2.1 Purtători de sarcină în semiconductoare Conductoare, izolatoare, semiconductoare

Transcript

1 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE 2. SEMICODUCTOARE 2.1 Purtător de srcnă în semconductore Conductore, zoltore, semconductore Dn punctul de vedere l propretăţ corpurlor solde de f străbătute de curent electrc sub cţune une tensun electrce contnue plcte dn exteror, ceste se împrt în tre mr ctegor: - conductore (metlele); - semconductore; - zoltore. După cum s- rătt nteror, în metle întâlnm o structură crstlnă, unde în nodurle reţele crstlne se găsesc plsţ on poztv, în tmp ce prntre nodur se mşcă lber ş hotc electron. Aprţ electronlor lber se explcă prn forţ de legătură forte slbă electronlor de vlenţă. Concentrţ electronlor lber este de ordnul m -3 ş nu depnde prctc de tempertură. Rezstenţ electrcă metlelor este determntă de frecvenţ cocnrlor electronlor lber cu on poztv dn nodurle reţele. Ion sunt într-o permnentă vbrţe termcă în jurul une pozţ de echlbru. Cu creştere tempertur, mpltudne osclţlor creşte, cee ce frâneză mşcre de nsmblu electronlor lber sub cţune unu câmp electrc exteror. Aş se explcă creştere rezstenţe (rezstvtăţ) metlelor cu tempertur. Dn punct de vedere l conductvtăţ σ (σ = 1/ρ), metlele înregstreză vlor forte mr, σ m [10 6, 10 8 ] Ω -1 m -1. Exstă ş o ctegore de mterle, numte zoltore, pentru cre conductvtte este extrem de mcă, σ [10-12,10-20 ] Ω -1 m -1. Electron de vlenţă tomlor cestor mterle sunt forte puternc legţ de tom. Izoltorele nu conduc curentul electrc deorece în nterorul lor, prctc, nu exstă purtător lber de srcnă electrcă. Aceste mterle, cum r f mc, mterle plstce, stcl, cermc, mrmur, hârt, cucucul etc. sunt forte foloste în electrotehncă în generl pentru relz dferte zolţ electrce. 24

2 2. SEMICODUCTOARE Între metle ş zoltore, dn punct de vedere l conductvtăţ, se plseză semconductorele, pentru cre σ s [10 4, 10-8 ] Ω -1 m -1. Spre deosebre de metle, l semconductore, conductvtte creşte puternc cu tempertur (bsolută), ş cum se ndcă în fg L tempertur forte coborâte, σ semconductorele sunt zoltore, r l tempertur rdcte sunt conductore destul de bune. În ctegor semconductorelor ntră o mre vrette de substnţe: oxz, compuş, elemente chmce c slcul, germnul, selenul, etc. În dspoztvele electronce semconductore, cele m utlzte mterle sunt crstlele elementelor tetrvlente Ge ş S ş unor compuş T ntermetlc, îndeoseb GAs (rsenură de glu). În czul semconductorelor, electron de vlenţă sunt legţ de tom Fg. 2.1 Vrţ cu tempertur conductvtăţ semconductorelor m slb decât l mterlele zoltore. Aceste legătur pot f rupte dcă electron prmesc o energe sufcentă devennd stfel electron lber. Pentru trecere electronlor dn stdul de electron legţ de tom în stre de electron lber, trebue trnsmsă o energe mnmă W, numtă energe de ctvre. Pentru semconductore, energ de ctvre se plseză în domenul 0,025 3 ev. Fecre mterl semconductor în prte este crcterzt de o numtă vlore energe de ctvre. Astfel, pentru Ge vem W = 0,72 ev, pentru S, W = 1,1 ev, etc. Folosnd celş crteru, l energe de ctvre, putem constt că l metle, W = 0, r l zoltor, W = 3 10 ev. Energ de ctvre l metle fnd nulă, l orce tempertură numărul electronlor lber este celş. În czul zoltorelor, energ de ctvre fnd forte mre, prn încălzre, prctc nu pr purtător lber. Dtortă vlorlor mc, energ de ctvre pote f trnsmsă electronlor de vlenţă dn mterlele semconductore de energ de gtţe termcă onlor reţele crstlne. Spre deosebre de metle, cu creştere tempertur în semconductore creşte numărul electronlor lber. De exemplu, l S pur, concentrţ electronlor lber creşte de l m -3 (l tempertur cmere) până l m -3, l tempertur de 700 C (lege 3/2). 25

3 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE Purtător de srcnă în semconductore. Semconductore ntrnsec L semconductore este crcterstc fptul că l conducţe prtcpă pe lângă electron lber (de conducţe) ş electron de vlenţă, rămş legţ de tom dn reţeu crstlnă. Pentru înţelegere cestu tp de conducţe nlzăm comportre electronlor dntr-un crstl de germnu. Atomul de germnu re ptru electron de vlenţă. În reţeu crstlulu de germnu, fecre tom este înconjurt echdstnt de ptru tom. Fecre electron de vlenţă l unu tom formeză o pereche cu un electron de vlenţă dn tomul vecn. Electron devn comun mblor tom. Acest tp de legătură, crcterztă prn punere în comun electronlor de vlenţă între tom vecn, se numeşte legătură covlentă. În fg. 2.2 se reprezntă modelul spţl l legăturlor unu tom de germnu dn reţeu crstlnă, r în fg. 2.2 b modelul pln (smplfct) l legăturlor covlente dntre tom de germnu. 26 Fg. 2.2 ) Modelul spţl l legăturlor unu tom dntr-un crstl de germnu pur; b) Legăturle covlente le crstlulu de germnu pur (reprezentre smplfctă în pln modelulu spţl) Stre legăturlor dn fg. 2.2 corespunde temperturlor forte scăzute, când crstlul se comportă c un zoltor prope perfect. L tempertur m înlte, dtortă crcterulu fluctunt l energe de gtţe termcă, o prte dn electron dn legăturle covlente pot deven electron lber, prmnd o energe (cel puţn) eglă cu energ de ctvre. Electron elberţ dn tom neutr lsă în locurle pe cre le părăsesc ''golur'', dcă legătur covlente nestsfăcute. Sub cţune unu câmp electrc exteror, electron dn unele legătur covlente le tomlor vecn b

4 2. SEMICODUCTOARE pot ''umple'' ceste ''golur''. C urmre, în tom de unde u plect rămân lte ''golur''. După prţ unu ''gol'', un electron dntr-un tom vecn îl umple, lăsând în urm lu lt gol. Prn urmre, re loc o deplsre electronulu legt (de vlenţă) într-un sens ş golulu în sens contrr. În cest fel, golurle se comportă c nşte prtcule fctve, cu srcnă poztvă e ş msă m p, cre se deplseză prn crstl ş contrbue, lătur de electron lber, l conducţ electrcă. Mşcre electronlor lber, elberţ dn legăturle covlente, se pote reprezent prntr-o mşcre clscă, supusă leglor mecnc newtonene, sub cţune forţelor externe (câmpur electrce exterore), une prtcule fctve, numtă electron de conducţe. Acest re srcn electrcă -e ş o msă m n. În m n se nclude efectul câmpulu electrc perodc, dtort onlor reţele crstlne, electronul fnd supus dor forţelor externe, mcroscopce. In concluze, în semconductore prtcpă l conducţe două tpur de purtător de srcnă moblă: electron (negtv) ş golurle (poztve). Într-un semconductor pur, l echlbru termc, purtător mobl pr num prn generre termcă perechlor electron-gol. În cest fel, vor rezult tot tâţ electron de conducţe câte golur. Semconductorul în cre concentrţ de electron este eglă cu ce de golur se numeşte semconductor ntrnsec, r concentrţ respectvă n, concentrţ ntrnsecă: n 0 = p 0 = n (2.1) unde n 0 ş p 0 reprezntă concentrţle de electron, respectv de golur, în semconductorul pur, l echlbru termc. Pentru o tempertură dtă, n 0 ş p 0 sunt mărm constnte cre depnd de ntur semconductorulu pur respectv. 2.2 Semconductore cu mpurtăţ. Conductvtte electrcă unu semconductor cu mpurtăţ Semconductore cu mpurtăţ Tpul conducţe electrce ntr-un semconductor pote f determnt ş de prezenţ ş de ntur tomlor străn (mpurtăţ) în reţeu s crstlnă. Procesul (tehnologc) de mpurfcre unu semconductor se numeşte dopre (su dotre). velele normle de dopre sunt forte mc, de ordnul un tom de mpurtte l tom de semconductor dn crstl. 27

