POLUPROVODNI^KE KOMPONENTE

STOJAN RST] POLUPROVODN^KE KOMPONENTE PREDAVANJA Smer za mikroelektroiku Godia: (V semestar, 2 ~asa edeljo) Elektroski fakultet Ni{ 2011.

SADR@AJ 1. UVOD 5 2. DODE 6 2.1. - - SPOJEV 8 2.1.1. Ravote`o staje a - soju 11 2.2. STRUJA DODE 13 2.2.1. Difuzioa struja diode bez eitaksijalog sloja 13 2.2.2. Difuzioa struja diode sa eitaksijalim slojem ( + -- + diode) 19 2.2.3. Geeracioo-rekombiacioa struja 29 Geeracioa struja 29 Rekombiacioa struja 31 2.2.4. Ukua struja diode 32 2.3. UTCAJ TEMPERATURE NA STAT^KE KARAKTERSTKE DODE 33 2.4. ADMTANSA DREKTNO POLARSANE DODE 35 2.5. PRELAZNA STANJA KOD DODA 40 2.6. PN DODE 45 3. BPOLARN TRANZSTOR 48 3.1. VRSTE TRANZSTORA 48 3.1.1. Na~i rada trazistora 52 3.2. STRUJE MANJNSKH NOSLACA 54 3.2.1. Struja majiskih osilaca aelektrisaja u bazi 54 3.2.2. Struja majiskih osilaca aelektrisaja u emitoru 57 3.2.3. Emitorska struja 60 3.3. KOEFCJENT STRUJNOG POJA^ANJA 61 3.3.1. Koeficijet strujog oja~aja B ri malim vredostima kolektorske struje 61 3.3.2. Koeficijet strujog oja~aja B ri sredjim vredostima kolektorske struje 62 3.3.3. Koeficijet strujog oja~aja B ri velikim vredostima kolektorske struje 64 3.3.4. Temeratura zavisost koeficijeta strujog oja~aja 66 3.3.5. Koeficijet strujog oja~aja ri aizmei~oj struji 66 3.4. STAT^KE STRUJNO-NAPONSKE KARAKTERSTKE 68 3.4.1. Ebers-Molov model trazistora 68 3.4.2. Stati~ke strujo-aoske karakteristike trazistora sa uzemljeom bazom 70 Ulaze karakteristike 70 zlaze karakteristike 71 2

3.4.3. Stati~ke strujo-aoske karakteristike trazistora sa uzemljeim emitorom 72 Ulaze karakteristike 72 zlaze karakteristike 73 3.4.4. Korekcije Ebers-Molovog modela 77 Kvazizase}eje 77 Erlijev efekat 78 3.5. PROBOJN NAPON TRANZSTORA 79 3.5.1. Proboji aoi kod trazistora sa uzemljeom bazom 79 3.5.2. Proboji aoi izme u kolektora i emitora kod trazistora sa uzemljeim emitorom 80 3.5.3. Sekudari roboj 82 3.6. TRANZSTOR SA POLSLCJUMSKM EMTOROM 85 4. TRSTOR 91 4.1. OSOBNE KARAKTERSTKE TRSTORA 91 4.1.1. Nerovodo staje tiristora 93 4.1.2. Provodo staje tiristora 98 4.2.3. sklju~eje tiristora 101 4.2. VRSTE TRSTORA 103 4.2.1. Preloma dioda (BOD) 103 4.2.2. Dijak 103 4.2.3. Trijak 105 4.2.4. Tiristor kod koga gejt oma`e ri isklju~eju (GATT) 107 4.2.5. Asimetri~i tiristor (ASCR) 109 4.2.6. Tiristor isklju~iv gejtom (GTO) 110 4.2.7. verzo rovodi tiristor (RCT) 112 5. JFET, MESFET MODFET 114 5.1. JFET 115 5.2. MESFET 119 5.3. MODFET 121 6. MOS TRANZSTOR 124 6.1. -KANALN -KANALN MOS TRANZSTOR 125 6.1.1. Osovi ricii rada MOS trazistora 126 6.2. ZLAZNE KARAKTERSTKE MOS TRANZSTORA 128 6.3. PRENOSNE KARAKTERSTKE MOS TRANZSTORA 134 6.4. VDMOS TRANZSTOR SNAGE 135 6.4.1. Otorost uklju~eja, traskoduktasa i ao raga 138 Otorost uklju~eja 138 Traskoduktasa 140 Nao raga 140 6.4.2. zlaze karakteristike i oblast bezbedog rada 141 6.5. GBT 143 3

7. NANOTEHNOLOGJA KOMPONENTE BUDU]NOST 147 7.1. NANOTEHNOLOGJA 148 7.1.1. Za~eci aotehologije 149 7.1.2. Oasosti od aotehologije 149 7.1.3. Predosti i ogodosti koje ru`a aotehologija 150 7.2. KOMPONENTE BUDU]NOST 154 7.2.1. Komoete a bazi orgaskih olurovodika lasti~e komoete 154 7.2.2. Komoete a bazi grafea 157 7.2.3. Komoete a bazi ugljei~ih aocevi 159 7.2.4. Komoete a bazi kvatih ta~aka 161 7.2.5. Komoete a bazi sia elektroa kubitovi kvati ra~uari 162 7.2.6. Komoete a bazi fotoa fotoski ra~uar 167 7.2.7. Biokomoete DNK ra~uari 168 PRLOG: RASPORED ZVODA KOD TRANZSTORA 170 4

1. UVOD Predmet Polurovodi~ke komoete je kociira tako da, rakti~o, bude astavak redmeta Elektroska fizika ~vrstog tela koji je dr`a a smeru Mikroelektroika u rethodom semestru. Stoga }e se, oekad, u cilju daljeg razja{javaja i boljeg razumevaja gradiva, ozivati a odre eu sliku, izraz ili oglavlje iz omeutog redmeta (a rimer, sa sl. 40, ili rema (198), ili deo 5.1 u Elektroskoj fizici ~vrtog tela). U drugoj glavi detaljije }e se obraditi struja diode, osebo uticaj eitaksijalog sloja a -V karakteristike (deo 2.2.2). Tre}a glava bi}e osve}ea biolarim trazistorima, sa osebim osvrtom a koeficijet strujog oja~aja i stati~ke strujo-aoske karakteristike. Tiristori i jihove vrste i osobie bi}e oisai u ~etvrtoj glavi. Od uiolarih komoeata osebo }e se aalizirati JFET, MESFET i MODEFT (eta glava) i MOS trazistori ({esta glava). S obzirom da }e MOS trazistori veoma detaljo biti obra ei u drugim redmetima koji se redaju u okviru smera Mikroelektroika, vi{e a`je bi}e usmereo ka MOS trazistorima sage (VDMOSu i GBT-u). Koa~o, u sedmoj glavi bi}e dat regled komoeata a kojima se u ovom treutku itezivo radi u svim istra`iva~kim laboratorijama i komaija {irom sveta i za koje se o~ekuje da }e, mo`da i u bliskoj budu}osti, zameiti sada{je olurovodi~ke komoete. ako se skoro svakodevo ojavljuju ovi materijali i komoete bazirae a jima (videti glavu 7. Komoete budu}osti), u ovom kursu }e aaliza rada komoeata i dalje biti zasovaa a silicijumu, s obzirom da }e o siguro jo{ izvesta broj godia, s obzirom a osvojeu tehologiju i izuzeto velika materijala ulagaja, i u budu}osti biti olurovodik koji }e se ajvi{e koristiti za izradu olurovodi~kih komoeata. 5

2. DODE Rad olurovodi~kih dioda zasiva se a usmera~kim osobiama - sojeva. Zbog toga }e rvi deo ove glave biti osve}e karakteristikama - sojeva. U raksi je skoro isklju~ivo jeda oblast - soja male secifi~e otorosti, {to za~i da je u joj velika kocetracija rimesa; drugim re~ima, jeda oblast - (ili -) soja je aj~e{}e jako doiraa (N A,D > 10 17 cm -3 ). Prema tome, re~ je o + - ili + - sojevima, ali, da se ta ~ijeica e bi stalo isticala, adalje }e se umesto ozaka sojeva + - i + - koristiti ozake - i -, resektivo, a tamo gde je eohodo da se aglase efekti jakog doiraja olurovodika, to }e se osebo istakuti. Sl. 2.1. Postuak dobijaja laarih dioda. 6

Na sl. 2.1 je rikaza uro{}e ostuak dobijaja laarih dioda. Polazi se od silicijumske kri{ke koja se izbrusi laaralelo, a otom sa jede strae isolira. Poliraje mora biti visokog kvaliteta ukoliko se èli da dobiju dobre diode i visok rios. Na ~istu lo~icu se izvr{i oksidacija o celoj jeoj ovr{ii. Preko oksida se aese fotorezist i aosi film a kome su zatamjea (ili svetla zaviso od fotorezista) oa mesta a kojima treba da je otvor. Posle razvijaja eosvetlje eolimerizova fotorezist se ukloi, a ostalo se su{i a ovi{eoj temeraturi (120 C 150 C) da bi se olimerizacija izvr{ila do kraja, a fotorezist riouo a oksid (sl. 2.1c). U HF, koja agriza SiO 2, a e agriza silicijum, a~ie se otvori a mestima gde je otvor u fotorezistu. Fotorezist se duìm stajajem u rastvara~u odstrai i lo~ica dobro isere (sl. 2.1d). Kroz otvore u SiO 2 izvr{i se difuzija rimesa surotog tia od tia rimesa u o~etoj lo~ici, te ostvari - soj (sl. 2.1e), ~ija je ovr{ia odre ea otvorom u SiO 2. Kako se ovi otvori dobijaju umoàvajem jede iste slike, to su svi jedaki, a to retostavlja da }e i karakteristike diode biti ribliò iste. Posle difuzije rimesa (aj~e{}e bora u lo~icu -tia) oovo se izvr{i oksidacija (sl. 2.1f), aese fotorezist i a~ie otvori za kotakte. Fotorezist se e uklaja osle ravljeja otvora za kotakte (sl. 2.g), ve} se izvr{i aaravaje alumiijuma reko jega (sl. 2.1h). Fotorezist isarava, te izdiè alumiijum izad jega, dok oaj alumiijum koji je u kotaktu sa silicijumom zalegira i a jemu ostae. Ostatak alumiijuma koji ije sasvim otao zajedo sa fotorezistom ri legiraju mehai~ki se odstrai, te alumiijum ostaje samo izad kotakta (sl. 2.1i). Kada se diode a kri{ki isitaju, kri{ka se ise~e (sl. 2.1j), a otom ikasuliraju. Plaare diode, koje treba da imaju malu direktu otorost, rave se u eitaksijalom sloju silicijuma. To su tkzv. laare eitaksijale diode, sl. 2.2. Naime, da bi reda otorost diode bila {to maja, silicijumska lo~ica a kojoj se laarim ostukom istovremeo oformljuje veliki broj dioda, trebalo bi da je {to taja. Me utim, ukoliko je lo~ica taja, utoliko se lak{e lomi. Miimala debljia lo~ice sa kojom se uo{te moè raditi je (120 150) μm, dok je za dobar rad diode eohoda zato maja debljia (ve}a debljia lo~ice samo ove}ava redu otorost). Zbog toga se smajeje rede otorosti ostiè silicijumskim kri{kama sa eitaksijalo araslim slojem, sl. 2.3. Osova (sustrat) od silicijuma je vrlo male otorosti, debljie oko (200 300) μm. Na ovu osovu se u reaktoru za eitaksijali rast aese sloj odgovaraju}e otorosti (ve}e ego u sustratu) i debljie, a zatim se u tom sloju formira dioda. Kako je sustrat male otorosti, to je otorost tog dela zaemarljivo mala, te je i reda otorost diode mala. Mala otorost osove ima redost i zbog toga {to je sa jom mogu}e lako ostvariti dobar eusmera~ki soj, te i to smajuje redu otorost. Sl. 2.2. Plaara eitaksijala dioda. 7

