez wartość L 1 , L 2 i C i jest określona przez oscylacje przy częstotliwości rezonansowej obwodu zbiornika LC. Ta częstotliwość rezonansowa jest wyrażona jako

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

Sygnał wyjściowy można pobrać z kolektora przez sprzężenie pojemnościowe, pod warunkiem, że obciążenie jest duże i nie ma to wpływu na częstotliwość oscylacji.

Piezoelektryczność

Właściwości piezoelektryczne wykazuje szereg naturalnych substancji krystalicznych, z których najważniejsze to kwarc, sól Rochelle i turmalin. Kiedy na te materiały przyłożone jest napięcie sinusoidalne, wibrują one z przyłożoną częstotliwością napięcia.

Z drugiej strony, gdy te materiały są ściskane i poddawane mechanicznym obciążeniom w celu wibracji, wytwarzają równoważne napięcie sinusoidalne. Dlatego te materiały nazywane są kryształami piezoelektrycznymi. Kwarc to najpopularniejszy kryształ piezoelektryczny.

Oscylator kwarcowy

Schemat obwodu oscylatora kwarcowego pokazano na poniższym rysunku.

Kryształ tutaj działa jak dostrojony obwód. Równoważny obwód kryształu podano poniżej.

Oscylator kwarcowy ma dwie częstotliwości rezonansowe: szeregową częstotliwość rezonansową i równoległą częstotliwość rezonansową.

Częstotliwość rezonansowa serii

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

Równoległa częstotliwość rezonansowa

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

Te dwie częstotliwości rezonansowe są prawie takie same, ponieważ C / Cm jest bardzo małe. Na powyższym rysunku kryształ jest podłączony do pracy w równoległym trybie rezonansowym.

Rezystory R 1 , R 2 , R E i tranzystor tworzą razem obwód wzmacniacza. Rezystory R 1 i R 2 zapewniają stabilizowane napięciem polaryzację DC. Kondensator (C E ) zapewnia obejście prądu przemiennego rezystora emitera (R E ), a RFC zapewnia wysoką impedancję częstotliwości generowanej przez oscylator, dzięki czemu nie dostają się one do linii energetycznych.

Kryształ jest równolegle do kondensatora C 1 i C 2 oraz umożliwia maksymalne napięcie zwrotne od kolektora do nadajnika, gdy jej impedancji maksimum. Przy innych częstotliwościach impedancja kryształu jest niska, a więc wynikowe sprzężenie zwrotne jest zbyt małe, aby utrzymać oscylacje. Częstotliwość oscylatora jest stabilizowana przy równoległej częstotliwości rezonansowej kryształu.

Podstawowym celem sieci polaryzacji jest ustalenie zależności napięcia i prądu kolektor-baza-emiter w punkcie pracy obwodu (punkt pracy jest również nazywany punktem spoczynku, punktem Q, punktem bez sygnału, punktem jałowym, lub punkt statyczny). Ponieważ tranzystory rzadko działają w tym punkcie Q, podstawowe sieci polaryzacji są zwykle używane jako punkt odniesienia lub punkt wyjścia do projektowania.

Rzeczywista konfiguracja obwodu, a zwłaszcza wartości sieci polaryzacji, są wybierane na podstawie dynamicznych warunków obwodu (pożądane wahania napięcia wyjściowego, oczekiwany poziom sygnału wejściowego itp.) Po ustaleniu żądanego punktu pracy następną funkcją sieci polaryzacji jest ustabilizować obwód wzmacniacza w tym momencie. Podstawowa sieć polaryzacji musi utrzymywać pożądane zależności prądowe w przypadku zmian temperatury i zasilania oraz ewentualnej wymiany tranzystora.

W niektórych przypadkach zmiany częstotliwości i zmiany spowodowane przez komponent muszą być również kompensowane przez sieć polaryzacji. Ten proces jest ogólnie określany jako stabilizacja odchylenia. Właściwa stabilizacja polaryzacji utrzyma obwód wzmacniacza w pożądanym punkcie pracy (w praktycznych granicach) i zapobiegnie niekontrolowanemu wzrostowi temperatury.

Współczynnik stabilności „S”

Definiuje się ją jako szybkość zmian prądu kolektora w stosunku do prądu nasycenia wstecznego, przy zachowaniu stałych β i V BE . Jest wyrażany jako

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

Metody stabilizacji odchylenia

Metoda uniezależniania punktu pracy od zmian temperatury lub wahań parametrów tranzystorów jest znana jako stabilization. Istnieje kilka schematów zapewniających stabilizację polaryzacji wzmacniaczy półprzewodnikowych. Wszystkie te schematy mają formę negatywnej opinii. Oznacza to, że na dowolnym etapie prądy tranzystorowe wytwarzają odpowiednią zmianę napięcia lub prądu, która ma tendencję do równoważenia początkowej zmiany.

Istnieją dwie podstawowe metody wytwarzania ujemnego sprzężenia zwrotnego, sprzężenia zwrotnego z odwrotnym napięciem i sprzężenia zwrotnego z prądem odwrotnym.