5 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE În reţeu crstlnă se pot ntroduce două tpur de mpurtăţ: ) dcă în crstlul de germnu se ntroduc tom pentvlenţ (de exemplu, rsenu), num 4 dn ce 5 electron de vlenţă se legă covlent cu tom vecn de germnu, r cel de-l cncle se desprnde de tomul de mpurtte ş electron devne electron lber (fg. 2.3). Pentru c Ge Ge lber el să devnă electron de conducţe, este sufcentă o energe în jur de 0,01 ev, l Ge, respectv 0,05 ev, l S, cpblă să-l As desprndă de tom. L tempertur cmere, prctc toţ ceşt 5-le electron devn electron de conducţe. Electronul cedt nu lsă însă o legătură Ge Ge nestsfăcută; tomul de rsenu (As) devne on poztv (devennd purtător de srcnă mobl). Impurtăţle pentvlente Fg. 2.3 Legăturle covlente în creeză dec, în reţeu crstlnă crstlul de germnu, în cre un tom germnulu un sngur fel de purtător de germnu fost înlocut cu un tom mobl de srcnă: electron. Impurtăţle de mpurtte pentvlent (rsenu) cre permt stfel de cedăr de electron lber se numesc donor, r semconductorul cu tom de mpurtte donor se numeşte semconductor extrnsec de tp n (negtv). În semconductorul extrnsec de tp n, n n0 reprezntă concentrţ totlă de electron lber l echlbru termc, provenţ tât de l tom de mpurtte, cât ş dtortă gtţe termce reţele, cre genereză perech electron-gol. În cest cz, n n0 >>p 0 ş semconductorul re conductvtte electrcă mult m mre decât conductvtte celuş semconductor în stre pură. Deorece conducţ în cest cz se fce în prncpl cu electron, e se numeşte conducţe de tp n. În semconductorul de tp n, electron sunt purtător mjortr, r golurle sunt purtător mnortr. De exemplu, l 20 ºC, pentru Ge pur conductvtte re vlore σ = 2,2 Ω -1 m -1, r Ge de tp n re σ = 10 2 Ω -1 m -1. Conductvtte semconductorulu este cu tât m mre cu cât concentrţ purtătorlor de srcnă lber este m mre. b) În crstlul de germnu se pot ntroduce mpurtăţ formte dn tom trvlenţ (ndu, glu, bor, lumnu). Ş în cest cz tom de mpurtte vor ocup în reţe locul unor tom de germnu, vând însă fecre câte o legătură covlentă nestsfăcută. Atomul trvlent de bor - de exemplu, re lpsă un electron 28

6 2. SEMICODUCTOARE de legătură (fg. 2.4). Atomul de bor pote ccept un electron provennd de l o legătură Ge - Ge unu tom vecn. Apre un gol cre tnde să se completeze prn trgere unu electron de vlenţă de l un lt tom de germnu vecn. Astfel, în reţeu semconductorulu se formeză un număr de golur egl cu numărul tomlor de mpurtte. Atom de mpurtte devn on negtv (fcş) ş portă denumre de cceptor. Purtător de srcnă mobl mjortr sunt în cest cz golurle r purtător mobl de srcnă mnortr sunt electron lber provenţ dn generre de perech electron-gol, pe sem fluctuţe energe de gtţe termcă reţele. Dec, n p0 >> n 0 ş vem conducţe de tp p. Ge Ge B Ge Ge gol electron împrumutt de l tom de Ge vecn Fg. 2.4 Formre golurlor în crstlul de germnu extrnsec dott cu tom de bor Conductbltte semconductorelor ş structur benzlor energetce Conform teore cuntce, tât în strtul de vlenţă cât ş în cel de conducţe, electron sunt crcterzţ de vlor cuntfcte (dscontnue) le energe. velele energetce (posble) le electronlor de vlenţă se grupeză în bnd de vlenţă, r electronlor lber în bnd de conducţe. Cele două benz sunt seprte de bnd nterzsă. Se cunoşte că pentru semconductorul ntrnsec, pur dn punct de vedere chmc, l o numtă energe prmtă dn exteror, un număr de electron dn strtul de vlenţă părăsesc tom respectv, devennd electron lber ce prtcpă l procese de conducţe. Aportul energetc exteror necesr este egl cu înălţme W benz nterzse. În fg. 2.5 se prezntă structur benzlor energetce în czul unu semconductor ntrnsec. Atunc când un electron de vlenţă prmeşte energe dn exteror, el pote rupe legătur covlentă, devennd electron lber. Prn cest proces pre ş golul, cre 29

7 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE prtcpă l conducţe c purtător de srcnă poztvă. C urmre, electronul lber este un purtător l căru nvel energetc corespunde benz de conducţe, pe când golul este un purtător poztv, l căru nvel energetc corespunde benz de vlenţă. W W Bnd de conducţe Bnd nterzsă Bnd de vlenţă Fg. 2.5 Structur benzlor energetce l un semconductor ntrnsec Când un electron părăseşte tomul, devennd electron lber, spunem că se genereză o pereche electron - gol. Întrun semconductor ntrnsec re loc un proces contnuu de generre perechlor electron - gol, căru ntenstte depnde de energ prmtă de semconductor, dn exteror. Smultn, re loc ş un proces nvers, de recombnre electron - gol, rezultând tom neutr. Un semconductor supr căru nu cţoneză genţ exteror cum r f: câmp electromgnetc, rdţ cu prtcule su electromgnetce, se spune că se flă l echlbru termc. În cest cz, concentrţle de electron ş golur generţ prn mecnsm ntrnsec, depnd de tempertur bsolută: n = p = A T 3 / 2 W exp 2kT (2.2) unde n, p sunt concentrţle de electron ş golur în semconductorul ntrnsec, T - tempertur bsolută, k - constnt lu Boltzmnn, W - lăţme benz nterzse, A - constntă, - ndce cre rtă că procesul se referă l semconductor ntrnsec. Dcă în semconductor pre un câmp electrc, electron se vor mşc în sens nvers câmpulu, r golurle în sensul lnlor de câmp. Se formeză un curent de electron n, respectv de golur p, mb în celş sens (l lnlor de câmp). Curentul totl de conducţe prn semconductor este egl cu sum celor do curenţ. Componentele curentulu de conducţe nu sunt egle ( n > p ), deorece mobltăţle celor două tpur de purtător nu sunt egle. 30

8 Anlz folosnd structur de benz se plcă ş l semconductorele extrnsec. În czul semconductorelor dopte cu mpurtăţ pentvlente (donore), mpurtăţle ntroduc un nvel energetc în bnd nterzsă semconductorulu, numt nvel donor, stut forte prope de bnd de conducţe, c în fg Cum vlore W d este forte mcă (0,01 0,05) ev l temperturle mbnte obşnute, prctc toţ tom donor furnzeză câte un electron lber, electron devennd stfel purtător mjortr. În czul semconductorulu dopt cu mpurtăţ trvlente, ceste ntroduc în bnd nterzsă un nvel cceptor, forte prope de bnd de vlenţă, c în fg C urmre, l tempertur mbntă, prctc toţ tom cceptor cpteză câte un electron, cre prmt o energe W << W d, formându-se un număr de golur egl cu numărul de tom cceptor. Dec, golurle devn în cest cz purtător mjortr, r electron devn purtător mnortr. W d W 2. SEMICODUCTOARE Bnd de conducţe vel donor Bnd de vlenţă Fg. 2.6 Structur benzlor energetce l un semconductor extrnsec cu mpurtăţ donore W W Bnd de conducţe vel cceptor Bnd de vlenţă Fg. 2.7 Structur benzlor energetce l un semconductor extrnsec cu mpurtăţ cceptore 31