Sl. 2.3. Osovi teholo{ki ostuci ri dobijaju laare eitaksijale diode. 2.1. - - SPOJEV ako diode sa eitaksijalim slojem imaju bolje karakteristike od dioda bez takvog sloja (rvestveo maju redu otorost i ve}i roboji ao), rvo }e se, u cilju jedostavosti, razmatrati diode koje e sadr`e eitaksijali sloj, sl. 2.4, kao i diode sa tkz. skokovitim - sojem kada sa -tia a -ti ostoji agla romea kocetracije rimesa, sl. 2.7. Reala - soj redstavlje je a sl. 2.5. O se sastoji od itimog soja olurovodika -tia i olurovodika -tia. U ovom slu~aju (kao a sl. 2.5) uzeto je da je sa leve strae olurovodik -tia, sa kocetracijom akcetorskih rimesa N + A, a sa dese strae olurovodik + -tia i kocetracijom doora N D ( N A >> N D ). Mesto a kome se relazi sa jedog a drugi ti olurovodika zove se metalur{ki soj; to je, rakti~o, ovr{ia dodira olurovodika - i - tia. Kao {to je i do sada uvek ra eo, mo`e se smatrati da su a soboj temeraturi skoro sve rimese joizovae. Zbog toga }e sa leve strae ve}iski osioci biti {uljie, ~ija je kocetracija o N + A, a sa dese strae elektroi, sa kocetracijom o N D. Majiski osioci u - oblasti su elektroi (sa kocetracijom o ), a u -oblasti {uljie, sa kocetracijom o. S obzirom da je u -oblasti kocetracija {uljia za ekoliko redova veli~ie ve}a ego u -oblasti, to }e sa leva u deso astati difuzija {uljia. Na mestu uz metalur{ki soj, odakle su difuzijom oti{le {uljie, ostaju ekomezovai akcetorski joi i, kako su oi egativo aelektrisai, u -oblasti ostaje egativa koli~ia aelektrisaja ( Q). sto tako, sa dese strae difu- 8

zijom kroz metalur{ki soj odlaze elektroi u levo, te u -oblasti ostaju ekomezovai doorski joi, odoso ozitiva koli~ia aelektrisaja (+Q). Ta oblast sa ekomezovaim rimesama, tj. sa rostorim aelektrisajem ~vrsto vezaim za kristalu re{etku, zove se relaza oblast - soja. U joj, usled rostorog aelektrisaja ostoji elektri~o olje K, odoso tolika otecijala razlika V bi da u ravoteì zaustavlja dalje difuzioo kretaje osilaca aelektrisaja. Zbog ostojaja aelektrisaja, relaza oblast - soja zove se i barijera oblast ili oblast rostorog aelektrisaja. Sl. 2.4. lustracija diode bez eitaksijalog sloja; velikim krugovima u relazoj oblasti - soja oza~ee su joizovae rimese (ozitivi doorski i egativi akcetorski joi), a kruì}i sa zakom "+" oza~avaju {uljie kao ve}iske osioce u -oblasti, dok je za ve}iske elektroe u -oblasti iskori{}ea ozaka " ". [iria relaze oblasti, ili barijera, moè se mejati riklju~ejem solja{jeg aoa. Smajeje {irie barijere ostiè se kada se a -oblast riklju~i ozitiva, a a -oblast egativa ol solja{jeg aoa, sl. 2.5b; takav ao V zove se direkta ao. U surotom slu~aju, tj. riklju~ejem iverzog aoa V R, {iria relaze oblasti se ove}ava, sl. 2.5c. Neka se a - soj dovede ao tako da se barijera smaji, sl. 2.5a. Usled smajeja barijere difuzioa struja kroz - soj ostaje ve}a od driftovske i kroz - soj }e roticati struja. Ako se barijera ove}a (sl. 2.5c), difuzioa struja ve}iskih osilaca kroz barijeru restaje, a driftovska struja e moè da oraste izad ravoteè, jer u relazoj oblasti ema odgovaraju}ih osilaca. Na rimer, difuziooj struji {uljia, koju ~ie ve}iski osioci iz -oblasti, drì ravoteù driftovska struja istih osilaca koji su u{li u relazu oblast. Prema tome, driftovska komoeta struje kroz - soj e moè biti ve}a od difuzioe. Da bi oa orasla, otrebo je da iz -oblasti do u {uljie. [uljie su u -oblasti majiski osioci; jih ima vrlo malo, te }e i struja u ovom smeru biti vrlo mala. Zbog toga se - soj zove i usmera~ki soj, jer o u jedom smeru rou{ta, a u drugom e rou{ta elektri~u struju. 9

Sl. 2.5. - soj sa izvodima bez olarizacije (a), ri direktoj (b) i iverzoj olarizaciji (c). 10

2.1.1. Ravoteò staje a - soju Rasodela kocetracije rimesa u okolii metalurskog soja moè biti takva da je relaz sa - a -ti olurovodika skokovit, lieara, eksoecijala, ili o ekoj drugoj fukciji (erfc, Gausovoj, itd.). Skokovitim relazom se moè smatrati oaj relaz kod kojeg je kocetracija rimesa ribliò kostata u samoj relazoj oblasti. Tako se i soj dobije difuzijom u izvesim uslovima moè smatrati skokovitim, a to je kada je dubia - soja relativo mala, sl. 2.6a. Duboki difudovai - relazi su ribliò lieari, dok se eksoecijala, Gausova i erfc rasodela u okolii metalur{kog soja mogu aroksimirati liearom rasodelom, sl. 2.6b. Sl. 2.6. Aroksimacija skokovitom (a) i liearom (b) rasodelom rimesa. Aalizira}e se skokovit - soj. Neka su otorosti - i -oblasti silicijuma resektivo ρ = 0,009 Ωcm i ρ =1 Ωcm. Sa sl. 40 u Elektroskoj fizici ~vrtog tela se za ove otorosti + dobija da je kocetracija akcetora N A = 10 19 cm -3, a kocetracija doora N D = 5 10 15 cm -3. ako je sl. 31 u Elektroskoj fizici ~vrtog tela za ( ie / i ) 2 data u fukciji kocetracije doorskih rimesa, oa se sa veoma velikom ta~o{}u moè rimeiti i za -ti olurovodika, tj. dobija se da je ( ie / i ) 2 = 6,1; u tom slu~aju kocetracija majiskih osilaca u -tiu (elektroa) izosi 2 + o ie / N A = 6,1 1,28 10 20 /10 19 78 cm -3 2, a {uljia u -tiu o i / N D = 1,28 10 20 /(5 10 18 ) 2,6 10 4 cm -3. Na sl. 2.7 su slikovito rikazae kocetracije akcetora, {uljia i elektroa u - tiu i kocetracije doora, elektroa i {uljia u -tiu silicijuma sa omeutim brojim vredostima. Ovde je uzeto da je kocetracija ve}iskih osilaca ribliò jedaka kocetraciji rimesa (retostavlja se da su sve rimese joizovae). 11

Sl. 2.7. Uz ilustraciju vredosti kocetracija osilaca aelektrisaja i rimesa u - i -oblasti silicijuma koje ~ie - soj. Sl. 2.8. Prelaza oblast skokovitog - soja (ije u ravoj razmeri): (a) - soj sa azakom relazih oblasti; (b) aroksimacija totalog osiroma{eja. 12

Na sl. 2.8a acrtaa je relaza oblast - soja. Kako je ovaj crtez u liearoj razmeri, to slika e ruà ravi odos veli~ia. Sa leve strae metalur{kog soja, usled odlaska {uljia, ostali su ekomezovai akcetorski joi. Sa dese strae, odlaskom elektroa, ostali su ekomezovai doorski joi. Kako u ravoteì - soj mora biti elektroeutrala (+Q = Q ), to je broj ekomezovaih doora sa jede strae jedak broju ekomezovaih akcetora sa druge strae. Prema tome, relaza oblast }e biti {ira sa oe strae sa koje je kocetracija rimesa maja (u ovom slu~aju u -oblasti (x >> x )). Kocetracija ve}iskih osilaca kroz relazu oblast oada za ekoliko redova veli~ie (sl. 2.7), te je u odosu a kocetraciju rimesih joa zaemarljivo mala. To daje mogu}ost da se u razmatrajima retostavi da ostoji totalo osiroma{eje osilaca aelektrisaja u relazoj oblasti (sl. 2.8b). Drugim re~ima, aroksimacija totalim osiroma{ejem relaze oblasti, koja se, kao {to je re~eo, jo{ zove i barijera i oblast rostorog aelektrisaja, kazuje da je u toj oblasti kocetracija ekomezovaih rimesa jedaka ukuoj kocetraciji rimesa. Totalo osiroma{eje se osebo moè rihvatiti u slu~aju kada se riklju~i takav solja{ji ao a - soj da se barijera ove}a (ri iverzoj olarizaciji, sl. 2.5c). 2.2. STRUJA DODE U okviru aalize struje diode razmatra}e se dva tia dioda: dioda bez eitaksijale oblasti i dioda sa eitaksijalom obla{}u ( + -- + dioda). U cilju jedostavosti, retostavi}e se u oba slu~aja da su kocetracije rimesa u svim oblastima kostate, kao i da su skokoviti - sojevi. 2.2.1. Difuzioa struja diode bez eitaksijalog sloja Uz retostavku strmog - soja, a sl. 2.9a je kvalitativo redstavljea rasodela osilaca aelektrisaja du` eolarisae diode. Me utim, kada se a - soj riklju~i direkti ao V (a -ti ozitiva a a -ti egativa ol aoa, sl. 2.5b), smaji}e se ao barijere a vredost VB = Vbi V, odoso smaji}e se ko~e}e elektri~o olje u relazoj oblasti - soja. Usled toga asta}e ijekcija osilaca aelektrisaja, i to {uljia iz - u -oblast i elektroa iz - u -oblast, sl. 2.9b. Stoga {to sada ostoji gradijet kocetracije majiskih osilaca aelektrisaja, a u skladu sa oim {to je raije aomeuto, rotica}e u -tiu difuzioa struja {uljia J dif J d i u -tiu olurovodika difuzioa struja elektroa J dif J d. Ako se razmatra -oblast - soja, ijektovaa kocetracija {uljia (0) eosredo uz relazu oblast - soja se moè dobiti a osovu jed. (2.7). Naime, rema (198) u Elektroskoj fizici ~vrtog tela kotakta razlika otecijala je: o i V = bi U T l. (2.1) o ie Kada se govori o - soju, oda se osmatra jediica ovr{ie - soja, te je struja kroz - soj u stvari gustia struje; zbog toga }e se, adalje, kada se kaže "struja" ~esto misliti a gustiu struje i to se e}e osebo isticati. 13

Sl. 2.9. Kvalitativa redstava kocetracija osilaca aelektrisaja du` (a) eolarisae i (b) direkto olarisae (samo za majiske osioce) - diode. Kada se a - soj riklju~i direkti ao V (a -ti ozitiva a a -ti egativa ol aoa, sl. 2.5b), smaji}e se ao barijere a vredost: V bi V = U T o l (0) i ie = U T l o o i ie o = U (0) T l o o i ie U T l (0), o odakle je: V ( 0) = o ex. (2.2) U T Sli~o, za ijektovau kocetraciju elektroa iz -oblasti u -oblast (0) eosredo uz graicu - soja (sl. 2.9b) se dobija: V ( 0) = o ex. (2.3) U T 14

jektovai majiski osioci aelektrisaja se difuzioo kre}u du` - i -oblast, i jihova kocetracija du` x-ose oada usled rekombiacije sa ve}iskim osiocima i joizovaim rimesama, o~ev{i od (0) i (0) do o i o, resektivo. Da bi se a{le rasodele osilaca aelektrisaja, otrebo je re{iti difuzioe jeda~ie za majiske osioce. Na rimer, za {uljie kao majiske osioce u -oblasti, gde je o = cost., i kada se e razmatra relazo staje, difuzioa jeda~ia (jeda~ia kotiuiteta) (152) u Elektroskoj fizici ~vrtog tela glasi: odakle je: d 2 2 d o D = 0, 2 dx τ ( ( x) ) dx 2 o ( x) L 2 o = 0, (2.4) gde je L = D τ difuzioa duìa {uljia u -oblasti i u fukciji kocetracije rimesa rikazaa je a sl. 2.10 (kao {to je raije re~eo, D je koeficijet difuzije {uljia, a τ vreme ìvota {uljia kao majiskih osilaca, sl. 2.11). Za~eje difuzioe duìe L vidi se sa sl. 2.9b, a rakti~o to je rastojaje ri kojem ijektovaa kocetracija {uljia oade a e-ti deo od (0). Sl. 2.10. Difuzioe duìe majiskih osilaca u fukciji kocetrracije rimesa. Re{eje diferecijale jeda~ie (2.4) je: x x x x ( x ) o = A ex + B ex = Cch + Dsh L L L L. (2.5) 15