Sprzężenie zwrotne odwrotnego napięcia

Poniższy rysunek przedstawia podstawową sieć polaryzacji odwrotnego napięcia. Połączenie emiter-podstawa jest spolaryzowane do przodu przez napięcie na skrzyżowaniu R 1 i R 2 . Połączenie baza-kolektor jest spolaryzowane odwrotnie przez różnicę między napięciami na kolektorze i podstawie.

Zwykle kolektor wzmacniacza sprzężonego rezystancyjnie jest pod napięciem około połowy napięcia rezystora zasilającego (R 3 ), podłączonego między kolektorem a podstawą. Ponieważ napięcie kolektora jest dodatnie, część tego napięcia jest przekazywana do podstawy, aby wspierać odchylenie w przód.

Normalne (lub punkt Q) przesunięcie w przód na połączeniu emiter-baza jest wynikiem wszystkich napięć między emiterem a bazą. Jako kolektora prądu wzrasta, większy spadek napięcia jest wytwarzany w poprzek R L . W rezultacie napięcie na kolektorze spada, zmniejszając sprzężenie zwrotne napięcia do podstawy przez R 3 . Zmniejsza to odchylenie wstępne emiter-podstawa, zmniejszając prąd emitera i obniżając prąd kolektora do jego normalnej wartości. Ponieważ występuje początkowy spadek prądu kolektora, zachodzi działanie odwrotne i prąd kolektora zostaje podniesiony do normalnej (punkt Q) wartości.

Każda forma ujemnego lub odwrotnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu ma tendencję do przeciwstawiania się wszystkim zmianom, nawet tym, które są wytwarzane przez wzmacniany sygnał. To odwrotne lub ujemne sprzężenie zwrotne ma tendencję do zmniejszania i stabilizacji wzmocnienia, a także niepożądanej zmiany. Ta zasada stabilizowania wzmocnienia za pomocą sprzężenia zwrotnego jest stosowana w mniej więcej wszystkich typach wzmacniaczy.

Odwrotny prąd zwrotny

Poniższy rysunek przedstawia charakterystyczną sieć polaryzacji prądu zwrotnego (emiter - sprzężenie zwrotne) wykorzystującą tranzystor NPN. Prądowe sprzężenie zwrotne jest częściej stosowane niż sprzężenie napięciowe we wzmacniaczach półprzewodnikowych. Dzieje się tak, ponieważ tranzystory są głównie urządzeniami zasilanymi prądem, a nie urządzeniami zasilanymi napięciem.

Użycie rezystancji emiter-sprzężenie zwrotne w dowolnym obwodzie polaryzacji można podsumować w następujący sposób: Prąd podstawowy zależy od różnicy napięcia między bazą a emiterem. Jeśli napięcie różnicowe zostanie obniżone, popłynie mniejszy prąd bazowy.

Odwrotnie jest, gdy różnica jest zwiększana. Cały prąd przepływający przez kolektor. Napięcie spada na rezystorze emitera i dlatego nie jest w pełni zależne. Wraz ze wzrostem prądu kolektora wzrasta również prąd emitera i spadek napięcia na rezystorze emitera. To ujemne sprzężenie zwrotne ma tendencję do zmniejszania różnicy między podstawą a emiterem, obniżając w ten sposób prąd podstawowy. Z kolei niższy prąd bazowy ma tendencję do zmniejszania prądu kolektora i równoważenia początkowego wzrostu prądu kolektora.

Odszkodowanie za uprzedzenia

We wzmacniaczach półprzewodnikowych, gdy utrata wzmocnienia sygnału jest niedopuszczalna w określonym zastosowaniu, często stosuje się techniki kompensacji w celu zmniejszenia dryftu punktu pracy. Aby zapewnić maksymalne odchylenie i stabilizację termiczną, można jednocześnie zastosować metody kompensacji i stabilizacji.

Poniższy rysunek przedstawia technikę kompensacji diody, w której wykorzystano zarówno kompensację diody, jak i stabilizację samoczynnego polaryzacji. Jeśli zarówno dioda, jak i tranzystor są tego samego typu, mają ten sam współczynnik temperaturowy w obwodzie. Tutaj dioda jest spolaryzowana do przodu. KVL dla danego obwodu można wyrazić jako -

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

Z powyższego równania jasno wynika, że ​​$ V_ {BE} $ podąża za temperaturą VO wrt, a Ic nie będzie miało wpływu na zmiany w $ V_ {BE} $. Jest to skuteczna metoda dbania o punkt pracy tranzystora ze względu na wahania $ V_ {BE} $.

Urządzenie do kompensacji temperatury

Możemy również użyć jakiegoś urządzenia wrażliwego na temperaturę, aby skompensować zmiany wewnętrznych charakterystyk tranzystora. Termistor ma ujemny współczynnik temperaturowy, co oznacza, że ​​wraz ze wzrostem temperatury jego rezystancja spada wykładniczo. Poniższy rysunek przedstawia obwód wykorzystujący termistor (R T ) w celu zmniejszenia wzrostu prądu kolektora spowodowanego zmianą $ V_ {BE} $, ICO lub β wraz z temperaturą.

Gdy temperatura wzrasta, R T spada, a prąd podawany przez R T do R E rośnie. Spadek napięcia działania na R E jest w przeciwnym kierunku, aby odwrócić polaryzację tranzystora. R T działa tak, aby dążyć do kompensacji wzrostu IC, który wzrasta z powodu wzrostu temperatury.