9 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE 2.3 Joncţune p n p n Procese fzce în joncţune p-n b c d e f d p p n n ρ E V - U 0 Fg. 2.8 Joncţune p-n. ) structur joncţun; b) dstrbuţ concentrţe de mpurtăţ; c) dstrbuţ concentrţe purtătorlor mjortr; d) dstrbuţ srcn spţle; e) dstrbuţ ntenstăţ câmpulu electrc ntern l regun de trecere; f) dstrbuţ potenţlulu 32 x x x x x x x Dcă într-un semconductor se relzeză, prn procedee specle, o zonă p ş o zonă n, stfel c trecere de l o zonă l celltă să se fcă pe o dstnţă forte mcă (de regulă, sub 10-5 mm), se obţne o joncţune p - n (fg. 2.8). otând cu concentrţ tomlor cceptor ş cu d concentrţ tomlor donor, în fg. 2.8 b se prezntă dstrbuţ concentrţe mpurtăţlor, în czul del, când trecere de l regune p l regune n se fce brusc (joncţune bruptă). De obce, concentrţle mpurtăţlor în cele două zone nu sunt egle ( > d ), joncţune numnduse în cest cz smetrcă. Procesele fzce cre u loc în joncţune p - n u o mportnţă deosebtă în funcţonre celor m multe dspoztve semconductore. În cel m smplu cz, joncţune p - n pote f utlztă l relzre dodelor semconductore. În vecnătte suprfeţe de seprţe zonelor p ş n exstă o vrţe puterncă concentrţe purtătorlor mjortr. Dferenţele de concentrţ le golurlor ş electronlor determnă dfuz purtătorlor mjortr dntr-o zonă în lt: golurle tnd să dfuzeze dn zon n r electron în zon p. Dtortă procesulu de dfuze, cât ş dtortă recombnăr purtătorlor mjortr cu ce dfuzţ, în vecnătte suprfeţe de seprţe re loc o mcşorre substnţlă concentrţe purtătorlor mjortr (fg. 2.8 c). În consecnţă, srcn onlor mobl

10 2. SEMICODUCTOARE mpurtăţlor rămâne necompenstă de srcn purtătorlor mjortr, conducând l prţ în vecnătte suprfeţe de seprţe, une srcn spţle fxtă în reţeu crstlnă. Srcn spţlă este formtă dn on negtv de mpurtăţ cceptore, în zon p ş de on poztv de mpurtăţ donore, în regune n (fg. 2.8 d). Regune în cre pre srcn spţlă, dn vecnătte suprfeţe de seprre se numeşte regune de trecere. Celellte zone, fără srcnă spţlă, se numesc regun neutre. Srcn spţlă produce un câmp electrc ntern l regun de trecere, cre se opune dfuze purtătorlor mjortr (fg. 2.8 e). Prezenţ câmpulu electrc duce l prţ unu potenţl, căru dstrbuţe este precztă în fg. 2.8 f. Se consttă prţ une brere de potenţl în regune de trecere cre se v opune dfuze purtătorlor mjortr. n cest cz v exst totuş un curent de dfuze d = pm nm, unde pm ş nm sunt componentele curenţlor de golur, respectv de electron, produş de ce purtător mjortr cre u o energe sufcent de mre pentru învnge brer de potenţl U 0 dn regune de trecere. Cum brer de potenţl este mre, curentul de dfuze d este forte mc. Câmpul ntern l joncţun ntreneză dntr-o zonă în lt purtător mnortr, formând un curent de conducţe, c = pm nm, unde pm ş nm sunt componentele curenţlor de golur, respectv de electron (purtător mnortr). În regmul de echlbru termc l une joncţun nepolrzte, curentul de dfuze d este egl ş de sens contrr cu curentul de conducţe c, stfel încât curentul rezultnt prn joncţune este nul (fg. 2.9 ). p V pm nm pm nm U 0 n U 0 u >0 p V pm nm u - u pm n nm U 0 u <0 p V pm nm - u pm nm u n b c Fg. 2.9 Polrzre joncţun p n; ) joncţune p n nepolrztă; b) joncţune p n polrztă drect; c) joncţune p n polrztă nvers Presupunem că joncţune p-n este prevăzută cu două contcte lterle metlce (fg. 2.9), cre permt conectre dspoztvulu în crcut. Cu tote că exstă o 33

11 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE dferenţă de potenţl între zonele p ş n, reprezentând brer de potenţl U 0, tensune l bornele dspoztvulu, în gol, este eglă cu zero. Acest se explcă prn exstenţ în crcut două contcte metl - semconductor, cre produc potenţle de contct, stfel încât tensune rezultntă între termnle este eglă cu zero. Dcă se plcă l bornele joncţun p-n o tensune u cu polrtte dn fg. 2.9 b, câmpul electrc exteror dmnueză ntenstte câmpulu electrc dn regune de trecere ş c urmre brer de potenţl scde de l vlore U 0 l vlore U 0 - u. Curentul de dfuze creşte ş pote tnge vlor forte mr, în tmp ce curentul de conducţe se modfcă puţn. Curentul prn joncţune este egl cu curentul de dfuze, formt dn purtător mjortr, reprezentând curentul drect l joncţun. Aplcând o tensune u < 0, dcă cu polrtte plus pe born n, câmpul electrc dn regune de trecere este întărt de câmpul electrc plct dn exteror. Brer de potenţl creşte de l U 0 l U 0 u. Curentul de dfuze scde prctc l zero. Prn joncţune v crcul curentul de purtător mnortr (de conducţe) c. C vlore, cest curent este forte mc ş reprezntă curentul nvers l joncţun p-n. p n Pentru stblre unor propretăţ le regun de trecere, esenţle pentru ρ înţelegere funcţonăr dspoztvelor semconductore, se foloseşte un model b x smplfct l joncţun, obţnut în potez că denstăţle de srcnă spţlă, dn regune - de trecere, sunt constnte în cele două zone (fg. 2.10). E E m În fg s- nott cu L n lăţme regun de trecere în zon n ş cu L c x p lăţme regun de trecere în zon p. V Se pote deduce lărgme regun de trecere joncţun, conform relţe: d U 0 x 34 -L p L n Fg Model smplfct l joncţun p-n. ) structur joncţun; b) dstrbuţ srcn spţle; c) dstrbuţ ntenstăţ câmpulu electrc; d) dstrbuţ potenţlulu L = L p = L n = εu 2 0 e 1 1 d unde: ε - permtvtte mterlulu; e - srcn electrcă elementră; (2.3)

12 2. SEMICODUCTOARE U 0 - brer de potenţl;, d - concentrţle de mpurtăţ cceptore, respectv donore. În czul în cre joncţun se plcă o tensune u, lăţme regun de trecere devne: L = L p = L n = ( U u ) 2ε 0 0 e 1 1 d (2.4) Pe bz cestu model se pot deduce următorele propretăţ mportnte le regun de trecere: - regune de trecere se comportă c un delectrc dtortă concentrţe scăzute purtătorlor; - extndere regun de trecere în zonele p ş n este nvers proporţonlă cu concentrţ mpurtăţlor în zonele respectve; - lărgme regun de trecere creşte odtă cu tensune nversă plctă joncţun Crcterstc sttcă joncţun p-n. Punctul sttc de funcţonre Fe o joncţune p-n utlztă c dodă semconductore (fg. 2.11). Electrodul cu potenţl poztv în tmpul conducţe se numeşte nod, r celăllt electrod se numeşte ctod. [ma] b p A C n 30 [µa] Fg Dod semconductore Fg Crcterstc sttcă ) structură; b) smbolzre dode semconductore Crcterstc sttcă dode semconductore reprezntă dependenţ curentulu prn dodă, numt curent nodc de tensune dntre nod ş ctod, numtă tensune nodcă. U str ,3 0,2 0, u [V] 0,4 0,8 1,2 35