Sl. 2.11. Vremea `ivota majiskih osilaca u fukciji kocetrracije rimesa. tegracioe kostate A, B, C i D u (2.5) se odre uju iz grai~ih uslova za x = 0 i x, odoso x = w (w je du`ia -oblasti, sl. 2.9) Naime, ijektovae {uljie se, kre}u}i se kroz -oblast, rekombiuju, tako da ri x >> L (rakti~o ri x ) jihova kocetracija oade a o ; smejuju}i, dakle, ( ) = o u (2.5) i (w ) = o sledi da je B = 0, odoso D: w D Cctgh L =. (2.6a) Sa druge strae, za x = 0 kocetracija ijektovaih {uljia je (0), data jeda~iom (2.2), te je iz (2.5): V A = C = (0) = ex 1 o o. (2.6b) U T Prema tome, smejuju}i (2.6) u (2.5), dobija se da se kocetracija {uljia du` x-ose meja o zakou: x ( x) = ) o ( ) ( ) = (0) o ex (0 o ch ctgh sh L L L L x w x. (2.7) z osledje jeda~ie, za difuziou struju {uljia J d, koriste}i jed. (75) iz Elektroske fizike ~vrtog tela, dobija se: 16

J d ( x) = qd d ( x) dx = qd (0) L o ex x L = J d (0) ex x L, (2.8a) odoso kada ije w >> L : w x x J = d ( x) J d (0) ctgh ch sh, (2.8b) L L L gde je J d (0) gustia struje {uljia a o~etku -oblasti (za x = 0): J = qd (0) o d ( 0). (2.9) L z jed. (2.8a) se vidi da gustia difuzioe struje ima sli~u rasodelu kao i kocetracija ijektovaih {uljia, sl. 2.12. To za~i da }e ova struja (J d ) oadati udaljavajem od - soja. Kako gustia difuzioe struje {uljia J d oada, tako gustia driftovske struje elektroa J drift raste (sl. 2.10). Smer difuzioe struje {uljia je u smeru kretaja {uljia, a ovo kretaje je u smeru oadaja jihove kocetracije, tj. u deso. Elektroi se, ak, kre}u u susret {uljiama, u levo, te je i smer struje elektroa u deso. Sli~o jed. (2.8), za difuziou struju elektroa J d u -oblasti - soja se dobija: J d odoso kada ije w >> L : (0) o x x ( x) = qd = ex J d (0) ex, (2.10a) L L L w x x J = d ( x) J d (0) ctgh ch sh. (2.10b) L L L Dakle, i difuzioa struja elektroa oada sa rastojajem u levo od - soja, a kako difuzioa struja elektroa (kao majiskih osilaca) oada, tako driftovska struja {uljia (kao ve- }iskih osilaca) J drift raste, sl. 2.12. Sl. 2.12. Kvalitativa redstava rasodele gustia struja u - diodi. 17

Na osovu rethodog razmatraja mo`e se zaklju~iti da sa dese strae uz sam - soj ostoji difuzioa struja {uljia J d (0) astala usled toga {to su {uljie iz -oblasti re{le u - oblast. sta tolika struja {uljia mora ostojati i sa leve strae. Me utim, kako su sa leve strae {uljie ve}iski osioci, to sa leve strae ostoji driftovska struja {uljia, tako da je J drift (0) = J d (0). sto tako, sa dese strae, ored difuzioe struje {uljia J d (0), uz sam - soj ostoji i driftovska struja elektroa J drift (0) koja oti~e od elektroa koji relaze - soj, ri čemu je ta driftovska struja elektroa jedaka difuziooj struji elektroa u -oblasti uz sam soj, tj. J drift (0) = J d (0). Prema tome, osmatraju}i struju sa leve ili dese strae uz - soj, roizilazi da je ukua gustia struje diode jedaka zbiru difuzioih gustia struja elektroa i {uljia uz - soj. Dakle, da bi se zala struja diode dovoljo je ozavati samo vredosti difuzioih struja J d (0) i J d (0) za x = 0, koje, u o{tem slu~aju, a osovu (2.8b) i (2.10b) glase: J d = J d (0) + J d (0) = qd (0) L o w ctgh L + qd (0) L o w ctgh L. (2.11) Smejuju}i izraze za (0) iz (2.12) i (0) iz (2.13) u (2.11), za difuziou gustiu struje diode se dobija: J d qd o w qd o w V V = ctgh + ctgh ex 1 = J ex 1 s, (2.12) L L L L U T U T gde je sa J s oza~ea iverza gustia struje zasi}eja: qd w qd o w = ctgh. (2.13) L L o J s ctgh + L L Gustia struje J s je azvaa "iverzom" zbog toga {to bi, ako se razmatra samo difuzioa struja, ta struja tekla ri iverzoj olarizaciji. Naime, ri iverzoj olarizaciji (a -ti ozitiva a a -ti egativa ol aoa, sl. 2.5c) je u jed. (2.12) ex(-v/u T ) << 1 ve} ri aoima V = 0,2V, tako da iz (2.12) sledi da je tada J = J s. verza struja zasi}eja je veoma mala (kod silicijumskih dioda reda A do A), s obzirom da, rema (2.13), ju odre uju kocetracije majiskih osilaca aelektrisaja, a oe su, kao {to je okazao, male. U slu~aju kada su - i -oblasti toliko duga~ke da su isujei uslovi w >> L i w >> L, tada su ctgh(w /L ) 1 i ctgh(w /L ) 1, tako da je, a osovu (2.13), iverza gustia struje zasi}eja: qd o qd o J s +. (2.14a) L L Me utim, kada su - i -oblasti uske, odoso ako je {iria -oblasti w << L, a {iria - oblasti w << L, razvijajem ctgh(w /L ) i ctgh(w /L ) u redove, odakle je ctgh(w /L ) L /w i ctgh(w /L ) L /w, iz jed. (2.13) se dobija: qd o qd o J s +. (2.14b) w w Pri direktoj olarizaciji - soja eksoecijala fukcija u jed. (2.12) brzo raste i ve} ri aou ve}em od 0,2V je ex(v/u T ) >> 1. Prema tome, - soj uklju~e u kolo elektri~e 18

struje, rou{ta struju kada je direkto olarisa, a rakti~o je e rou{ta ri iverzoj olarizaciji; drugim re~ima, - soj (dioda) ima usmera~ke karakteristike, sl. 2.13. Kao {to se sa sl. 2.11a vidi, struja silicijumske diode aglo o~ije da raste oko 0,6V, a se taj ao uzima kao ao vo eja diode. a. b. Sl. 2.13. Difuzioa struja Si diode u fukciji aoa u li-li razmeri (a) i log-li razmeri (b). 2.2.2. Difuzioa struja diode sa eitaksijalim slojem ( + -- + diode) Na sl. 2.14 je rikazaa rasodela osilaca du` takve diode ri direktoj olarizaciji. S obzirom da u eitaksijaloj diodi ostoji - + (l-h) relaz, to }e se u jemu formirati elektri~o olje koje astaje usled toga {to ve}iski osioci aelektrisaja odlaze difuzijom ka mestu sa iskom kocetracijom rimesa, ostavljaju}i, ri tom, ekomezovae rimese joe a mestu gde je kocetracija rimesa ve}a, a istovremeo astaje difuzioo kretaje majiskih osilaca u surotom smeru od smera kretaja ve}iskih osilaca aelektrisaja (deo 5.1 u Elektroskoj fizici ~vrstog staja). To ugra eo elektri~o olje u - + oblasti je takvog smera da deluje kao ko~e}e olje a kretaje {uljia. Stoga rasodele ijektovaih {uljia (x) i difuzioe struje {uljia J d (x) du` x-ose e}e biti iste kao u slu~aju kada ema eitaksijale oblasti. Nadalje }e se okazati kako se mogu odrediti ove rasodele, uz retostavku kostatih kocetracija rimesa u svim oblastima. U tu svhu, u bilo kojoj ta~ki olurovodika, kada kroz jega roti~e struja, tj. kada ostoji atkocetracija osilaca aelektrisaja Δ Δ, gustia struje jede vrste osilaca jedaka je roizvodu koli~ie aelektrisaja elektroa, atkocetracije osilaca i efektive brzie ovr{iske rekombiacije te vrste osilaca. Prema sl. 2.14, efektive brzie ovr{iske rekombiacije su: S 0 a o~etku -oblasti, tj. a o~etku eitaksijale oblasti isod ravog dela - soja (za x = 0); S 1 a kraju -oblasti, tj. a o~etku - + relaza (za x = w ); S 2 a o~etku + -oblasti (s obzirom da se ta oblast mo`e ezaviso razmatrati, oovo }e se uzeti x = 0); S M a kraju + -oblasti (rakti~o to je brzia ovr{iske rekombiacije a metalu, koja je vrlo velika, i uzima se S M ). 19

Sl. 2.14. Kvalitativa redstava eitaksijale diode i rasodele kocetracije osilaca aelektrisaja du` je ri direktoj olarizaciji, uz aroksimaciju skokovitog + - relaza. Dakle, ako je a mestu x u -tiu olurovodika efektiva brzia ovr{iske rekombiacije {uljia S, oda je gustia struje {uljia jedaka: J = qs Δ. (2.15) Ovde }e se izvesti diferecijala jeda~ia za odre ivaje efektive brzie ovr{iske rekombiacije (u ovom slu~aju {uljia) u ekoj oblasti sa roizvoljim rofilom doorskih rimesa N D. Naime, uz omo} sl. 2.14, kao i do sada, za oza~avaje kocetracija osilaca aelektrisaja koristi}e se ozake u kojima je agla{eo da se te kocetracije odose a jako doirai olurovodik, ri ~emu dobijei rezultati "va`e" i za slabo doirau oblast -tia olurovodika, sa aomeom da je tada + 0 = 0, + =, a veli~ia bi tada bila ξ / 0. = + ξ = (2.16) + 0 20

Koriste}i (2.16), jed. (2.15) se mo`e aisati i u obliku: + J = qs Δ = qs ( ξ 1), (2.17) 0 odakle je: + dj ds d d( ξ 1) + 0 + = q0 ( ξ 1) + qs ( ξ 1) + qs 0. (2.18) dx dx dx dx Kako je, a osovu (150) u Elektroskoj fizici ~vrstog staja jeda~ia kotiuiteta dj dx Δ = q τ = q + 0 ( ξ τ 1), (2. 19) to se, izjeda~avaju}i (2.18) i (2.19), dobija: ds dx = S d + 1 0 + 0 dx 1 dξ + ξ 1 dx 1 τ. (2.20) Sa druge strae, a osovu Selvakumarovog izraza (jed. (123) u Elektroskoj fizici ~vrstog staja), struja {uljia kao majiskih osilaca je J = qd dξ + 0, dx {to, kada se izjeda~i sa (2.17), daje dξ + + qd 0 = qs 0 ( ξ 1), dx odakle je: 1 ξ 1 dξ dx S = D. (2.21) Smatraju}i da su a soboj temeraturi sve rimese joizovae, tj. da je se, a osovu (51) u Elektroskoj fizici ~vrstog staja, aisati: + + 0 N D, mo`e N D = + + + + 2 0 0 0 ie, odakle je N = ie i + + D 2 0 2 i. (2.22) 21

Uvode}i efektivu kocetraciju doora N Deff, defiisau izrazom + N D N Deff =, (2.23) 2 ie i ~ije se za~eje mo`e videti sa sl. 2.15, a kojoj je rikaza jeda reala - + relaz (tkzv. l-h + 2 relaz), to, s obzirom da je, a osovu (2.22) i (2.23), N Deff =, sledi: 0 i + 1 d dn 0 1 Deff =. (2.24) + dx N dx 0 Smejuju}i (2.21) i (2.24) u (2.20), dobija se Del Alamova diferecijala jeda~ia za odre ivaje efektive brzie ovr{iske rekombiacije majiskih osilaca ({uljia): Deff ds dx 2 S 1 dn Deff 1 = + S. (2.25) D N dx τ Deff Rezultati efektive brzie ovr{iske rekombiacije {uljia za rofil rimesa sa sl. 2.13, dobijei umeri~kim re{avajem diferecijale jeda~ie (2.25) za tri razli~ite vredosti gustie struja {uljia rikazai su a sl. 2.16. Vidi se da efektiva brzia ovr{iske rekombiacije {uljia ima ajmaju vredost a kraju iskodoirae oblasti, tj. a o~etku - + (l-h) relaza, a da je jea ajve}a vredost (za ovaj rofil rimesa) u jako doiraoj oblasti. Sl. 2.15. Profili kocetracije rimesa (N D ) i efektive kocetracije rimesa (N Deff ) l-h relaza. 22

