Predstavitev informacije

Transcript

1 Predstavitev informacije 1 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Informacijo lahko prenašamo, če se nahaja v primerni obliki. V elektrotehniki se informacija lahko nahaja v analogni ali digitalni obliki (analogni in digitalni signali). Za analogno informacijo je značilno, da jo predstavlja signal, ki: se zvezno spreminja ima lahko neskončno število vrednosti (stanj), kar je tudi lastnost zveznih funkcij Primeri: osvetljenost okolice, zvok kitare, kazalec na merilniku hitrosti avtomobila npr. v vsakem trenutku daje (prikazuje) drugačno velikost signala, ki pomeni drugačno vrednost Primerjava analognega signala, pri katerem vsak nivo signala predstavlja svojo vrednost in digitalnega signala, ki loči le dve logični vrednosti. Pri digitalnem signalu vse električne vrednosti signala ustrezajo tema dvema logičnima nivojema. Slika prikazuje pretvorbo analognega v digitalni signal in pretvorbo v obratni smeri. Vidimo, da zavzame analogni zapis neskončno različnih vrednosti, ker je analogni signal zvezen, digitalni zapis pa le končno število diskretnih vrednosti. To pomeni, da z digitalnim zapisom lahko zapišemo neko vrednost z določeno natančnostjo in da se dva sosednja zapisa med seboj razlikujeta za določen korak - nista zvezna - stopničasta funkcija.

2 2 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Digitalna -diskretna informacija Digitalna informacija je sestavljena iz končnega števila diskretnih, točno določenih stanj. Primeri: zapis glasbe na digitalni plošči, signalizacija na semaforju prikaz časa na digitalni uri se npr. ne spreminja zvezno ampak v korakih (prikazi se razlikujejo v sekundah ali desetinkah sekunde Digitalno informacijo zapišemo z uporabo nabora veljavnih znakov, od katerih vsak predstavlja črko ali digit Primeri kodiranja: s 25 črkami abecede lahko zapišemo 25 različnih stanj {A, B, C,..., Ž)} z 10 števkami desetiškega številskega zapisa lahko predstavimo 10 različnih stanj {0, 1, 2,..., 9} z dvema števkama dvojiškega številskega sestava pa lahko ponazorimo dve različni stanji {0,1} Več takih znakov povežemo v bolj obsežne informacije, npr.: črke abecede v besedo, števke v večmestno število, itd., s čemer povečamo število stanj, ki jih lahko zapišemo. Zapis informacij v digitalnih računalnikih je praviloma binaren (dvojiški) z uporabo dveh stanj za vsak signal. Za vsako digitalno informacijo je značilno, da dolžina zapisa določa njeno natančnost. Tako je npr. zapis z 8 biti manj natančen od zapisa s 16 biti. Odločitev za digitalno informacijo je lahko posledica naslednjih lastnosti: digitalna informacija je naravna informacija, ko npr. gre za pritisk tipke, sklenitev stikala, impulze iz detektorja delcev, itd. informacijo moramo imeti v digitalni obliki, če jo želimo obdelovati z digitalnimi vezji (to je vezji, ki poznajo le logična stanja 1 in 0) digitalna informacija je manj občutljiva na motnje pri prenosih na večje razdalje