13 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE În fg se prezntă crcterstc sttcă dode semconductore, pentru cre s-u doptt scăr dferte pe semxe. În cdrnul I se prezntă crcterstc drectă, unde tensune nodcă re vlor forte mc (0,2,, 0,5V) l Ge ş (0,6,, 0,9V) l S, r curentul pote ve vlor mr. În cdrnul III se reprezntă rmur de polrzre nversă, în cre tensunle plcte dode pot ve vlor mr, dr curentul prn dodă este prctc constnt ş forte mc. Crcterstc teoretcă une dode este de form: eu = IS exp 1 (2.5) kt unde: u - tensune plctă l borne; e - srcn electrcă elementră; k - constnt lu Boltzmnn; T - tempertur bsolută; I S - curent de sturţe, dependent de concentrţle purtătorlor mnortr. kt Fctorul e T = se exprmă dmensonl în volţ ş se numeşte tensune e termcă (e T = 26 mv l T = 300 K). Pentru tensun nverse mr (fţă de e T ), exp eu k T << 1 ş I S. L polrzăr drecte, dcă U > e T ş eu exp >> 1, k T se obţne ecuţ: 36 eu I S exp (2.6) kt L tensun nverse mr se consttă o creştere mportntă curentulu nvers prn dodă, dtort multplcăr în vlnşă purtătorlor de srcnă. Sub cţune câmpulu electrc rezultt prn plcre tensun l borne, purtător de srcnă sunt ccelerţ, putând produce onzăr, respectv generăr de perech electron - gol, dtortă cocnrlor neelstce. Purtător rezultţ sunt l rândul lor ccelerţ ş pot gener no perech electron - gol prn lte cocnr neelstce. Tempertur joncţun p-n nfluenţeză substnţl curentul prn dodă, în sensul creşter, tât l conducţ drectă, dr în specl l polrzre nversă (fg. 2.13).

14 Se consderă un crcut electrc formt dntr-o dodă însertă cu o rezstenţă R ş cu o sursă de t.e.m E (fg. 2.14). Dându-se vlorle E ş R ş crcterstc sttcă dode = (u ), se cere să se determne curentul prn dodă ş tensune l borne. Pentru rezolvre probleme, se utlzeză crcterstc sttcă dode ş relţ obţnută prn plcre leg II- lu Krchhoff pe crcutul consdert. = (u ) R u = E U str 200 [A] 0,3 2. SEMICODUCTOARE 0,2 30º C 40º C 0,1 100 u [V] 0,4 0,8 1, [µa] 20º C Fg Influenţ tempertur supr crcterstc sttce dode semconductore E R R tg α = R D u 0 M α Fg Dod semconductore în crcut. ) crcutul de lmentre; b) determnre punctulu sttc de funcţonre Soluţ sstemulu consttue curentul prn dodă ş tensune l bornele sle. Cum relţ = (u ) este dtă sub formă grfcă, soluţ sstemulu se obţne pe cle grfcă (metod grfo - nltcă). Reprezentre cele de- dou ecuţ dn sstem în plnul - u portă denumre de dreptă sttcă de srcnă. Intersecţ drepte sttce de srcnă cu crcterstc dode se numeşte punct sttc de funcţonre. Coordontele cestu punct (,, u 0 ) reprezntă soluţ probleme. u 0 b E u 37

15 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE Comportre joncţun p-n în regm vrbl, l semnl mc Fe o dodă semconductore funcţonând într-un punct sttc de funcţonre M, de coordonte u 0, 0 (fg. 2.15). Dcă tensune nodcă re vrţ de josă frecvenţă în jurul vlor u 0 (mc în comprţe cu tensune termcă e T ), de form: u ( t) = u0 u ( t), tg φ = / u 0 M = 1/R curentul prn dodă este: φ ( t) = 0 ( t) unde: u 0 u Fg Regmul dnmc l joncţun p n u 0 u 1 d R = du, 1 = u R d R = du u 0 1 Vrţ (t) este determntă în funcţe de u, prn ntermedul pnte l crcterstc sttcă în punctul M, dcă: se numeşte rezstenţă nternă dode. Folosnd ecuţ dode dele: d du eu = IS exp 1, rezultă: kt e eu e eu = I S exp = I S exp 1 I kt kt kt kt S = e kt ( I ) S R d = du u0 1 = kt e I S 1 u0 = kt q I S

16 R = I S e T 0 2. SEMICODUCTOARE Atunc când vrţ u (t) tensun l bornele dode este de frecvenţă rdctă, curentul prn dodă este determnt ş de cpctăţle propr le joncţun p-n: cpctte de breră C b ş cpctte de dfuze C d. Schem echvlentă dode l vrţ mc, de frecvenţă rdctă, în jurul unu punct sttc de funcţonre este prezenttă în fg R Cpctte de breră C b C d R R C b corespunde srcn spţle cumulte în regune de trecere ş depnde de tensune u, conform relţe: b c C ' b = C b0 u 1 U 0 Fg Schem echvlentă de semnl mc dode semconductore ) schem echvlentă generlă; b) schem echvlentă l polrzre drectă; c) schem echvlentă l polrzre nversă unde C b0 este cpctte de breră joncţun nepolrzte. În fg se prezntă vrţ cpctăţ C b cu tensune plctă. C b [pf] C b, C d C b C d U nv [V] U Fg Vrţ cpctăţlor dode cu tensune plctă ) cpctte de breră; b) cpctte de breră ş de dfuze l polrzre drectă b U 39

17 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE Cpctte de dfuze corespunde efectulu cumulăr de srcnă dtortă procesulu de dfuze purtătorlor de srcnă în regunle neutre le semconductorulu. Vlore cpctăţ de dfuze C d depnde de punctul de funcţonre dode, fnd extrem de mcă tunc când joncţune este polrztă nvers (fg. 2.17). L polrzre în sens drect, rezstenţ nternă dode R este forte mcă, stfel că efectul cpctăţlor C b ş C d pote f negljt. Schem echvlentă dode l semnl mc este c în fg b. L polrzre nversă, rezstenţ R este forte mre, dec cpctte joncţun, eglă prctc cu C b, re un efect de şuntre cre pote f negljt. În cest cz, schem echvlentă de semnl mc dode rezultă c în fg c Tpur de dode semconductore În ndustre se folosesc m multe tpur de dode semconductore, dntre cre mntm: dod redresore, dod de comutţe, dod cu contct punctform, dod stblztore (Zener), dod vrcp, dod tunel, fotodod, dod electrolumnscentă, dod lser. Dodele redresore se construesc (su s-u construt) cu germnu, slcu, r l puter mc, cu selenu. Dodele de putere mede ş mre u o construcţe cre permte montre lor pe rdtore, pentru creşte suprfţ de dspre căldur. Prncpl prmetr dodelor redresore sunt: curentul medu redrest, I 0 ; curentul drect de vârf repettv, I FRM ; tensune nversă de vârf repettvă, U RRM ; tempertur mxmă joncţun, T j mx ; rezstenţ termcă, R th cre determnă trnsferul de căldură în exteror. L dodele cu slcu, curentul medu redrest pote tnge vlor de sute su chr m de mper, cu tensun nverse de vârf repettve de m de volţ, tempertur de lucru mxmă joncţun fnd de 150 ºC. L dodele cu germnu, vlorle de curent ş tensune sunt m mc ş tempertur mxmă de lucru joncţun este de 80 ºC. Dodele redresore se folosesc până l frecvenţe de cc khz, deorece l frecvenţe înlte, cpctte de breră produce un puternc efect de şuntre rezstenţe nverse ş propretăţle de redresre sunt dmnute (su chr dspr). Dod stblztore (Zener). Sunt dode cu slcu, cre utlzeză rmur crcterstc curent - tensune, corespunzătore polrzăr nverse. L o numtă tensune nversă se produce generre prn multplcre în vlnşă ş - într-o