23 Sl. 2.16. Efektiva brzia ovr{iske rekombiacije {uljia du` strukture sa sl. 2.15. Prvo }e se razmatrati eitaksijala oblast. Sa omeutim ozakama i ~ijeicom da je u eitaksijaloj oblasti N D = cost., iz Del Alamove jeda~ie (2.25) sledi: D S dx ds τ = 1 2. (2.26) Uvode}i, kao i raije, difuziou du`iu {uljia D L τ =, iz (2.26) se dobija: = ) ( 0 2 2 1 x S S x dx L D S ds D, ~ije je re{eje: + = + L x L D S L D S L D x S L D x S 2 ex ) ( ) ( 0 0. (2.27) Kako je i u sustratu kocetracija rimesa kostata, to se i za oblast sustrata dobija sli~a izraz izrazu (2.27), odakle je:

S S M M D + L D L su su su su = S S 2 2 D + L D L su su su su 2w ex L + su, (2.28) su gde je sa D i L su aza~eo da je re~ o koeficijetu difuzije i difuziooj du`ii {uljia u sustratu, resektivo. su su Kako je S >> D L, to se iz (2.28) dobija: M S 2 su D w = ctgh. (2.29) L L su + su. U aj~e{}em broju slu~ajeva je w >> + su L, te iz (2.29) sledi: su D S 2. (2.30) L su Kada se za S 2, za dati rofil rimesa se iz Del Alamove jeda~ie (2.25) umeri~ki odre uje vredost efektive brzie ovr{iske rekombiacije S 1. Uz retostavku da se za vredost S 1 = S (w ), iz (2.27) se dobija: S D ei w 0 = ψ ei B ctgh, (2.31) ei L L ei ei gde je sa D i L agla{eo da su to koeficijet difuzije i difuzioa du`ia {uljia u eitaksijaloj oblasti, resektivo, a sa ψ B je aza~ea veli~ia: w S L tgh + ei L D ψ B =. (2.32) w S ctgh + L ei ei 1 ei ei 1L ei D Veli~ia ψ B u fukciji odosa w /L za silicijumsku diodu kod koje je u eitaksijaloj oblasti N D = 10 16 cm -3 rikazaa je, za razli~ite vredosti S 1, a sl. 2.17. Od veli~ie ψ B zavisi i rasodela majiskih osilaca u -oblasti. Naime, re{eje difuzioe jeda~ie (2.4) u eitaksijaloj oblasti glasi: x x C sh. (2.33) L ( x) o = C1ch + ei 2 L ei tegracioe kostate C 1 i C 2 se odre uju iz grai~ih uslova: za x = 0 sledi da je C = (0) o 1, 24

Sl. 2.17. Zavisost veli~ie ψ B od odosa {irie i difuzioe duìe {uljia u -oblasti. a iz uslova da je ri x = w kocetracija {uljia (w ), dobija se kad se smei u (2.33), daje: w C2 = C1 ψ B ctgh, {to, L ei x w x ( x) o = [ (0) o ] ch ψ B ctgh sh ei ei ei. (2.34) L L L z (2.34) se izvodi veoma vaà zaklju~ak: kada je w << L ei (a samim tim i x << L ei ), razvijaju}i u red hierboli~ke fukcije u (2.34), dobija se: x ( x) o [ (0) o ] 1 ψ B o w (0). (2.35) Drugim re~ima, za uske eitaksijale oblasti, odoso kada je w << L ei, kocetracija ijektovaih {uljia (kao majiskih osilaca) se veoma malo meja u eitaksijaloj oblasti, odoso (x) cost. Treba aomeuti da se ovo veoma razlikuje od rasodele majiskih osilaca u diodi bez eitaksijale oblasti (sl. 2.9), kada se ijektovaa kocetracija {uljia (x) eksoecijalo smajuje do ravoteè kocetracije o. Da bi se "oravdalo" tvr eje (2.35), razmatraa je reala eitaksijala dioda sa rofilima rimesa kao a sl. 2.18. Numeri~kim re{avajem Del Alamove jeda~ie (2.25) dobijei su rezultati za brzie ov{iskih rekombiacija du`, - + i + -oblasti (sl. 2.19), a otom su izra~uate ijektovae atkocetracije Δ = (x) o i ti rezultati su, za razli~ite gustie struja, redstavljei a sl. 2.20. Sa sl. 2.20 se vidi, 25

a to je evideto i iz (2.35), da se ri rolasku kroz -oblast ijektovae {uljie iz + oblasti veoma malo rekombiuju, a za~aja rekombiacija astaje a l-h, tj. - + relazu. Tek ako izlaska iz oblasti l-h relaza i ulaska u + oblast, atkocetracija {uljia eksoecijalo oada ka metalom kotaktu, a isti a~i kao a sl. 2.9 i rema jed. (2.7). Sl. 2.18. Profil rimesa jede reale eitaksijale ( + -- + ) diode. Sl. 2.19. Efektiva brzia ovr{iske rekombiacije {uljia u, - + i + oblastima za diodu sa sl. 2.18. 26

Sl. 2.20. Natkocetracija {uljia u, - + i + oblastima diode sa sl. 2.18: liije a osovu (2.34); simboli umeri~ki simulator BAMB. Kada je re~ o gustii struje majiskih osilaca, iz (2.34) se dobija: J = ei d ( x) ei (0) o = w x x ( x) qd ψ qd ei B ctgh ch sh (2.36) ei ei dx L ei L L L i jea rasodela du`, - + i + -oblasti za strukturu sa sl. 2.18 je redstavljea a sl. 2.21. z jed. (2.36) dobija se da je gustia struje {uljia a mestu x = 0 (a o~etku eitaksijale oblasti), izostavljaju}i ozake "ei": J (0) w ctgh o ( 0) = qd ψ B. (2.37) L L S obzirom da je, a osovu (2.15), tako e J 0) = qs [ (0) ] ( 0, sledi da je: o S D w 0 = ψ B ctgh. (2.38) L L Uoreduju}i izraz (2.37) sa izrazom (2.9) za struju J (0) diode bez eitaksijale oblasti, vidi se da se razlikuje za veli~iu ψ B ctgh(w /L ). S obzirom da je ψ B ctgh(w /L ) < 1, sledi da je ri istim ivoima ijekcije {uljia (istoj vredosti (0), odoso istom aou direkte olarizacije V) struja u diodi sa eitaksijalom obla{}u ψ B ctgh(w /L ) uta maj od struje u diodi bez 27

eitaksijale diode (klasi~oj laaroj diodi). Daljom aalizom izraza (2.37), uz omo} sl. 2.17 i jed. (2.32), moè se zaklju~iti slede}e: Sl. 2.21. Gustia struje {uljia u, - + i + oblastima diode sa sl. 2.18: liije a osovu (2.36); simboli umeri~ki simulator BAMB. 1. Kada je {iria -oblasti relativo velika, odoso ako je w 2L, moè se uzeti da je ψ B ctgh(w /L ) 1, odoso za struju J (0) se dobija izraz (2.9); 2. Kada je -oblast veoma uska, tj. kada je w << L, kao i kada w 0, zbog toga {to je tgh(w /L ) << (S 1 L /D ) << ctgh(w /L ), iz uslova da su struje a o~etku i kraju - + relaza ribliò jedake (sl. 2.21), uz kori{}eje (2.30), dobija se: J + + + + su (0) o (0) qs1[ (0) o ] qs 2 [ (0) o ] qd, (2.39) su L tj. dobija se da su tada svi rocesi u + -oblasti. Kako se uslovi za difuziju elektroa u -tiu diode sa eitaksijalim slojem isu izmeili u odosu a diodu bez tog sloja, to za gustiu struje elektroa J (0) "vaì" drugi deo jed. (2.11), tako da se za struju diode sa eitaksijalom obla{}u, a osovui (2.37), sli~o (2.12), dobija: J d = J (0) + J d (0) = qd (0) L o ψ B w ctgh L + qd (0) L o w ctgh L, (2.40) odoso kada se smee izrazi za (0) iz (2.2) i (0) iz (2.3) u (2.40), za difuziou gustiu struje eitaksijale diode se dobija: 28

J d qd o w qd o w V V = ψ + ex 1 = ex 1 B ctgh ctgh J s, (2.41) L L L L U T U T gde je sa J s oza~ea iverza gustia struje zasi}eja eitaksijale diode: qd w qd o w = ctgh. (2.42) L L o J s ψ B ctgh + L L Kada se izraz uoredi sa izrazom (2.13) za diodu bez eitaksijalog sloja vidi se da se kod eitaksijale diode ~la koji se odosi a eitaksijalu oblast razlikuje za ψ B < 1. 2.2.3. Geeracioo-rekombiacioa struja Difuzioa teorija - soja, o kojoj je do sada bilo re~i, daje dosta dobro slagaje teorijskih i ekserimetalih vredosti struja samo ri ve}im direktim aoima a diodi. Pri i`im direktim aoima, a osebo ri iverzoj olarizaciji izmeree vredosti iverzih gustia struja J R su zato ve}e od oih koje se dobijaju a osovu difuzioe teorije, tj. a osovu (2.14), odoso (2.42); drugim re~ima, J R >> J s (obi~o je J R 1000J s ). To za~i da ostoji eka ojava o kojoj u dosada{joj aalizi ije vo eo ra~ua, a to je da, za razliku od retostavljeog totalog osiroma{eja relaze oblasti - soja, u joj iak ima geeracije i rekombiacije osilaca aelektrisaja. Pri iverzoj olarizaciji u relazoj oblasti - soja se smajuje kocetracija osilaca isod ravote`e. Zbog toga se smajuje rekombiacija, a reovladava geeracija osilaca. Sa druge strae, ri direktoj olarizaciji kocetracija osilaca se u relazoj oblasti - soja ove}ava, te se ove}ava rekombiacija i ostaje ve}a od geeracije osilaca. Prema tome, ored difuzioe struje, ri direktoj olarizaciji diode ostoji i rekombiacioa struja J rec, a ri iverzoj olarizaciji geeracioa struja J ge. U delu 3.2 u Elektroskoj fizici ~vrstog staja o rekombiaciji osilaca aelektrisaja brzia rekombiacije U je bila data izrazom (126): U = σ + i σ σ Et E ex kt i v th ( + σ 2 i ) N t + i Et E ex kt i, (2.43) ri ~emu su: σ i σ ore~i reseci zahvata {uljia i elektroa, v th termi~ka brzia osilaca aelektrisaja, N t i E t kocetracija i eergetski ivo cetra zahvata, resektivo. Geeracioa struja Kao {to je re~eo, geeracioa struja je domiata ri iverzoj olarizaciji - soja. U tom slu~aju je < i i < i, te iz (2.43 ) sledi: 29

U = σ σ Et Ei ex + σ kt σ v th N t i Et Ei ex kt = τ i e, (2.44) gde je τ e efektivo vreme `ivota osilaca aelektrisaja i oo je defiisao reciro~om vredo{}u izraza u sredjim zagradama u jed (2.44); drugim re~ima, ri E t = E i, koriste}i (130) i (132) u Elektroskoj fizici ~vrstog staja, dobija se da je τ e = τ + τ. Na osovu (2.44), gustia geeracioe struje J ge je: J ge w iv = qu dx = quw 0 iv = q w τ i iv + τ, (2.45) gde su τ i τ vremea `ivota {uljia i elektroa, resektivo, a w iv {iria relaze oblasti iverzo olarisaog - soja. Kao {to se vidi iz osledjeg izraza, geeracioa struja je direkto roorcioala {irii relaze oblasti. To za~i da }e, rema (166) u Elektroskoj fizici ~vrstog 2 staja, kod skokovitog - soja struja geeracije J ge biti roorcioala V 1/ i (sl. 2.23) (V i iverzi ao), a kod lieraog - soja, a osovu (213) u Elektroskoj fizici ~vrstog staja, 3 J ge }e biti roorcioala V 1/ i (sl. 2.22). S obzirom da je J ge >> J s, to je uravo geeracioa struja J ge oa struja koja roti~e kroz diodu ri iverzoj olarizaciji - soja. Sl. 2.22. Struja silicijumske diode ri iverzoj olarizaciji za lieare i skokovite - sojeve. 30