3 Polprevodniki in polprevodniški elementi 3 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Osnova za izdelavo polprevodniških elementov je večinoma kristal silicija (Si), včasih tudi germanija (Ge) ali kakega drugega elementa. Atomi silicija so 4-valentni in se stabilno povezujejo med seboj. Če atom izgubi elektron, postane atom pozitiven - pravimo, da nastane vrzel. Elektron, ki zapusti atom, postane prost. Vrzeli in elektroni povzročajo v polprevodnikih električni tok. Osnovi silicija ali germanija dodajo primesi, ki so lahko: petvalentne, ki težijo za oddajo elektrona, zato tak polprevodnik vsebuje veliko prostih elektronov in mu pravimo n-tip polprevodnika trivalentne, ki težijo za sprejemom elektronov. Tega sprejmejo od bližnjega atoma silicija, ki odda elektron. Na ta način nastane vrzel, ki kmalu spet sprejme elektron. Tako nastane vrzel na drugem mestu. Na ta način vrzel potuje, saj se mehansko zaradi vpetosti atoma ne more premikati. Polprevodniku pravimo p-tip polprevodnika Na prvi sliki so v silicijevo kristalno strukturo difundirani atomi fosforja, ki so 5-valentni, zato so vir prostih elektronov. Na drugi sliki je siliciju dodan bor, ki je 3-valenten, zato iz okolice prevzema elektrone in nastajajo vrzeli. V polprevodniku prihaja do električnega toka na dva načina: pod vplivom električnega polja - električno polje, ki ga ustvarja električna napetost, povzroči usmerjeno gibanje nosilcev elektrin proti poloma - negativni elektroni pozitivnemu polu in pozitivne vrzeli proti negativnemu zaradi difuzije - difuzijo povzroča premik nosilcev elektrin s področja večje koncentracije k področju manjše koncentracije (izenačevanje koncentracij) Polprevodniki predstavljajo osnovo za izdelavo polprevodniških elementov kot so: diode, tranzistorji, tiristorji, triaki, itd.

4 4 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Dioda Dioda je najbolj preprost polprevodniški element. Dobijo jo z združitvijo dveh polprevodnikov - polprevodnika n-tipa in polprevodnika p-tipa. Na spoju polprevodnikov se ustvari zaporna plast zaradi rekombinacij, to je združitev večinskih nosilcev nabojev - elektronov in vrzeli v obeh plasteh. Posledica tega je, da nastane potencialni prag, ki preprečuje prehod toka. Tok skozi diodo lahko steče šele, ko zunanja pritisnjena napetost premaga potencialni prag. Prva slika prikazuje združitev dveh polprevodnikov in nastanek potencialnega praga, ker v območju spoja zmanjka prostih nosilcev elektrin. Na drugi sliki pa je prikazano zmanjševanje zaporne plasti in posledično potencialnega praga zaradi pritisnjene zunanje napetosti. Za diodo je značilno, da v eni smeri začne prevajati pri napetosti kolena (pri polarizaciji električne napetosti, ki zmanjšuje potencialni prag). Napetost kolena je odvisna od vrste polprevodnika: Ge-0,3 V, Si-0,7 V, GaAs-1,2 V. Koleno silicijeve diode je v prevodni smeri pri napetosti okrog 0,7 V. Pri tej napetosti prične skozi diodo teči električni tok. V drugi smeri pa dioda predstavlja zaporo in ne prevaja (pri polarizaciji električne napetosti, ki povečuje potencialni prag). V zaporni smeri prične dioda prevajati šele, ko dosežemo prebojno napetost. Če toka v takem primeru ne omejimo, se dioda poškoduje!

5 5 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc V zaporni smeri prične dioda prevajati šele, ko napetost preseže prebojno napetost. Dioda preoblikuje električne signale. Dioda deluje kot nekakšen ventil: v prevodni smeri prevaja električni tok, v zaporni pa ne. Dioda je za razliko od ohmskega upora, kondenzatorja in tuljave nelinearen element, saj je povezava med tokom napetostjo nelinearna. Tudi tranzistorji, tiristorji in triaki so nelinearni elementi. Simboli diod D1 D1 D1 navadna dioda LED diodasvetleča dioda Zener dioda Uporaba diod Diode uporabljamo npr. za: usmerjanje izmenične napetosti omejevanje napetosti (poreže vse signale, ki so višji od napetosti kolena diode) za stabilizacijo napetosti (Zener dioda, ki jo uporabljamo v zaporni smeri, omeji napetost na velikost zaporne napetosti) kot svetlečo LED diodo za signalizacijo v vezjih in napravah Dioda v vlogi polvalnega usmernika izmenične napetosti. Dioda prepušča le pozitivne polvalove izmenične napetosti.