18 2. SEMICODUCTOARE orecre măsură - prn efect Zener, perechlor electron - gol. Efectul Zener constă dn rupere unor legătur covlente ş formre perechlor electron - gol dtortă trecer prn efect tunel electronlor dn bnd de vlenţă în bnd de conducţe. În consecnţă, curentul nvers prn joncţune începe să crescă brusc, tensune l bornele dode fnd prope constntă. Dodele Zener sunt construte pentru funcţon în mod norml pe crcterstc nversă de străpungere nedstructvă. Crcterstcle dode Zener sunt prezentte în fg I Z U Z u I Z Fg Dod Zener. ) czul sensulu doptt c l dodele redresore; b) czul sensulu de refernţă nverst Prncpl prmetr dode Zener sunt: putere nomnlă, tensune nomnlă de străpungere, U Z (pentru o vlore specfcă curentulu în regune de străpungere, I Z ), rezstenţ nternă (dnmcă) în porţune de funcţonre crcterstc, coefcentul de vrţe cu tempertur tensun stblzte: b U Z u α Z 1 = U Z U T Z 0 [ C] 100 %/ Puterle dodelor stblztore tng zec de W ş tensun U Z cuprnse de l 2 până l sute de volţ. 2.5 Trnzstorul bpolr Trnzstorul c element comndt prn semnl Un dn funcţle esenţle pe cre le relzeză trnzstorul este mplfcre semnlelor electrce. Un mplfctor re structură de dport; l bornele de ntrre 41

19 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE se plcă un semnl, r l bornele de eşre, un receptor numt srcnă (rezstenţă su în generl mpednţă de srcnă) pe cre se obţne semnlul mplfct (fg ). Consderăm czul smplu, în cre mplfctorul re c srcnă o rezstenţă R ş conţne un sngur trnzstor. Anlzând crcutul dnspre bornele de eşre 2 2 mplfctorul se pote reprezent prntr-un genertor echvlent de tensune su de curent G, comndt prn semnlul de ntrre, nott generc prn x 1 (fg b) u 1 u 2 R x 1 G 2 2 R x 1 R G E b c Fg Funcţ de mplfcre trnzstorulu. ) structur de dport unu mplfctor; b) schem echvlentă cu genertor echvlent de tensune su curent; c) schem echvlentă cu sursă de lmentre Genertorul de semnl G reflectă în esenţă propretăţle de mplfcre le trnzstorulu, fără specfc un spect esenţl: mplfcre în putere se relzeză pe sem consumulu de energe de l o sursă de lmentre cre sgură funcţonre normlă trnzstorulu. Acestă sursă este menţontă în fg c, c vând t.e.m. E. Este posbl c srcn să fe prcursă num de curentul 2 produs de semnlul de ntrre, nu ş de component contnuă 0, cre sgură funcţonre normlă trnzstorulu. C urmre, cel m smplu mplfctor conţne: srcn, pe cre se obţne semnlul mplfct; trnzstorul, cre se comportă c un genertor de tensune su de curent, comndt prn semnlul de ntrre; elementele cre sgură funcţonre trnzstorulu într-un regm, unde se obţn propretăţle de mplfcre (surs E ş lte elemente). Exstă două ctegor de trnzstore: bpolre ş unpolre. În trnzstorele bpolre, mecnsmul conducţe este determnt tât de purtător mjortr, cât ş de purtător mnortr dn semconductor. Semnlul x prn cre se comndă trnzstorul bpolr într-un etj de mplfcre este un curent electrc r genertorul echvlent G este un genertor de curent. 42

20 2. SEMICODUCTOARE Structur fzcă ş funcţonre trnzstorulu bpolr Trnzstorele bpolre sunt dspoztve semconductore cu două joncţun formte prntr-o succesune de 3 zone pnp su npn (fg. 2.20). Zon dn mjloc trnzstorulu se numeşte bză (B) ş este relztă cu următorele propretăţ: este forte îngustă (de ordnul mcronlor su chr zecm de mcron) ş re o dopre cu mpurtăţ mult m mcă decât regunle lterle. O zonă extremă, cu ce m mre dopre cu mpurtăţ se numeşte emtor (E). Celltă zonă extremă se numeşte colector (C). E p n p C E n p n C B Fg Trnzstorul bpolr. ) structur pnp; b) structur npn Cele două joncţun le unu trnzstor se numesc joncţune emtorulu, respectv joncţune colectorulu. L funcţonre în regune ctvă (în cre se mnfestă propretăţle de mplfcre le trnzstorulu), joncţune emtorulu este polrztă în sens drect, r joncţune colectorulu în sens nvers. Pentru urmăr procesele fzce dn trnzstor studem trnzstorul pnp. Pentru structur npn funcţonre este smlră, nversându-se rolurle electronlor ş golurlor ş sensurle tensunlor ş curenţlor. Presupunem că se lmenteză num joncţune colectorulu (E E = 0). Prn cestă joncţune v crcul în cest cz num curentul nvers, de purtător mnortr, nott cu I CB0. Regune de trecere joncţun re o lărgme mre, dtortă prezenţe tensun de polrzre nversă E C. E se extnde mult în zon bze, deorece cest este mult m slb doptă cu mpurtăţ decât în zon colectorulu. Dcă se consderă lmentre normlă trnzstorulu (fg. 2.21), cu joncţune emtorulu polrztă în sens drect, v exst un curent de dfuze prn cestă joncţune: golurle dn emtor dfuzeză în bză, formând curentul pe, r electron dn bză dfuzeză în emtor, formând curentul nbe. Deorece concentrţ mpurtăţlor, dec ş purtătorlor mjortr, este mult m mre în emtor decât în bză, curentul de dfuze prn joncţune emtorulu v f, n ce m mre prte, curent de golur. Golurle njectte de emtor în bză, formând curentul pe l joncţun emtorulu devn în bză purtător mnortr. S- b B 43

21 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE preczt că lărgme w bze este forte mcă r regune de srcnă spţlă joncţun colectorulu se extnde mult în zon n bze. În consecnţă, golurle dfuzte în bză vor f prelute ş trnsportte în colector de către câmpul ntern dn regune de trecere joncţun colectorulu, formând curentul pec. Trnsferul prope ntegrl în colector l golurlor dfuzte în bză se numeşte efect de trnzstor. El se produce dtortă grosm forte reduse bze, precum ş dtortă extnder pronunţte, în zon bze regun de trecere joncţun colectorulu. O mcă prte dn golurle njectte în bză nu trec în colector, c se recombnă cu electron dn bză, formând curentul peb. Surs E E sgur o crculţe de electron cre u locul celor recombnţ cu golurle în bză. w E p pe n pec p C E B nbe peb I CB0 E B B C E E E B B E C C E E E C b Fg Trnzstorul pnp ) dgrm curenţlor prn trnzstor; b) smbolul trnzstorulu în crcutul de lmentre Având în vedere cele rătte, rezultă următorele relţ le curenţlor pentru trnzstorul bpolr pnp: E = pe nbe C = pec I CB0 B = peb nbe - I CB0 Însumând C cu B ş ţnând cont că: rezultă: 44 pe = pec peb