Rekombiacioa struja Rekombiacioa struja je domiata ri malim direktim aoima. Kako je tada u - oblasti (0) o, a rema (2.2) je (0) = o ex(v/u T ), to je: V 2 V (0) (0) = oo ex = i ex. (2.46) U U T T Smejuju}i (2.46) u (2.43), uz uslov da se razmatra slu~aj ajve}e brzie rekombiacije (E i = E t ), dobija se: 2 = i V U ex τ ( + ) + τ ( + ) 1. (2.47) i i U T Sa druge strae, kocetracije i u -oblasti date su [oklijevim izrazima, koje, uvode}i Fermijev ivo E i sostveog olurovodika, glase: i = = o o EF EF EF Ei ex = i ex (2.48) kt kt EF EF Ei EF ex = i ex, (2.49) kt kt ri ~emu su E F i E F kvazi-fermijevi ivoi za elektroe i {uljie, resektivo. Kada se jeda~ie (2.48) i (2.49) smee u (2.47), dobija se da je brzia rekombiacije maksimala ri E i = (E F + E F )/2. S ovim, i s aomeom da je ao a diodi V = (E F E F )/q, jed. (2.47), ri V > 2U T, ostaje: U ex V U = i T i ex τ + τ V τ + τ 2U. (2.50) T ex 2U T 1 + 1 V Prema tome, gustia rekombiacioe struje J rec je data izrazom: J rec wdir qiwdir qudx = τ 0 + τ V = ex. (2.51) 2U T Kako u direktom smeru {iria relaze oblasti w dir malo zavisi od aoa, to se mo`e aisati: J rec V = J r ex, (2.52) 2U T gde je 31

J r q w = i dir. (2.53) τ + τ Kao {to se vidi iz jed. (2.52), i rekombiacioa struja, kao i difuzioa struja, eksoecijalo raste sa aoom, ali sa bla`im agibom strujo-aoske karakteristike, sl. 2.23; me utim, struja J r je zato ve}a od J s. 2.2.4. Ukua struja diode Ukua struja diode ri direktoj olarizaciji jedaka je zbiru difuzioe i rekombiacioe struje (S je ovr{ia - soja): V V = S J = d + rec = s ex 1 + r ex U (2.54) T 2U T i je grafik u fukciji direktog aoa rikaza je a sl. 2.23. Sl. 2.23. Difuzioa ( d ), rekombiacioa ( rec ) i ukua struja () direkto olarisae silicijumske diode u fukciji aoa. 32

Prema tome, za male direkte aoe kod silicijumskih dioda bi}e rec, s obzirom da je J rec >> J d, sl. 2.23. Sa orastom aoa brè raste eksoecijala ~la difuzioe komoete, te }e difuzioa struja d ri "sredjim" aoima dosti}i rekombiaciou struju rec. Sa daljim ove- }ajem aoa difuzioa komoeta struje ostaje domiata, sl. 2.23, te adalje za ukuu struju vaì sve oo {to je re~eo za difuziou struju u delovima 2.2.1 i 2.2.2. Na osovu svega re~eog moè se aisati o{ti izraz za struju diode: V = ex 1 sm, (2.55) mu T ri ~emu je koeficijet 1 m 2. Uz kostataciju da je ri iverzoj olarizaciji sm = SJ ge (J ge o (2.45)), u izrazu (2.55) se za maje vredosti direktog aoa (V < 0,3V) uzima m = 2 i sm = r ( r o (2.53)), dok je ri ve}im direktim aoima (V 0,5V), tamo gde se dioda ajvi{e i koristi, m =1 i sm = s ( s o (2.14) ili (2.42)), odoso treba koristiti izraz : V = ex 1 s. (2.56) U T Nadalje }e se, ako to e bude osebo agla{eo, ri aalizi svih ojava u diodi uvek za struju diode koristiti izraz (2.56). 2.3. UTCAJ TEMPERATURE NA STAT^KE KARAKTERSTKE DODE z svih izraza za struju diode vidi se da oa zavisi od temerature, rvestveo {to u eksoetu u tim izrazima figuri{e termi~ki otecijal U T = kt/q. Dakle, kako je temeratura u eksoetu, to ova zavisost e}e biti mala. Pored toga, iverza struja zasi}eja s je direkto roorcioala kocetracijama majiskih osilaca, a oe, tako e, jako zavise od temerature. Naime, iverza struja zasi}eja, a rimer rema (2.14a), data je izrazom: s qd o qd o qd o SqD 2 = S + S i, (2.57) L L L L N D gde je, kao i raije, sa S oza~ea ovr{ia - soja i gde je uzeto, {to je skoro uvek u raksi isujeo, da je difuzioa struja majiskih osilaca u oblasti sa majom kocetracijom rimesa zato ve}a od odgovaraju}e difuzioe struje u oblasti sa ve}om kocetracijom rimesa (u ovom slu~aju >> ); tako e, uzeto je da su sve rimese joozovae ( o N D ). 2 Kako je, rema (36) u Elektroskoj fizici ~vrstog staja, i = N c N v ex( Eg / kt ), a efektivi brojevi kvatih staja rovode N c i valete N v zoe su dati izrazima (19) i (29), resektivo, (tako e u Elektroskoj fizici ~vrstog staja), to se iz (2.57) dobija: ( T ) = s SqD L N D 3 / 2 3 / 2 2πm π E E dek 2 mdhk 3 g T 3 g 2 2 ex AT ex, (2.58) 2 2 h h kt kt 33

ri ~emu je, iako od temerature relativo malo zavise i druge veli~ie (D, L, m de i m dh ), oza- ~eo sa A cost. sve isred T 3. S obzirom da se i eergija {irie zabrajee zoe E g meja sa temeraturom o zakou (1) i sl. 14 u Elektroskoj fizici ~vrstog staja, to je mogu}e izra~uati temeraturu romeu iverze struje zasi}eja. Najogodije je tu romeu uorediti sa vredo{}u s a 300K, te iz (2.58) sledi: T 3 E E T T g (300) g ( ) s ( ) T = ex 300, (2.59) s (300) 300 kt ri ~emu je temeratura T u Kelviovim steeima. Na sl. 2.24 je rikaza odos s (T)/ s (300) a osovu (2.59); vidi se da je iverza struja zasi}eja jako temeraturo zavisa i da se sa orastom temerature oa veoma ove}ava. Sl. 2.24. Temerature romee: (a) iverze struje zasi}eja i (b) aoa a diodi ri direktoj olarizaciji (ri = cost.). Smejuju}i (2.58) u izraz za struju direkto olarisae diode, a rimer u (2.12), i zaemaruju}i jediicu u odosu a eksoecijali ~la, dobija se: ( T ) AT 3 qv ex Eg ( T ) kt. (2.60) Dakle, iz (2.60) se vidi da }e, ako se ao a diodi odr`ava kostatim (V = cost.), i temeratura romea struje direkto olarisae diode imati istu zavisost kao a sl. 2.24a. Ako, je ak, struja direkto olarisae diode kostata ( = cost.), iz (2.60) se dobija: 34

T 1 T T V ( T ) = V (300) + E g ( T ) E g (300) 3U T l. (2.61) 300 q 300 300 Na sl. 2.24b je rikazaa temeratura romea aoa a direkto olarisaoj diodi, ri ~emu je uzeto da je ri T = 300K ao a diodi V(300) = 0,65 V. Sa slike se vidi da ao direkto olarisae diode oada sa ove}ajem temerature, odoso da je temeraturi koeficijet direktog ada a aoa a diodi egativa. 2.4. ADMTANSA DREKTNO POLARSANE DODE Kao {to je okazao, dioda je elektroska komoeta sa eliearom strujo-aoskom karakteristikom. ak, mo`e se govoriti o jeoj otorosti kada se jedosmeroj komoeti struje sueroira aizmei~a komoeta dovoljo male amlitude. Za aalizu }e se uzeti oa oblast strujo-aoske karakteristike koja se u raksi ajvi{e koristi, a to je oblast u kojoj domiira difuzioa komoeta struje i ri kojoj se ad aoa a omskoj otorosti diode mo`e da zaemari. U tom slu~aju, a osovu (2.56), kada se zaemari jediica u odosu a eksoecijali ~la, struja diode je: V V = s ex 1 s ex U. (2.62) T U T Stati~ka otorost diode je defiisaa ravom koja olazi iz koordiatog o~etka, a rolazi kroz ta~ku (radu ta~ku) odre eu aoom, odoso strujom kroz diodu (sl. 2.25). Sa druge strae, olaze}i od osledjeg izraza, otorost diode jedosmeroj struji (stati~ka otorost r s ) je: r s = V U = T 1 l =. (2.63) tgα s s z jed. (2.63) se vidi da stati~ka otorost r s zavisi od vredosti struje. Sa ove}ajem struje (ili aoa) otorost r s oada. Otorost aizmei~oj komoeti struje (diami~ka otorost r d ) je: r d = dv d V = T 1 =. (2.64) tgα d Na sl. 2.25 otorost r d je odre ea tagetom a strujo-aosku karakteristiku diode u radoj ta~ki. Pored otorosti r d, dioda ima i osobiu kaacitivosti. Ve} je okazao da ostoji barijera kaacitivost (oglavlje 5.2.2 u Elektroskoj fizici ~vrstog staja). Ovde }e se aalizirati jo{ jeda vrsta kaacitivosti diode, tkzv. difuzioa kaacitivost. Naime, kao {to je ve} okazao, od uticajem aoa V uz - soj se ove}ava kocetracija majiskih osilaca. Kako su osioci aelektrisai, agomilava se izvesa koli~ia aelektrisaja Q. Promeom aoa meja se i ta koli~ia aelektrisaja, te je difuzioa kaacitivost C d : 35

Sl. 2.25. Uz defiiciju stati~ke i diami~ke otorosti diode. dq C d =. (2.65) dv Da bi se dobila difuzioa kaacitivost, kao i admitasa diode, olazi se od slede}eg razmatraja. Neka je a diodu, ored jedosmere olarizacije V, riklju~e i aizmei~i ao male amlitude V 1 (V 1 << V), tako da je: V ( t) = V + V1 ex( jωt). (2.66) Ako se osmatra esimetri~a + - soj oda je struja elektroa mala u odosu a struju {uljia i u daljoj aalizi, u cilju jedostavosti, oa }e se zaemariti. U tom slu~aju, od uticajem aoa datog sa (2.66), meja}e se i kocetracija {uljia o zakou: t) = + ex( jω ), (2.67) ( 0 1 t ri ~emu je 0 kocetracija {uljia astala od uticajem jedosmerog aoa V, a 1 amlituda romee kocetracije {uljia od uticajem aizmei~og sigala u odosu a 0 u -oblasti, sl. 2.26. Kako ovde ostoji vremeska romea kocetracije {uljia, jeda~ia kotiuiteta (148) u Elektroskoj fizici ~vrtog staja, za K = 0, mo`e se sada aisati u obliku: d( dt o ) = τ o + D d 2 ( dx 2 o ). (2.68) Kada se u jed. (2.68) smei kocetracija {uljia data sa (2.22), dobija se: 36

Sl. 2.26. Uz izvo eje admitase diode. d( 0 dt o ) + d dt [ ex( jωt) ] 1 = 0 τ o 1 ex( jωt) + D τ d 2 ( 0 dx 2 o ) + D d dx 2 2 1 ex( jωt) (2.69) Prema tome, osledja jeda~ia se svodi a dve ezavise jeda~ie (jedu od jedosmerog i jedu od aizmei~og re`ima): i d( d dt 0 dt o ) = 0 τ o + D d 2 ( 0 2 dx o ) = 0 1 [ j t) ] = D ex( jω ) (2.70) 2 ex( jωt) d ex( ω 2 1. (2.71) τ dx 1 t z (2.71) sledi: d 2 1 2 dx 1 2 L (1 + jωτ ) 1 = 0. (2.72) Ako se uvede "komleksa" difuzioa du`ia L L L =, (2.73) 1 + jωτ jed. (2.72) ostaje: 37

d 2 1 2 dx 1 2 L = 0. (2.74) Re{eje ove diferecijale jeda~ie je: x x 1 = Ach + Bsh. (2.75) L L Za x = 0 je kocetracija 1 = 1 (0) = A, a oa se dobija iz (2.2): V + V1 (0) + 1(0) = o ex, U T odakle je, razvijaju}i u red eksoecijalu fukciju: V V V1 ( 0) + +, U 1 1 (0) = o ex ex (0) (0) U T U T tj.: V1 A = 1 ( 0) (0). (2.76) U T T Zbog jedostavosti, eka je kocetracija {uljia 1 a kraju -oblasti 1 (w ) = 0, tako da iz (2.75) sledi: B w Actgh V w ctgh 1 = = (0). (2.77) L U T L Smejuju}i (2.76) i (2.77), dobija se: V 1 x w x = 1 o ( 0) ch ctgh sh. (2.78) U T L L L z (2.78) struja aizmei~og sigala je: d SqD 1 V1 = = w x x 1 ( x) SqD (0) ctgh ch sh, dx L U T L L L odoso za x = 0, koriste}i (2.9) i (2.73): SqD (0) V 1 w V1 = = = + ω w 1 1(0) ctgh 1 j t ctgh 1+ jωτ L U T L U T L z (2.79) admitasa - soja je:. (2.79) 38