6 Prikaz polnovalnega usmernika. Vezava diod obrne tudi negativne polperiode, tako da iz izmenične napetosti dobimo enosmerno napetost. 6 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Polnovalni usmernik dopolnimo še s kondenzatorjem, ki ima veliko kapacitivnost in omogoča glajenje napetosti - zmanjšuje nihanje napetosti. Več LED diod - segmentov lahko oblikuje LED-prikaz (display). Na sliki a) je 7-segmentni LED-prikaz. Vsak segment krmilimo s svojim signalom. Na sliki b) pa je prikaz, ki ga sestavlja matrika pik in zato omogoča več možnosti prikazovanja znakov. Vsaka pika je krmiljena s svojim signalom. Tranzistorji Ločimo dve glavni skupini tranzistorjev: bipolarni tranzistorji in unipolarni tranzistorji. Bipolarni tranzistor dobimo, če združimo dva p-n spoja. Tako nastane npn ali pnp tranzistor. Tranzistor imenujemo bipolarni zato, ker tok v bazi tranzistorja nastane kot gibanje dveh vrst nosilcev elektrin: negativnih elektronov in pozitivnih vrzeli. pnp tranzistor simbolizira puščica, ki je usmerjena proti spoju (bazi), npn pa ima ven usmerjeno puščico Elektrode tranzistorja so emitor (nožica s puščico), baza (na sredi med emitorjem in kolektorjem) in kolektor. Emitor in kolektor sta istovrstna polprevodnika (oba p-tipa ali n-tipa). Vmesno plast predstavlja baza, ki je debela le nekaj m in je drugega tipa.

7 7 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Tranzistor si lahko predstavljamo kot združitev dveh diod, ki pa ustvari povsem nove razmere ob priključitvi na napetost. Z ohmmetrom lahko preverimo tranzistor na osnovno funkcijo "dober-slab" podobno kot bi preverjali diode. Tranzistor deluje normalno tako, da je spoj emitor-baza polariziran v prevajanje, spoj kolektor-baza pa v zaporo. npn tranzistor je priključen tako, da je na bazi pozitiven potencial glede na emitor, na kolektorju pa pozitiven glede na bazo. Padec napetosti U BE je tako kot pri diodi od 0,6 V do 0,8 V. Polariteta priključene napetosti pri pnp tranzistorju je nasprotna v primerjavi s priključitvijo npn tranzistorja pnp in pnp tranzistor se med seboj razlikujeta le po polariteti priključenih napetosti. Na sliki je lepo vidno, da z majhnim baznim tokom krmilimo velik kolektorski tok. Prikazan je tok v pnp tranzistorju. Večinski nosilci, ki so pri pnp tranzistorju vrzeli, tečejo pri taki priključitvi napetosti kot je na sliki, iz emitorja v bazo (prevodna smer!). Emitor imenujemo zato, ker emitira (oddaja) nosilce elektrin. Baza je zelo tanka, zato večina nosilcev elektrin (95-99,8%) nadaljuje pot v kolektor (ki zbira nosilce elektrin), kamor jih posesa visoka napetost, ki je priključena na kolektor.

8 8 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Bazni tok I B, ki nastopa kot krmilni tok, se na ta način velikokrat ojača in tako nastane kolektorski tok I C. Pravimo, da relativno velik kolektorski tok krmilimo z majhnim baznim tokom. Tranzistor torej ojačuje - v tem primeru tok. Ko se bazni tok spreminja, mu sledi tudi spreminjanje kolektorskega toka, le da je ta sprememba za faktor ojačenja večja. Lahko si predstavljamo, da s spreminjanjem baznega toka vplivamo na spremembo upornosti na progi med kolektorjem in emitorjem. Značilen podatek tranzistorja je statično tokovno ojačenje, ki predstavlja razmerje med I C in I B : I C β = I B Ojačenje, ki je tipično okrog 100, pa znaša pri močnostnih tranzistorjih (za velike moči) od 10 do 40, pri tranzistorjih z I C < 1A pa od 50 do 800. Tranzistorje uporabljamo na dva načina: za linearno ojačevanje signalov s čim manj popačenja izhodnega signala v primerjavi z vhodnim. To je mogoče doseči, če tranzistor uporabljamo v linearnem delu karakteristike. To dosežemo z nastavitvijo delovne točke tako, da tranzistor tudi ni nikoli popolnoma odprt ali pa popolnoma zaprt. kot elektronsko stikalo, kjer z majhnim tokom preklapljamo velik tok. V tem primeru pa je tranzistor uporabljen v dveh skrajnih delovnih položajih, bodisi, da je popolnoma odprt ali pa poplnoma zaprt (le v času preklopa se nahaja med tema položajema) Tranzistor je navadno priključen v vezje tako, da ga krmilimo na bazi, elektroda, ki je skupna vhodnemu in izhodnemu tokorogu, pa je emitor. Govorimo o orientaciji s skupnim emitorjem. Glavni značilnosti vezave s skupnim emitorjem sta: veliko napetostno ojačenje signalov (izhodna napetost v primerjavi z napetostjo na vhodu) veliko tokovno ojačevanje signalov (izhodni tok v primerjavi s tokom na vhodu)