22 2. SEMICODUCTOARE C B = pec I CB0 peb nbe -I CB0 = pe nbe = E Rportul: α = pec pe se numeşte fctor sttc de mplfcre în curent ş re vlor de 0,98,, 0,998. egljând component nbe în rport cu pe deorece concentrţ purtătorlor mjortr în emtor este mult m mre decât în bză, rezultă: E = pe. Cu cestă smplfcre se obţn ecuţle uzule le curenţlor prn trnzstor: C = α E I CB0 B = (1- α ) E - I CB0 În czul trnzstorulu npn (fg. 2.22), electron mjortr dn emtor dfuzeză în zon bze. De c, electron dfuzţ, devenţ purtător mnortr, trec prn efect de trnzstor în zon colectorulu. Dec, crculţ purtătorlor se fce în mod nlog trnzstorulu pnp, cu deosebre că sensul curentulu de electron este nvers sensulu de crculţe electronlor. Polrtăţle tensunlor plcte trnzstorulu npn se nverseză fţă de trnzstorul pnp, însă în vlor bsolute, ceste tensun u celş ordn de mărme. w E n ne p nec n C E B pbe neb I CB0 E B B C E E E B B E C C E E E C b Fg Trnzstorul npn ) dgrm curenţlor prn trnzstor; b) smbolul trnzstorulu în crcutul de lmentre 45

23 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE În concluze, se pot reţne următorele specte mportnte prvnd funcţonre trnzstorulu bpolr, în regmul de lucru consdert (pentru regune ctvă de funcţonre): - tensune între emtor ş bză este mcă (zecm de volt), întrucât joncţune emtore este polrztă în sens drect; - tensune între colector ş bză re o vlore mre (volţ, zec de volţ su chr sute de volţ), deorece joncţune colectore este polrztă nvers, putând prelu tensun mr; - curentul de colector este proxmtv egl cu curentul de emtor; - întrucât curentul obţnut în ''crcutul de eşre'' l trnzstorulu (crcutul de colector) este prctc egl cu curentul dn ''crcutul de ntrre'' (crcutul bză - emtor), r tensune bză - colector este mult m mre decât tensune bză - emtor, rezultă că putere ce se pote obţne în crcutul de eşre este m mre decât putere în crcutul de ntrre, cee ce permte relzre funcţe de mplfcre în putere unu semnl Crcterstcle sttce le trnzstorulu bpolr În schemele de mplfcre, precum ş în lte crcute electronce, trnzstorul este trtt c un cudrpol ctv, vând două borne de ntrre ş două borne de eşre. Dr trnzstorul re num tre borne (termnle). Rezultă că, pentru f utlzt într-un numt crcut, de exemplu de mplfcre, este necesr c o bornă trnzstorulu să fe comună tât crcutulu de ntrre cât ş crcutulu de eşre. În funcţe de electrodul folost c bornă comună, trnzstorul re tre conexun posble (fg. 2.23): bză comună (BC), emtor comun (EC) ş colector comun (CC). E E E u EB B u CB C EC B u CE u BE E B E u BC E B C b c Fg Scheme fundmentle de conectre trnzstorulu. ) bză comună (BC); b) emtor comun (EC); c) colector comun (CC) C E C B u EC E E C 46

24 2. SEMICODUCTOARE Crcterstcle sttce le unu trnzstor exprmă legăturle dntre curenţ prn trnzstor ş tensunle plcte, în regm stţonr. Dependenţele se pot exprm nltc, însă cel m frecvent se du sub formă grfcă. Prncplele crcterstc le trnzstorelor sunt: - fml crcterstclor de eşre, cre dă dependenţ curentulu dn crcutul de eşre în funcţe de tensune l bornele de eşre ş curentul dn crcutul de ntrre (c prmetru): E = f(u E, ); - fml crcterstclor de ntrre reprezntă dependenţ curentulu dn crcutul de ntrre c funcţe de tensune de ntrre ş tensune de l bornele de eşre (c prmetru): = f'(u, u E ). Evdent, crcterstcle trnzstorulu depnd de schem de conectre. Pentru conexune bză comună (BC), cele două crcterstc reprezntă dependenţele: C = f 1 (u CB, B ) E = f 2 (u EB,u CB ) Un exemplu de crcterstc în conexune BC este dt în fg C [ma] regune de sturţe regune de blocre E = 5mA E = 4mA E = 3mA E = 2mA E = 1mA [V] u CB npn -u CB pnp E [ma] 5 u CB = u CB = 8V npn -8V pnp 2V npn -2V pnp 0,4 u EB npn -u EB pnp b Fg Crcterstcle sttce le trnzstorulu bpolr în conexune BC. ) crcterstc de eşre; b) crcterstc de ntrre În plnul crcterstclor de eşre se pot dstnge următorele regun: - regune ctvă drectă (normlă), în cre joncţune emtorulu este polrztă în sens drect, r joncţune colectorulu este polrztă în sens nvers, expres curentulu de colector fnd dtă de relţ: 0,2 47

25 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE C = α E I CB0 (pentru E > 0) - regune de blocre (de tăere), în cre joncţune emtorulu fe nu este polrztă (dec C = I CB0 ), fe este polrztă nvers, - regune de sturţe, în cre mbele joncţun sunt polrzte în sens drect, - regune ctvă nversă, în cre emtorul ş colectorul îş nverseză rolurle; joncţune colectorulu re polrzre drectă, r ce emtorulu re polrzre nversă. Anlog cu relţ pentru regune ctvă normlă, putem scre: 48 E = α I (- C ) I EB0 În cestă relţe, sensurle de refernţă le curenţlor s-u consdert cele de l regune ctvă normlă, r α I ş I EB0 u semnfcţ smlre mărmlor α ş I CB0. În mplfctorele obşnute, trnzstorul funcţoneză cel m frecvent în regune ctvă drectă (normlă) crcterstclor sttce. Ac crcterstcle sunt prctc drepte echdstnte, vând o înclnre forte mcă fţă de orzontlă, înclnre dtortă creşter fctorulu α cu tensune de lmentre u CB. Efectul se dtoreză îngustăr zone neutre, c urmre lărgr regun de srcnă spţlă joncţun colectorulu l creştere tensun nverse u CB. Intr-o sere de crcute electronce, cum sunt cele de comutţe sttcă, trnzstorul funcţoneză în regunle de blocre, de sturţe ş chr cu lmentre nverstă. Pentru reprezentre completă crcterstclor trnzstorulu bpolr, se du uneor, într-o dgrmă cu ptru cdrne, ptru fml de crcterstc. Pe lângă cele două fml dej prezentte (cele de eşre ş cele de ntrre) se m du ş două fml pentru crcterstc de trnsfer: C = f 3 ( B, u CB ) u EB = f 4 (u CB, B ) In crcutele electronce, ce m utlztă schemă de conexune trnzstorulu bpolr este EC. In cestă conexune, fmlle crcterstclor de eşre ş de ntrre reprezntă dependenţele: C = f (u CE, B )

26 B = g (u BE, u CE ) 2. SEMICODUCTOARE Fml crcterstclor de eşre este reprezenttă în fg Pentru stbl dependenţ curentulu de eşre C în funcţe de C [ma] curentul de ntrre B, folosm 10 relţle: 8 C =α E I CB0 6 B =(1 - α ) E - I CB0 Dn ce de- dou relţe extrgem E ş înlocum în prm relţe: I B = 100µA B = 80µA B = 60µA B = 40µA B = 20µA B = 0 u CE npn -u CE pnp B CB0 Fg Crcterstcle de eşre le E = 1 α unu trnzstor în conexune EC [V] C α = 1 α ( I ) B CB0 I CB0 α = 1 α B ( α 1 α ) 1 α I CB0 Rezultă: C α = 1 α B I CB0 1 α = β B I CE0 ; I CE0 I CB0 = 1 α în cre β α α = se numeşte fctor de mplfcre sttc în curent l 1 trnzstorulu, în conexune EC. Cum α este forte propt c vlore de 1 (α = 0,98,, 0,998), fctorul β este reltv mre, între 30 ş Aş cum s- menţont nteror, creştere tensun plcte nvers în crcutul colectorulu produce o uşoră creştere fctorulu α.acest provocă însă o modfcre mult m pronunţtă lu β. Drept consecnţă, crcterstcle de eşre u în regune ctvă o înclnre reltv mre, fţă de czul conexun BC. 49