1 w 1 = + ω w y = = 1+ jωt ctgh 1+ jωt 1 j t ctgh 1+ jωτ V1 U T L rd L. (2.80) Aaliziraju}i osledji izraz, moè se kostatovati slede}e: u slu~aju da je w >> L, iz (2.80) sledi: 1 y 1+ r d jωτ. (2.81) Za iske u~estaosti ovaj izraz se razvijaju}i u red otkoreu veli~iu jo{ moè urostiti (ωτ P <<1): 1 τ y = Gdo + jωcdo + jω. (2.82) r 2r d d Prema tome, ulazu imedasu diode a iskim u~estaostima i {irokoj -oblasti ~ii aralela veza diami~ke otorosti r d = U T / (jed. (2.64)) i difuzioe kaacitivosti C do : C do 2 τ L = =. (2.83) 2r 2D r d d Ovako dobijea veli~ia difuzioe kaacitivosti okazuje da se ri iskim u~estaostima i ri w >> L jeda olovia {uljia rekomiuje u -oblasti, a druga olovia vra}a azad u -oblast. Pri visokim u~estaostima i w >> L, i kojima je ωτ >> 1, jed. (2.80) ostaje: 1 2ωτ 1 τ y jωτ = Gd + jωcd = + jω. (2.84) r 2r r 2ω Prema tome, u ovom slu~aju je: d d d G d 2ωτ =, (2.85) 2r d a difuzioa kaacitivost: C d = 1 r d τ 2ω = C do 2. (2.86) τ ω Kao {to se iz (2.85) i (2.86) vidi, i reala i imagiara komoeta admitase diode zavise od u~estaosti, i to reala komoeta raste sa u~estao{}u, a imagiara oada (sl. 2.27). Naime, difuzioi roces kretaja osilaca zavisi od gradijeta kocetracije i zahteva izveso vreme da se usostavi ravoteà. Ukoliko se ao a - soju brzo meja, to e}e astuiti ravoteò staje, iti se ubaci za vreme ozitive olueriode sva koli~ia {uljia u -oblast, iti ta koli~ia {uljia iza e za vreme egative olueriode. Drugim re~ima, ubacuje se i izlazi 39

samo mala koli~ia {uljia uz - relaz. Prema tome, dq je maje za isto dv, te se smajuje i difuzioa kaacitivost sa ove}ajem u~estaosti (sl. 2.27). Sl. 2.27. Zavisost ormalizovae difuzioe rovodosti i difuzioe kaacitivosti od ωτ za slu~aj w >> L ; a grafiku je rikazaa ekvivaleta {ema - soja ri direktoj olarizaciji. z jed. (2.80) mogu se izvesti i slede}i zaklju~ci: u slu~aju uske -oblasti, kada je w << L, i kada su iske u~estaosti (ωτ << 1), razvijajem u red ctgh w / L ) dobija se: ( y 1 r d 1+ w jω 3D 2 = G d + jωc d. (2.87) Reala komoeta je i ovde G d = 1/r d, a difuzioa kaacitivost je: C d 2 w =. (2.88) 3D r d U imeiocu za difuziou kaacitivost figuri{e broj 3, {to za~i da za difuziou kaacitivost u~estvuje samo 1/3 ijektovaih osilaca, tj. ri romei aoa samo se 1/3 {uljia vrati u -oblast. 2.5. PRELAZNA STANJA KOD DODA U rethodom oglavlju je okazao da ostoji agomilavaje majiskih osilaca u eutraloj oblasti, ali je aalizirao samo ustaljeo staje koje ostoji od uticajem trajog jedosmerog aoa V i aizmei~og aoa kostate amlitude V 1. Ova aaliza je dovela do defiicije diami~ke otorosti r d, ili koduktase (rovodosti) G d i difuzioe kaacitivosti C d. Ovde }e biti aalizirae ojave kod dioda koje astaju ri agloj romei olarizacije. 40

Sl. 2.28. Uz aalizu relazih staja kod dioda. Sl. 2.29. (a) Rasodela kocetracije {uljia u treutku uklju~eja ri velikoj vredosti R 1 ; (b) rasodela struje i aoa a diodi ri istom uslovu. 41

Aalizira}e se rvo ojave ri uklju~eju, sl. 2.29. U treutku kada se rekida~ P rebaci u oloàj 1 ote}i }e struja i D. Ukoliko je otorik R 1 vrlo velike otorosti, tako da je V 1 >> V (V ao a diodi), struja }e biti odre ea otoro{}u R 1, tako da je: V i R 1 1 d = D = SqD = dx x= 0 cost. (2.89) Kako je struja kostata, to je u svakom treutku i izvod kocetracije ijektovaih osilaca uz - relaz kostata (agib krivih = f(x) za x = 0, sl. 2.29a). Zbog toga {to izvod rasodele osilaca za x = 0 mora da bude kostata, to kocetracija {uljia uz relazu oblast raste od ravoteè kocetracije o do kocetracije odre ee aoom a soju koji se usostavi ri ustaljeom staju. Ustaljeo staje astua osle beskoa~o dugog vremea. Me utim, ustaljeo staje rakti~o astaje ve} ako e{to ve}eg vremea od vremea ìvota {uljia τ (sl. 2.29b). Nao a - soju e}e o~eti da raste od ule, ve} od veli~ie ada aoa a redoj otorosti diode r s. Sl. 2.30. (a) Rasodela kocetracije {uljia u treutku ukiju~eja ri maloj vredosti R 1 (R 1 0); (b) rasodela struje i aoa a diodi ri istom uslovu (R 1 0). 42

Sl. 2.31. (a) Rasodela kocetracije {uljia ri iverzoj olarizaciji (ri t = t 0 dioda je bila direkto olarisaa); (b) i (c) rasodele struje i aoa a diodi ri istim uslovima. 43

U slu~aju da se riklju~i izvor vrlo male uutra{je otorosti (R i = 0), ve} u treutku uklju~eja a diodi se usostavi ao V, a kocetracija {uljia uz - soj je (0). U treutku t = t 0 = 0, s obzirom da je gradijet kocetracije osilaca beskoa~o veliki (sl. 2.30a), struja }e biti beskoa~o velika (sl. 2.30b). jekcijom osilaca jihov gradijet se smajuje, te se smajuje i struja. Posle izvesog vremea (teorijski t ) astua ustaljeo staje. Rasodele osilaca i struja imaju vredosti zavise od aoa V 1 a a~i odre e raijom aalizom (jed. (2.7) i (2.8)). Kada je astuilo ustaljeo staje, rebaci se rekloik P a sl. 2.28 u oloàj 2. Dioda je, a taj a~i, riklju~ea a iverzi ao V 2, reko otorika R 2 ; me utim, struja diode e}e treuto da oade a vredost R ivezo olarisae diode. Rasodela osilaca u -oblasti u treutku rebacivaja, ako je samo to rebacivaje bilo brzo (mogo kra}e od vremea ìvota {uljia), bi}e isto kao i a kraju faze isklju~eja (sl. 2.29a i sl. 2.30a za t ). Ako se retostavi da je V 2 >> V, to je: V2 = cost. (2.90) R 2 Kako iverza struja te~e u surotom smeru od direkte struje, to je i agib krive rasodele {uljia uz soj surota (sl. 2.31a), {to za~i da se {uljie vra}aju u -oblast. Struja }e biti kostata sve dok agib moè da bude kostata. Kada kocetracija {uljia oade a ulu, agib se mora smajivati, te }e i struja o~eti da oada. Vreme roteklo od treutka t = t 0 do treutka t = t (kada restaje da te~e kostata iverza struja) zove se vreme agomilaih osilaca T s : T s = t. (2.91) t 0 Vreme roteklo od treutka t do treutka t, kada iverza struja oade a 10% od struje, aziva se vreme oadaja iverze struje T f : T f = t t. (2.92) Ukuo vreme od treutka t 0 do treutka t, (sl. 2.31b) redstavlja vreme ooravka diode: T = t t0 = T + T. (2.93) o s f U treutku t 0, kada je riklju~e iverzi ao, ao a krajevima diode je ostao i dalje direkto olarisa, jer kocetracija ijektovaih osilaca e moè treuto da oade, te ao barijere ostaje isti. Nao je umaje samo za ad aoa a redoj otorosti. Pri direktoj olarizaciji ao a diodi je bio jedak zbiru aoa barijere i adu aoa a redoj otorosti r s D. verza struja te~e u surotom smeru, te }e ao a diodi sada biti maji od aoa barijere za ad aoa r s. Prema tome, ukua romea aoa a diodi je: Δ V = ( ) r. (2.94) D Kako kocetracija osilaca uz soj oada, tako i ao barijere oada, te oada i ao a - soju. Kada ao barijere ostae jedak uli, ao a - soju }e biti jedak adu aoa a redoj otorosti r s, a to }e biti u treutku t. Dalje, sa vremeom, iverzi ao o asolutoj vredosti aglo raste. Posle izvesog vremea (teorijski t ), ao a diodi, ako se zaemari iverza struja, bi}e jedak aou V 2. s 44

2.6. PN DODE PN dioda je oseba vrsta rekida~kih dioda koja sluì za uklju~ivaje i isklju~ivaje elektroskih komoeata u visokofrekvetim kolima. U odosu a obi~u diodu (sl. 2.32a), PN dioda (sl. 2.33) izme u olurovodika -tia (aoda) i olurovodika -tia (katoda) sadrì relativo {iroku oblast sostveog olurovodika (i-oblast a sl. 2.32b). Sredji sloj obi~o ije sasvim ~ist, ve} je ili -tia sa vrlo iskom kocetracijom doorskih rimesa (kada se oza~ava sa ν) ili -tia sa malom kocetracijom akcetorskih rimesa (tada se taj sloj obeleàva sa π). Stoga se umesto ozake PN u literaturi sre}u i obeleàvaja PνN i PπN. Odmah treba aglasiti da su kocetracije rimesa u sredjem sloju za vi{e redova maje od kocetracija rimesa u P, odoso N sloju. Sl. 2.32. Razlika izme u obi~e (a) i PN diode (b). Sl. 2.33. PN dioda sa karakteristi~im oblastima i je solja{ji izgled. Od PN dioda se zahteva da ri direktoj olarizaciji imaju malu otorost R S (sl. 2.34a), a da je ri iverzoj olarizaciji kaacitivost rostorog aelektrisaja C T (sl, 2.34b) {to maja. Oba uslova su ostiguta uravo i-slojem. Naime, ri direktoj olarizaciji se iz - i -oblasti, koje imaju visoke kocetracije rimesa, ijektuju osioci u i-oblast. Sa orastom struje D raste i 45

agomilaa kocetracija osilaca aelektrisaja (i elektroa i {uljia). Stoga reda otorost R S oada sa orastom direkte struje, sl. 2.35. Pri relativo velikoj struji reda otorost moè biti izuzeto mala (sl. 2.35). Sl. 2.34. Ekvivalete {eme PN diode ri direktoj i iverzoj olarizaciji. Sl. 2.35. Reda otorost PN diode ri direktoj olarizaciji u fukciji struje. Sa druge strae, ri iverzoj olarizaciji se relaza oblast {iri reko cele i-oblasti (od - do -oblasti). Kako se i-oblast moè a~iiti dovoljo {irokom (veliko w), to, zbog C T = εs/w, kaacitivost C T PN diode moè biti veoma mala. S obzirom da da je ri iverzoj olarizaciji imedasa velika, a ri direktoj mala, PN dioda moè da se koristi kao obi~a rekida~. Dimezije takve diode mogu biti veoma male, te se takav rekida~ moè koristiti umesto mehai~kog i a mestima gde se mehai~ki e moè 46

smestiti. Kako su zbog malih dimezija arazite kaacitivosti male, to }e takav rekida~ biti dobar za rekidaje kola koja rade a visokim u~estaostima. PN dioda kao rekida~ ima i tu redost {to je ouzdaija od mehai~kih rekida~a (dioda je zatvorea u ku}i{te, sl. 2.33), te a ju izuzeto malo uti~e atmosfera u kojoj radi. Osobia PN diode da joj se otorost sa romeom direkte struje kotiualo meja u {irokim graicama (sl. 2.35) koristi se i tako {to se ovakva dioda rimejuje kao romeljivi otorik. Tako e, PN dioda se koristi i kao ateuator za vrlo visoke u~estaosti, kada se ugra- uje u talasovod ili reosu liiju. Mejaju}i otorost diode mogu}e je vr{iti amlitudu modulaciju sigala. 47