9 9 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc V spodnji tabeli so prikazane lastnosti različnih vezav glede na orientacijo tranzistorja (skupno elektrodo) Vidimo, da ima vsaka vezava svoje značilnosti glede: ojačenja napetosti ojačenja toka ojačenja moči vhodne upornosti vezja izhodne upornosti vezja Način vezave izbiramo glede na uporabo. Tako je npr. za močnostne ojačevalnike primerna vezava s skupnim emitorjem, ker ima veliko ojačenje moči.

10 Tranzistor kot stikalo 10 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Če tranzistor močno krmilimo v prevajanje (velik bazni tok), se zelo zmanjša njegova upornost na progi kolektor- emitor. Tako lahko tranzistor deluje kot stikalo. To pomeni, da tranzistor deluje le v dveh skrajnih točkah delovanja: ali je popolnoma zaprt ali pa popolnoma odprt. Na ta način uporabljamo tranzistor v logičnih vezjih, kjer informacijo obdelujemo s stanjema: visoka in nizka napetost. Na tranzistorju, ki ga uporabljamo kot stikalo, se sprošča največja moč v času preklopa, kar pa traja le kratek čas. Ko pa v bazo teče velik tok, je tranzistor popolnoma odprt in na njem je majhen padec napetosti (U CE < 0,5V). Tako se tudi pri velikem toku Ic na njem sprošča malo moči ( P = U CE I C ). Ko pa v bazo ne teče tok, je tranzistor zaprt. Produkt U CE in I C je spet majhen, saj ni toka Ic. Vsi parametri tako glede toka, napetosti in moči so pri tranzistorju omejeni z maksimalnimi vrednostmi, ki jih ne smemo preseči, sicer se tranzistor trajno poškoduje. Pogosto pride do uničenja tranzistorja zaradi prevelike moči, ki se sprošča na njem, zato moramo izbrati tako ohišje tranzistorja, ki je sposobno odvajati moč, ki se sprošča na tranzistorju med delovanjem. Različne oblike ohišij tranzistorjev imajo tudi različno razporejene priključke. Razporeditev priključkov in druge parametre tranzistorja razberemo iz kataloga proizvajalca. Za večje moči je treba tranzistor hladiti s posebnimi za to prirejenimi hladilnimi telesi-hladilniki. Prikaz tehnologije izdelave npn tranzistorja.

11 11 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Tranzistorji na poljski efekt - FET tranzistorji (Field Effect Transistor) FET tranzistorji so unipolarni tranzistorji, kajti pri njih so nosilci toka le večinski naboji v kanalu, ki ga predstavlja proga med izvorom S (source) in ponorom D (drain). Nosilci naboja potujejo med izvorom in ponorom (pri n-kanalu so to elektroni, pri p-kanalu pa vrzeli), zato teče tok med izvorom in ponorom pri p-tipu kanala, pri n-tipu kanala pa v obratni smeri. Velikost toka v kanalu krmilimo z napetostjo na vratih G (gate) U GS, ki vpliva na širino prevodnega kanala (spreminjamo širino zaporne plasti p-n spoja) in s tem na njegovo upornost. Čim manjša je upornost, tem bolj je kanal odprt in tem večji tok teče med izvorom in ponorom. Pri FET tranzistorjih krmilimo kanal med izvorom S (source) in ponorom D (drain) s krmilno elektrodo, ki jo imenujemo vrata G (gate) Spodnja slika prikazuje delitev FET tranzistorjev glede na različne tehnologije, simbol tranzistorja, krmilno napetost med vrati in izvorom in tok skozi kanal v odvisnosti od krmilne napetosti U GS in napetosti med izvorom in ponorom:

12 12 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Za vse FET tranzistorje je značilno, da imajo krmilno elektrodo ločeno od prevodnega kanala: pri spojnih FET tranzistorjih JGFET(Junction Gate FET) je ločena s p-n prehodom, ki je polariziran v zaporni smeri pri MOS-FET tranzistorjih je krmilna elektroda ločena z izolirno plastjo Oba načina zagotavljata visoko vhodno upornost na vratih tranzistorja. MOS-FET tranzistorji (Metal Oxide Semiconductor) MOS-FET tranzistorji so izpopolnjena verzija FET tranzistorjev. Zanje je značilno, da so vrata izolirana od kanala s plastjo SiO 2, ki je izolator. Kanal je lahko vgrajen (prisotni prosti nosilci elektrin) in je že prevoden, čeprav ni prisotna krmilna napetost U GS. S krmiljenjem U GS napetosti pa kanal siromašimo, dokler se popolnoma ne zadrgne in ni več prevoden. Pri izvedbi MOSFET tranzistorjev z induciranim kanalom pa kanal ni prevoden, če ni krmilne napetost. Šele krmilna napetost inducira proste nosilce elektrin-obogati kanal, ki tako postane prevoden. MOSFET z vgrajenim kanalom MOSFET z induciranim kanalom Prednost izvedbe MOSFET tranzistorjev z izoliranimi krmilnimi elektrodami je, da je krmiljenje napetostno, za kar ne porabljamo moči. Vhodna upornost je tako zelo visoka. Bipolarni tranzistor pa je tokovno krmiljen, zato za krmiljenje rabi določeno, čeprav majhno moč.

13 Česa ne bomo pozabili v zvezi s tranzistorji 13 polprevodniki_tranzistorji_3_0.doc Tranzistorji so aktivni elementi. To pomeni, da so ojačevalni elementi, pri katerih ima izhodni signal večjo moč od moči vhodnega signala. Dodatno moč, ki je pri tem potrebna, dovedemo z zunanjim generatorjem, ki predstavlja izvor moči. Ločimo bipolarne (npn in pnp) tranzistorje, ki jih krmilimo s tokom na krmilni elektrodi in unipolarne tranzistorje (JFET, MOSFET), ki jih zaradi velike vhodne upornosti krmilimo z napetostjo, zato je za krmiljenje potrebna neznatna moč. Tranzistor ne deluje, če nima priključene napetosti na vhodu in izvora napetosti na izhodu (torej so priključene vse nožice). npn tranzistor bo priključen pravilno, če bo kolektor bolj pozitiven od emitorja (za pnp velja obratno!) Vsak tranzistor ima določene maksimalne vrednosti za I C, I B in U CE, ki jih ne smemo preseči. Preseči tudi ne smemo moči, ki se sprošča na tranzistorju, ki jo določa produkt U CE I C. Tok skozi kolektor I C je -krat večji od toka v bazo: I C = β I B (faktor tokovega ojačanja je tipično okrog 100). Pravimo, da je tranzistor zaprt, če je upornost med C in E tako velika, da med C in E ne more teči tok. Ko se tranzistor odpira, se upornost med C in E zmanjšuje, zato se tok na tej progi povečuje. Ko je tranzistor popolnoma odprt, je upornost med C in E zelo majhna. Da tok I C preveč ne naraste, ga omejimo z uporom v veji kolektorja. Če si predstavljamo, da med C in E teče tok, ki na upornosti med C in E povzroča padec napetosti, lahko zaključimo: - ko je tranzistor zaprt, je zaradi velike upornosti padec napetosti U CE med C in E zelo velik; - ko pa se tranzistor odpre, je zaradi majhne upornosti, padec napetosti U CE majhen (tipično od 0,1 V do 1 V). Tranzistor odpiramo in zapiramo tako, da spreminjamo napetost med B in E oz. tok I B. Ker je med B in E pn spoj, je napetost za odprtje tranzistorja 0,6 do 0,8V. Tranzistorje uporabljamo predvsem za ojačevanje signalov. V digitalni tehniki jih uporabljamo le v dveh skrajnih stanjih: - ko so popolnoma zaprti in skoznje ne teče tok, zato je med C in E maksimalna napetost (logična 1) - ko so popolnoma odprti in skoznje teče največji tok, zato je med C in E minimalna napetost (logična 0)