27 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE Regune de sturţe crcterstc de eşre este stută în cdrnul I. In cestă regune, crcterstcle de eşre le trnzstorulu sunt forte propte. Pentru scăr obşnute, regune de sturţe se reduce prctc l o dreptă, cu înclnţe proptă de 90º, numtă dreptă de sturţe. Regune de blocre (tăere), corespunde stuţlor de polrzre nversă joncţun emtor - bză. Rguros, regmul de tăere se obţne pentru B = - I CB0. Dcă se consderă stuţ în cre emtorul ş colectorul îş nverseză rolurle, crcterstcle se extnd în cdrnul III (trnzstor nverst). Apre regune ctvă nversă. Fml crcterstclor de ntrre este prezenttă în fg B [µa] 0,1 0,2 0,3 u BE npn -u BE pnp Fg Crcterstc de ntrre le trnzstorulu în conexune EC u CE = 1V npn -1V pnp u CE = 5V npn -5V pnp [V] Ş pentru conexune EC se pote d o reprezentre în ptru cdrne prn ntroducere două fml de crcterstc de trnsfer: C = f' ( B, u CE ) u EB = f'' (u CE, B ) Crcterstcle trnzstorelor bpolre se pot exprm ş sub formă nltcă. Se consderă un trnzstor în conexune BC. Folosnd ecuţ dode dele, se pot deduce ecuţle curenţlor C ş E, pentru orcre regm de funcţonre. otând I CS ş I ES curenţ de sturţe joncţunlor de colector respectv de emtor, curenţ C ş E pot f consderţ c rezultând dn însumre câte do curenţ, corespunzător celor două joncţun. Astfel, prn joncţune colectorulu crculă componentele: eucb I CS exp 1 corespunzătore tensun u CB ş kt eu EB α I ES exp 1 dtă de joncţune emtorulu c urmre efectulu de kt trnzstor.

28 În mod smlr, prn joncţune emtorulu crculă: 2. SEMICODUCTOARE I ES e u exp kt EB 1, dtortă tensun u EB plctă ş eucb α I I CS exp 1, dtortă efectulu de trnzstor în regune ctvă kt nversă. Rezultă expresle: eucb eu BE = I CS exp 1 I ES exp 1 kt kt C α eu EB eucb = I ES exp 1 I I CS exp 1 kt kt E α Cele două ecuţ formeză modelul Ebers - Moll l trnzstorulu bpolr Influenţ tempertur supr crcterstclor sttce le trnzstorulu Concentrţle purtătorlor mnortr dn cele tre regun le trnzstorulu bpolr depnd exponenţl (T 3/2 ) de tempertur crstlulu. Acestă prtculrtte determnă o nfluenţă mportntă temperturlor joncţunlor supr crcterstclor sttce le trnzstorulu. Dntre efectele cele m mportnte menţonăm: - creştere curentulu de colector C cu tempertur, vând c efect deplsre spre în sus curbelor dn fml crcterstclor de eşre (fg. 2.27). O nfluenţă deosebtă o re creştere substnţlă cu tempertur curentulu de purtător mnortr I CB0. L trnzstorele cu S, curentul rezdul este extrem de mc, de ordnul na, stfel că pondere s, chr l tempertur rdcte, este m mcă decât l trnzstorele cu Ge. 51

29 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE - mcşorre tensun emtor - bză (pentru E = ct su B = ct), vând c efect modfcre crcterstclor de ntrre, tât în schem BC, cât ş în EC (fg. 2.28, b). - creştere coefcentulu sttc de mplfcre α ş mplct coefcentulu β l mjortte trnzstorelor. C [ma] B = 200µA E T1 T 2 B T1 T 2 8 B = 150µA ºC 20ºC B = 100µA B = 50µA [V] u CE Fg Modfcre cu tempertur fmle crcterstclor de eşre l un trnzstor (conexune EC) T 1 >T 2 u EB T 1 >T 2 u BE b Fg Modfcre crcterstclor de ntrre cu tempertur ) în conexune BC; b) în conexune EC Stblre punctulu sttc de funcţonre l trnzstorulu Pentru funcţonre corectă trnzstorulu bpolr într-un etj de mplfcre, ş cum s- văzut l începutul cptolulu (când s- dscutt despre trnzstor c element comndt prn semnl, fg c), trnzstorul trebue să fe lmentt în sere cu rezstenţ de srcnă, stfel încât să fe sgurtă funcţonre în regune ctvă crcterstclor de eşre. Consderăm conexune EC, cre este de fpt ş cel m des folostă în crcutele electronce. Asgurre unu punct sttc de funcţonre în regune ctvă normlă crcterstclor, crcterzt de curentul de bză B0, curentul de colector C0 ş tensune colector - emtor u CE0, necestă polrzre în sens de conducţe joncţun emtore ş joncţun colectorulu în sens de blocre. Acest se pote relz cu jutorul două surse E C ş E B (fg. 2.29). Rezstenţ R B dn crcutul bze se lege stfel c pentru o rezstenţă de srcnă R S R C ş o tensune de

30 2. SEMICODUCTOARE colector E C dte, să se mpună un punct de funcţonre convenbl, în regune ctvă dmsblă crcterstc sttce. Schemele dn fg u dezvntjul că necestă două C R C surse de lmentre cre să sgure funcţonre montjulu, B de cee se foloseşte rr. E C Pentru relzre etjulu de R mplfcre, se pote utlz ş o B E B sngură sursă de lmentre, prn cre se stbleşte tât polrzre joncţun colectorulu, cât ş polrzre joncţun emtorulu. Ce m smplă stuţe constă în lmentre bze de l surs de colector E C, prntr-o rezstenţă R B cre sgură vlore B0 curentulu de bză (fg. 2.30). Presupunem că sunt dte crcterstcle de eşre le trnzstorulu (c în fg. 2.31) C = f (u CE, B ) R B B E B R C b C E C Fg Almentre unu trnzstor într-un etj, folosnd două surse de lmentre. ) trnzstor pnp; b) trnzstor npn R B B R C C E C R B B R C C E C precum ş mărmle E C, R B ş rezstenţ de srcnă (de colector). Se pune problem determnăr punctulu sttc de funcţonre, defnt prn mărmle B0, C0 ş u CE0. În cest scop, se scre lege II- lu Krchhoff pe crcutul de colector ş pe crcutul de lmentre bze. u BE u CE u BE u CE Fg Almentre unu trnzstor într-un etj, folosnd o sngură sursă de lmentre. ) trnzstor pnp; b) trnzstor npn b E C = R C C u CE E C = R B B u BE Deorece u BE << E C, putem scre: 53

31 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE C [ma] B = 400µA 10 B = 350µA 8 6 C0 4 2 M M tg α = R C α B = 300µA B = 250µA B = 200µA B = 150µA B = 100µA B = 50µA B = 0 E C R B B u CE u CE [V] Fg Stblre punctulu sttc de funcţonre pentru trnzstorul lmentt de l o sngură sursă Pentru deducere punctulu sttc de funcţonre în schem dn fg. 2.30, se rezolvă grfc sstemul: C = f (u CE, B ) E C = R C C u CE E C R B B Dn ultm ecuţe sstemulu rezultă medt: 54 B0 E C / R B In plnul crcterstclor de eşre se fce reprezentre grfcă drepte sttce de srcnă (ecuţ E C = R C C u CE ). Intersecţ drepte sttce de srcnă cu crcterstc corespunzătore curentulu B0, determnă punctul sttc de funcţonre M, de coordonte u CE0, C0.