3. BPOLARN TRANZSTOR 3.1. VRSTE TRANZSTORA Sama re~ "trazistor" astala je saìmajem re~i TRANSfer-resSTOR, koje a egleskom jeziku za~e "reosa otorost". Moè se, s ravom, re}i da je elektroska revolucija zao~ela roalaskom biolarih trazistora 1947. godie. Do tada su se olurovodici koristili samo za termistore, fotodiode i isravlja~e. 1949. godie [okli je ublikovao teoriju o radu olurovodi~kih dioda i biolarih trazistora i od tog treutka o~ije agli razvoj kako teorijskih istraìvaja, tako i idustrijske roizvodje ovih komoeata. Zahvaljuju}i itezivom aretku tehologije ove}ala se, zato, ouzdaost, saga, grai~a u~estaost i rimea biolarih trazistora. Biolari trazistor se sastoji od dva - soja, sl. 3.1. Me utim, agla{ava se da ti - sojevi moraju da budu u jedoj olurovodi~koj komoeti trazistor se e moè, dakle, dobiti jedostavim sajajem dva - soja (dve diode); osovo svojstvo trazistora sastoji se ba{ u tome da izme u tih - sojeva ostoji uzajamo dejstvo strujom jedog soja moè se uravljati struja drugog - soja. Kao {to se sa sl. 3.1 vidi, u zavisosti od toga koga je tia sredja oblast, koja se zove baza, razlikuju se -- (adalje }e se oza~avati sa PNP) i -- (NPN) trazistori. Oblast trazistora iz koje se u bazu ijektuju osioci aelektrisaja redstavlja emitor, a oblast u koju ekstrakcijom iz baze dolaze osioci zove se kolektor. Sl. 3.1. [ematski i grafi~ki rikazi PNP (a) i NPN trazistora (b). 48

Kako trazistor ima tri izvoda (sl. 3.2d), to se o mo`e uklju~iti a 6 razli~itih a~ia u dva elektri~a kola, ri ~emu je jeda kraj zajedi~ki za oba kola. Me utim, u raksi se koriste samo 3 a~ia vezivaja (ostala tri a~ia, kada je trazistor tako olarisa da mu kolektor i emitor izmee uloge se, rakti~o, e rimejuju); to su: soj sa uzemljeom (zajedi~kom) bazom (sl. 3.2a), soj sa uzemljeim emitorom (sl. 3.2b) i soj sa uzemljeim kolektorom (sl. 3.2c). Sl. 3.2. Tri a~ia vezivaja PNP trazistora: (a) sa uzemljeom bazom; (b) sa uzemljeim emitorom; (c) sa uzemljeim kolektorom. (d) Rasored izvoda kod trazistora u lasti~om ku}i{tu. Sl. 3.3. NPN trazistor kao diskreta komoea i u okviru itegrisaih kola. 49

Sl. 3.4. Kvalitativa redstava reseka eitaksijalog dvostruko difudovaog PNP trazistora male sage Biolari trazistori male i sredje sage se aj~e{}e dobijaju laarom tehologijom, ri ~emu se emitorski i kolektorski soj oformljuju dvostrukom difuzijom rimesa u eitaksijali sloj, sl. 3.6. Na sl. 3.3 rikaza je NPN, a a sl. 3.4 PNP laari trazistor. Eitaksijali sloj je sa iskom kocetracijom rimesa i rvestveo sluì za ove}aje robojog aoa soja kolektor-baza (ceo kolektor e moè biti sa iskom kocetracijom rimesa, jer bi, u tom slu~aju, bila velika reda otorost kolektora, a time i veliki ad aoa a toj otorosti; sa druge strae, velika kocetracija rimesa u kolektoru dovela bi do iskog robojog aoa kolektorskog soja, {to bi bilo eodrìvo za ormala rad trazistora). Ne ulaze}i u teholo{ki iz roizvodje biolarih trazistora, a sl. 3.3 su rikazaa dva NPN trazistora: jeda se odosi a diskretu komoetu (svaki trazistor je ojedia~a komoeta), a drugi je izdvoje iz jedog itegrisaog kola. Osova razlika izme u jih ogleda se u tome {to se kod diskretog trazistora kolektorski i emitorski kotakt alaze sa surotih straa, a kod trazistora u itegrisaim kolima su svi kotakti sa jede strae, sl. 3.3. Stoga kolektorska struja kod diskretog trazistora roti~e vertikalo kroz komoetu, a kod itegrisaog trazistora oa je ajve}im delom laaralela. Nadalje }e se sva razmatraja isklju~ivo odositi a silicijumske biolare trazistore. Proizvode se za razli~ite sage i razli~ite amee. Stoga je a sl. 3.5 rikazao ekoliko jihovih izvedbi, sa azakom ekih ku}i{ta u koja se oi ikasuliraju, kao i rimeri oza~avaja istih. Za trazistore sage, koji su amejei za rad ri velikim strujama i aoima, tj. u uslovima velike disiacije i ovi{ee temerature, koristi se vi{e tehika: tehika istovremee duboke difuzije rimesa sa obe strae, tehika dvostruke ili vi{estruke difuzije, tehika dvostruke ili vi{estruke eitaksije kombiovae sa difuzijom, itd. Tehika istovremee duboke difuzije rimesa sa obe strae silicijumske lo~ice rimejuje se za dobijaje trazistora sage sa uiformom kocetracijom rimesa u bazi; trazistori dobijei tom tehikom zovu se homotaksijali trazistori sage. Za trazistore sage sa slabo doiraim kolektorom (sli~o kao a sl. 3.4) koristi se tehika dvostruke ili, ~e{}e, trostruke difuzije rimesa u eitaksijali sloj. Eitaksijali trazistori sage, kod kojih je sloj baze formira eitaksijalim rastom sa uiformom kocetracijom rimesa, aj~e{}e se dobijaju tehikom vi{estruke eitaksije kombiovae sa difuzijom (a ve} arasli eitaksijali sloj za deo slabo doiraog kolektora arasta eitaksijali sloj surotog tia silicijuma koji odre uje bazu i u koji se, zatim, za formiraje emitorskog soja, vr{i difuzija rimesa surotog tia. 50

SMD trazistori (za ovršisku motažu) Kućišta: SOT223, SOT23 NPN: BC847, BC817 PNP: BC854, BC807 Trazistori male sage (za oštu uotrebu) Kućište: TO92 NPN: BC547, BC548, BC549, BC337 PNP: BC557, BC558, BC559 Trazistori male sage za sredje učestaosti Kućišta: TO18, TO72, TO5, TO39, SOT37 NPN: 2N2222, 2N2219 PNP: 2N2907, 2N2905 Trazistori sage izad 1 W (P > 1 W) Kućište: TO126 NPN: BD135, BD435 PNP: BD136, BD436 Trazistori sredje sage za visoke učestaosti Kućište: TO202 NPN: BF869 PNP: BF870 Trazistori sredje sage za sredje učestaosti Kućište: TO220 NPN: BD241, TP31 PNP: BD242, TP32 Trazistori velike sage u lastičom kućištu Kućišta: TOP3, TO264, SOT39 NPN: BD249 PNP: BD250 Trazistori velike sage u metalom kućištu Kućište: TO3 NPN: 2N3055 PNP: 2N2955 Trazistori male sage za različite amee, u estadardim kućištima Sl. 3.5. Nekoliko izvedbi biolarih trazistora u razli~itim ku}i{tima i rimeri jihovog oza~avaja. 51

3.1.1. Na~i rada trazistora U ormalom radom re`imu (aktivom re`imu) jeda - soj trazistora je direkto, a drugi iverzo olarisa; direkto olarisa soj jeste emitor-bazi (ili, kratko, emitorski) soj, a iverzo olarisa soj je kolektor-bazi (kolektorski) soj. Prema tome, kod PNP trazistora ozitiva ol izvora riklju~e je za emitor reko metalog kotakta, a egativa za bazu; ozitiva ol kolektorskog izvora riklju~e je a bazu, a egativa a kolektor (sl. 3.1a i sl. 3.2). Kod NPN trazistora je obruto (sl. 3.1b). Sl. 3.6. Kvalitativa redstava reseka eitaksijalog dvostruko difudovaog PNP trazistora male sage (a) i rofil rimesa u jemu (b). Rad biolarog trazistora bi}e obja{je a rimeru PNP trazistora sa uzemljeom bazom. Aaliza, me utim, ostaje eromejea i kod NPN trazistora, sa aomeom da kod jega aoi i struje mejaju smerove, a {uljie i elektroi uloge. Dakle, sve oo {to se kod PNP trazistora odosi a {uljie, kod NPN trazistora odosi se a elektroe, i obrato. Na sl. 3.7 {ematski su rikazae komoete struja u PNP trazistoru (u reseku AA' a sl. 3.6c). Naime, usled direkte olarizacije emitorskog soja {uljie se, koje su u emitoru ve- }iski osioci aelektrisaja, iz emitora ijektuju u odru~je baze; ove ijektovae {uljie ~ie emitorsku struju {uljia E. Sa druge strae, iz baze, gde su ve}iski osioci, elektroi relaze u odru~je emitora, ~ie}i emitorsku struju elektroa E. Kako su elektroi i {uljie osioci aelektrisaja surotog zaka, to je i emitorska struja elektroa E istog smera kao i emitorska stru- 52

ja {uljia E, tako da je emitorska struja E jedaka zbiru ovih dveju struja. Me utim, samo komoeta struje koja astaje rolaskom {uljia kroz emitorski soj doriosi oja~ava~kom svojstvu trazistora, s obzirom da oa efektivo u~estvuje u formiraju kolektorske struje. Otuda se u kostrukciji trazistora teì da se emitorska struja elektroa E kroz emitorski soj {to vi{e smaji (e treba zaboraviti da je ovde re~ o PNP trazistoru; kod NPN trazistora je uravo obruto). Treba aomeuti da u sastav emitorske struje E, osebo ri malim aoima, ulazi i rekombiacioa struja re (sl. 3.7), kao osledica direkte olarizacije emitorskog soja (odeljak 2.2.3, jed. (2.52)). Prema tome, emitorska struja E je: = + +. (3.1) E E E re Sl. 3.7. Komoete struja u PNP trazistoru ({rafiraim strelicama je oza~eo kretaje elektroa). jektovae {uljie }e se, usled jihove ove}ae kocetracije u bazi uz emitorski soj, difuzioo kretati kroz bazu ka kolektorskom soju, sa aomeom da su u bazi {uljie majiski osioci aelektrisaja. Kre}u}i se ka kolektoru, jeda maji broj {uljia se rekombiuje sa elektroima u bazi; ta komoeta struje {uljia obeleèa je sa V (sl. 3.7). Neke {uljie, ijektovae o ivici emitora, umesto da se kre}u ka kolektoru, odlaze a ovr{iu baze i tamo se, usled ovr{iske rekombiacije, rekombiuju sa elektroima; ove {uljie ~ie struju S. Me utim, daleko ajve}i broj {uljia ijektovaih iz emitora stiè do relaze oblasti kolektorskog soja. Kako je, zbog iverze olarizacije, elektri~o olje u relazoj oblasti kolektorskog soja takvog smera da omaè kretaje majiskih osilaca aelektrisaja (u ovom slu~aju {uljia), to, rakti~o, sve {uljie koje su stigle do kolektorskog soja relaze u kolektor, ~ie}i kolektorsku struju {uljia C. Kroz iverzo olarisai kolektorski soj roti~e i struja CB0, koja se sastoji od tri komoete: iverze struje {uljia C0 kao osledice relaska ravoteìh majiskih osilaca ( o ) iz baze, struje zasi}eja elektroa C0 koja oti~e od ravoteìh majiskih osilaca u kolektoru ( o ) i geeracioo-rekombiacioe struje gc usled geeracije osilaca u kolektorskoj relazoj oblasti (odeljak 2.2.3). Prema tome, baza struja B }e biti: = + + +, (3.2) B V S E re CB0 53