32 2. SEMICODUCTOARE De semene, dcă se dă tensune E C ş punctul sttc de funcţonre, se pot clcul rezstenţele R C ş R B cre să sgure punctul sttc de funcţonre dt. S- rătt că vrţ tempertur produce modfcre crcterstclor sttce le trnzstorelor. Consderând modfcre tempertur l o vlore m rdctă, punctul sttc de funcţonre se modfcă dn M în M' (fg. 2.31). Curentul de colector creşte, r u CE scde. O cernţă mportntă mpusă crcutulu de polrzre trnzstorulu, cre nu este îndeplntă de schemele dn fg. 2.30, este sgurre stbltăţ punctulu sttc de funcţonre l vrţ tempertur. Ţnând sem de nfluenţ tempertur supr curentulu rezdul I CB0, tensun u EB (corespunzătore unu curent E = const.) ş supr fctorulu β, precum ş de efectul cestor mărm supr curentulu de colector exprmt de relţ: C = C (I CB0, U EB, β ), se obţne vrţ totlă curentulu de colector, prn dferenţere relţe ş trecere l dferenţe fnte: C C = CB0 I CB0 I U C EB U EB C β β su: = S I 0 S U S β, unde C I CB U EB β S I C = ; I CB0 S U U C = ; EB S β = C β sunt fctor de sensbltte curentulu de colector, în rport cu I CB0, U EB ş β. Mcşorre vrţe C, l modfcre tempertur, se relzeză cu jutorul unor scheme de polrzre trnzstorulu, cre sgură stblzre termcă punctulu sttc de funcţonre. 55

33 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE ÎTREBĂRI PROBLEME 1. Cum se comportă semconductorele dn punct de vedere l conductvtăţ l tempertur forte jose? 2. Cre este energ de ctvre electronlor de vlenţă W dntr-un semconductor (exprmtă în ev)? 3. Cne prtcpă l conducţe într-un semconductor ntrnsec? 4. Ce efect re creştere tempertur supr numărulu de electron lber dn mterlele semconductore? 5. Cne sgură conducţ electrcă în semconductorele ntrnsec? 6. Ce relţe este între ms electronulu de conducţe m n ş ms electronulu m e? 7. Cre este srcn electronulu de conducţe, fţă de srcn electrcă elementră e? 8. Ce relţe respectă, pentru un semconductor pur, l echlbru termc l o tempertură dtă, concentrţle de electron n 0 ş de golur p 0? 9. Ce vlenţă u mpurtăţle foloste pentru relz un semconductor extrnsec de tp n? 10. Ce vlenţă u mpurtăţle foloste pentru relz un semconductor extrnsec de tp p? 11. Ce vlore pote ve dn punct de vedere l energe un electron lber dntr-un mterl semconductor? 12. Ce vlore pote ve dn punct de vedere l energe un gol dntr-un mterl semconductor? 56

34 2. SEMICODUCTOARE 13. Cum depnde de tempertur bsolută T concentrţ de electron ş de golur generţ prn mecnsm ntrnsec într-un semconductor l echlbru termc? 14. Unde este plst nvelul energetc donor ntrodus într-un semconductor extrnsec de tp n de mpurtăţle donore? 15. Unde este plst nvelul energetc cceptor ntrodus într-un semconductor extrnsec de tp p de mpurtăţle cceptore? 16. Ce se consttă dn punctul de vedere l concentrţe purtătorlor mjortr în vecnătte suprfeţe de seprţe une joncţun p n? 17. Ce efect re câmpul ntern l regun de trecere cret de srcn spţlă une joncţun p-n supr dfuze purtătorlor mjortr? 18. Cne formeză srcn spţlă une joncţun p n? 19. În ce relţe se flă, l regmul de echlbru termc l une joncţun p-n nepolrzte, curentul de dfuze d ş curentul de conducţe c? 20. În ce relţe se flă, pentru o joncţune p-n polrztă în sens drect, curentul de dfuze d ş curentul de conducţe c? 21. În ce relţe se flă, pentru o joncţune p-n polrztă în sens nvers, curentul de dfuze d ş curentul de conducţe c? 22. Cum vrză l o joncţune p-n, l plcre une tensun nverse, lăţme regun de trecere în funcţe de concentrţle de mpurtăţ dn zonele respectve? 23. Cum se comportă, dn punct de vedere l conducţe electrce, regune de trecere joncţun p n? 24. Ce efect re supr lărgm regun de trecere une joncţun p n tensune nversă plctă joncţun? 25. Ce reprezntă crcterstc sttcă dode semconductore? 57

35 SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMETARE 26. Ce se consttă l plcre pe dod semconductore unor tensun nverse mr? 27. Cum depnde dn punct de vedere l leg mtemtce, în expres crcterstc teoretce une dode semconductore, curentul de tensune plctă joncţun? 28. Ce efect re creştere tempertur joncţun une dode semconductore supr vlor curentulu prn dodă? 29. Cum se defneşte rguros rezstenţ nternă une dode semconductore funcţonând în punctul sttc M(U 0, I 0 ), cu vrţ de semnl mc u,? 30. Cne determnă prţ cpctăţ de breră C b une joncţun p-n? 31. Ce efect re supr cpctăţ de breră creştere tensun plcte pe joncţune p-n? 32. Ce se întâmplă cu vlore rezstenţe nterne dode l o vlore m mre curentulu de punct sttc l dode semconductore? 33. Unde se plseză în mod norml punctul de funcţonre l o dodă Zener? 34. Ce regune trnzstorulu bpolr este crcterztă de cel m înlt nvel de dopre cu mpurtăţ? 35. Ce regune trnzstorulu bpolr este crcterztă de cel m redus nvel de dopre cu mpurtăţ? 36. Cre este ce m îngustă regune într-un trnzstor bpolr? 37. Cne sgură conducţ într-un trnzstor bpolr? 38. Cum se defneşte pentru un trnzstor pnp, fctorul de mplfcre în curent α? 39. Cne sgură, în ce m mre prte, pentru un trnzstor pnp curentul de dfuze prn joncţune emtorulu? 58

36 40. Ce se întâmplă cu golurle în bz unu trnzstor pnp? 2. SEMICODUCTOARE 41. Cne determnă, pentru un trnzstor pnp, trnsferul prope ntegrl l golurlor dn regune de emtor în ce de colector? 42. Cre este, pentru un trnzstor bpolr în conexune normlă, vlore tpcă fctorulu sttc de mplfcre în curent α? 43. În ce relţe se flă, pentru un trnzstor bpolr în conexune normlă, curentul de colector ş curentul de emtor? 44. Cum sunt polrzte joncţunle trnzstorulu bpolr funcţonând în regune ctvă drectă (normlă)? 45. Cum sunt polrzte joncţunle trnzstorulu bpolr funcţonând în regune ctvă nversă? 46. Cum sunt polrzte joncţunle trnzstorulu bpolr funcţonând în regune de blocre? 47. Cum sunt polrzte joncţunle trnzstorulu bpolr funcţonând în regune de sturţe? 48. Cre este vlore tpcă fctorulu de mplfcre sttc în curent l trnzstorulu în conexune emtor comun β? 49. Cum vrză, conform crcterstclor de ntrre le trnzstorulu în conexune emtor comun, pentru ceeş vlore tensun u BE, B în funcţe de u CE? 50. Ce efect re creştere tempertur supr curbelor dn fml crcterstclor de eşre pentru un trnzstor bpolr funcţonând în conexune emtor comun? 51. Ce efect re creştere tempertur supr tensun emtor-bză pentru un trnzstor bpolr funcţonând în conexune emtor comun? 59