a kolektorska struja C je: = +. (3.3) C C CB0 Na osovu sl. 3.7 moè se, tako e, videti da je: = +. (3.4) E B C Dakle, iz jed. (3.1) do (3.4) sledi: B = = + +. (3.5) E C E C E re CB0 Baza struja je vrlo ribliò jedaka razlici emitorske struje {uljia E i kolektorske struje {uljia C, s obzirom da su struje E, re i CB0 zato maje u ore eju sa strujama E i C. Kolektorska struja {uljia C je vrlo malo maja od emitorske struje {uljia E, jer se samo ezata broj {uljia gubi rekombiacijom sa elektroima a ovr{ii baze i u toku difuzioog kretaja kroz bazu; stoga je baza struja relativo mala. Baza struja je vrlo mala samo kod trazistora male sage; arotiv, kod trazistora velike sage baza struja moè izositi i ekoliko amera, {to je osovi edostatak takvih biolarih trazistora sage. Ako se a red sa izvorom V BE (sl. 3.1a) riklju~i izvor aizmei~e struje, olarizacija emitorskog soja meja}e se u ritmu obudog aizmei~og aoa. O~igledo je da }e se u istom ritmu mejati i emitorska i kolektorska struja i da }e, s obzirom a re~eo, i aizmei~e komoete emitorske i kolektorske struje biti ribliò jedake. Sa druge strae, otorost direkto olarisaog emitorskog soja je mala, dok je otorost iverzo olarisaog kolektorskog soja vrlo velika. Drugim re~ima, trazistor se oa{a u odosu a solja{ji kolektorski riklju~ak kao izvor kostate struje. To omogu}ava da se a otoriku vezaom a red u kolektorskom kolu dobije zato ve}a saga i ao od oih kojim se trazistor obu uje, {to je osovo svojstvo trazistora (trazistorski efekat) kao oja~ava~ke komoete. Naomije se da je do sada bilo re~i o trazistoru sa uzemljeom bazom, koji e moè da sluì kao struji oja~ava~, jer je kolektorska struja maja od emitorske; me utim, kao {to }e kasije biti okazao, zato strujo oja~aje se moè dobiti kod trazistora sa uzemljeim emitorom. 3.2. STRUJE MANJNSKH NOSLACA Vredosti struja u trazistoru zavise od rasodele majiskih osilaca aelektrisaja u jemu. Na te rasodele uti~e vi{e faktora, kao {to su geometrijska veli~ia trazistora, staje ovr{ie, rofili rimesa, itd. 3.2.1. Struja majiskih osilaca aelektrisaja u bazi Deo baze koji se alazi izme u emitora i kolektora (sl. 3.6a), kroz koji rolaze osioci aelektrisaja u aktivom reìmu rada, redstavlja aktivi deo baze. Pasivi deo baze je izme u emitora i bazih izvoda. U aktivom reìmu rada (emitorski soj direkto, a kolektorski soj iverzo olarisa) osioci aelektrisaja se ajve}im delom ka kolektoru kre}u kroz aktivi deo baze, sl. 3.8. 54

Sl. 3.8. Uz redstavu kretaja osilaca aelektrisaja ri aktivom reìmu rada trazistora. Za aalizu }e se adalje koristiti PNP trazistor sa eitaksijalim kolektorom kao a sl. 3.6. Kocetracije rimesa u emitoru su vrlo visoke, tako da }e se, adalje, emitor tretirati kao jako doirao odru~je, te }e za jega vaìti sve oo {to je re~eo o efektima jako doiraog olurovodika. Narotiv, kocetracije rimesa u bazi isu ikada izad 10 17 cm -3, {to za~i da je baza slabo doiraa, te u joj vaè svi oi izrazi koji se odose a slabo doirae olurovodike. sto to vaì i za deo kolektora sa iskom kocetracijom rimesa (za eitaksijali sloj), koji, rakti~o, i defii{e kolektorsku oblast. Za gustie struja u ekoj ta~ki baze, a osovu jed. (77) i (78) u Elektroskoj fizici ~vrstog staja, moè se aisati: i J J d = qμ K B qd (3.6) dx + d = qμ K B qd. (3.7) dx Jed. (3.6) "vaì" i za slu~aj kada kroz trazistor e roti~e struja, tj. kada je J = 0 (tada je kocetracija elektroa u bazi, kao ve}iskih osilaca, jedaka ravoteòj kocetraciji o ): 0 q K = o μ B0 + qd d o dx z osledjeg izraza, uz retostavku da su a soboj temeraturi sve rimese joizovae, tj. da je o N D N A N B, gde je sa N B aza~eo da je re~ o kocetraciji rimesa u bazi, i koriste}i Aj{tajovu relaciju, dobija se za elektri~o olje K B0 u termodiami~koj ravoteì: K 1 do 1 dn B = U T U T. (3.8) dx N dx B0 o Smatraju}i da se elektri~o olje u bazi K B0, koje je osledica gradijeta kocetracije rimesa u bazi, e meja za~ajo i kada kroz trazistor roti~e elektri~a struja, odoso da je B 55

K B0 K B, to smejuju}i (3.8) u (3.7) i i{u}i (agla{avaju}i) za koeficijet difuzije {uljia u bazi D D B, za gustiu struje {uljia (kao majiskih osilaca) u bazi se dobija: J ( N ) qdb d B =. (3.9) N dx B Detaljije aalize rada biolarih trazistora, osebo male i sredje sage, okazuju da se struja {uljia veoma malo meja du` baze; drugim re~ima, mo`e se smatrati da je J cost., tako da je iz (3.9): ( x) N B ( x) d ( N B ) = q (0) N B (0) 0 J x N D B B dx. (3.10) Sa druge strae, kako sve {uljie koje stigu do relaze oblasti kolektorskog - soja relaze u kolektor, to je kocetracija {uljia a tom mestu (za x = w B ) rakti~o jedaka uli ( (w B ) = 0, sl. 3.9), te smejuju}i taj uslov i re{avaju}i (3.10), sledi: w J B N B ( x) ( x) = dx, (3.11) qn ( x) D ( x) B ri ~emu je sa N B (x) i D B (x) agla{eo da su kocetracija rimesa i koeficijet difuzije {uljia u bazi fukcije rastojaja. U slu~aju da je kocetracija rimesa u bazi kostata (N B = cost.), iz (3.11) se dobija: x B J ( x) = ( wb x), (3.12) qd B tj. kocetracija majiskih osilaca aelektrisaja u bazi liearo oada sa rastojajem, sl. 3.9b. U svim ostalim slu~ajevima, odoso u slu~ajevima kada kocetracija rimesa u bazi ije kostata, romea kocetracije ijektovaih majiskih osilaca du` baze ije lieara fukcija rastojaja (sl. 3.9a), i eohodo ju je izra~uati rema (3.11). Sl. 3.9. Rasodele majiskij osilaca aelektrisaja u aktivom re`imu PNP trazistora sa: (a) N B cost. i (b) N B = cost. 56

je: Na osovu (3.11) i (2.2) ijektovaa kocetracija {uljia uz sam emitorski soj (x = 0) (0) J wb N B ( x) VBE = dx o (0) ex qn B (0) =, (3.13) DB ( x) U 0 T gde je sa V BE oza~e ao a emitor-bazom (emitorskom) - soju. 2 Koriste}i ~ijeicu da je o ( 0) N B (0) = i, iz (3.13) se dobija izraz za gustiu ijektovae struje majiskih osilaca uz sam soj: J (0) 2 i BE J E = ex. (3.14) wb N U B ( x) T 0 D q B dx ( x) V Veli~ia G B = w B N ( x) dx B DB ( x) 0 (3.15) zove se Gamelov broj baze, tako da se jed. (3.15) mo`e da ai{e i u obliku: J (0) q V 2 i BE = J E = ex. (3.16) GB U T 3.2.2. Struja majiskih osilaca aelektrisaja u emitoru Nadallje }e se smatrati da je emitor PNP trazistora relativo taak (ekoliko μm). U jemu je, kao {to je aomeuto, velika kocetracija rimesa (dakle, N A N D N E 10 17 cm -3 ), tako da se mora voditi ra~ua o efektima jako doiramog olurovodika. Stoga su trasorte jeda~ie u ekoj ta~ki emitora date sa (104) i (105) iz Elektroske fizike ~vrstog staja: i J J a ( ΔE ) d d c = qμ K E μ + ktμ (3.17) dx dx a ( ΔE ) d d v = qμ K E + μ ktμ. (3.18) dx dx Kada kroz trazistor e roti~e struja, tj. kada je J = 0, trasorta jeda~ia (3.18) za ve}iske osioce (u ovom slu~aju {uljie) glasi: a ( ΔE ) d d v o 0 = qμ ok E0 + μ o ktμ, dx dx odakle se, koriste}i Aj{tajovu relaciju i ~ijeicu da su a soboj temeraturi sve rimese joizovae, tj. da je o N A N D N E, za ugra eo elektri~o olje K E0 dobija: 57

K E0 a a 1 d o 1 d( ΔEv ) 1 dn E 1 d( ΔEv ) = U T U T. (3.19) dx q dx N dx q dx o E Pri iskim i sredjim ivoima ijekcije sa velikom ta~o{}u se mo`e uzeti da se ugra eo elektri~o olje K E kao osledica gradijeta rimesa u emitoru veoma malo meja u odosu a K E0, tako da se, kada se (3.19) smei u (3.17), za gustiu struje majiskih osilaca u emitoru (u ovom slu~aju struju elektroa) dobija: J a dn d d(δe g ) E = ktμ + μ N E dx dx. (3.20) dx Kako je, rema (52) u Elektroskoj fizici ~vrstog tela, odos kvadrata efektive sostvee kocetracije osilaca aelektrisaja i sostvee kocetracije osilaca aelektrisaja to je ie i 2 ΔE g = ex kt a ie d l a d( E g ) Δ i = kt dx dx, (3.21) 2, {to, kada se smei u (3.20), daje: J 2 ie d l d l N d l E i = ktμ [ ]. (3.22) dx dx dx + Uvode}i efektivu kocetraciju rimesa u emitoru N Eeff (sl. 3.10) N E N Eeff =, (3.23) 2 ie i Sl. 3.10. Uz defiiciju efektivog rofila rimesa u emitoru trazistora. 58

jeda~ia (3.22) ostaje: J = ktμ d l N dx Eeff d l + dx = ktμ d l( dx N Eeff ) = qd N E Eeff d( N dx Eeff ), (3.24) gde je sa D E = D E (x) D istakuto da je re~ o koeficijetu difuzije elektroa kao majiskih osilaca u emitoru. jed. (3.24), sli~o kao i (3.9), moè se re{iti ako se retostavi, {to je raksa to i otvrdila, da je struja elektroa u emitoru ribliò kostata, odoso da se e meja za~ajo du` emitora. U tom slu~aju se, uz omo} sl. 3.11, iz (3.24) dobija: Sl. 3.11. Uz izra~uavaje struje majiskih osilaca aelektrisaja u emitoru. odakle je: (0) N Eeff (0) we J N Eeff ( x) d ( N Eeff ) = dx, q D ( x ) ( we ) N Eeff ( x) 0 E w J E N Eeff ( x) ( 0) N Eeff (0) ( we ) N Eeff ( we ) = dx. (3.25) q D ( x 0 E ) Kocetracija rimesa u emitoru N E (0) uz sam emitorski soj u raksi je uvek takva da je N E (0) < 10 17 cm -3, a to za~i da je, rema (3.23), N Eeff (0) = N E (0). Koriste}i (2.3), rvi ~la a levoj strai jed. (3.25) je sada: (0) N Eeff (0) V BE 2 BE = o (0) N E (0) ex = i ex. (3.26) U T U T V Sa druge strae, sli~o jed. (2.15), uvode}i efektivu brziu ovr{iske rekombiacije elektroa S, i za gustiu struje elektroa se moè aisati: J = qs Δ. U tom slu~aju, o{to se o{lo od retostavke da je J J 0) J ( w ) = qs ( w ) Δ ( w ) qs ( w ), (3.27) ( E E E E E 59

gde je S (w ) S E efektiva brzia ovr{iske rekombiacije elektroa a ov{iskom delu emitora eosredo isod metala eohodog za kotaktiraje izvoda emitora (sl. 3.9), to se a osovu (3.26) i (3.27) iz (3.25) dobija: J (0) 2 i BE J E = ex. (3.28) we N Eeff ( we ) N Eeff ( x) U T S E q + 0 D E ( x) dx V Veli~ia u imeiocu izraza (3.28) zove se Gamelov broj emitora i oza~ava se sa G E : G E = N Eeff S ( w E E ) + N w E Eeff DE ( x) 0 ( x) dx. (3.29) z (3.29) se vidi da Gamelov broj emitora ima dva dela. Prvi deo je odre e ovr{iskom rekombiacijom elektroa a emitorskom kotaktu i o izosi: Drugi deo Gamelovog broja emitora N Eeff ( we ) 1 N E ( we ) G ES = =. (3.30) 2 S E S E ie ( we ) i G EV = N ( x) dx = ( x) we w E Eeff D D 1 ( N E ( x) x) ie ( x i 0 E 0 E ) 2 dx (3.31) je osledica rekombiacije majiskih osilaca u zaremii emitora. Prema tome, jed. (3.28) moè se aisati i u obliku: J (0) q V q 2 2 i BE i BE = J E = ex = ex. (3.32) GE U T GES + GEV U T V 3.2.3. Emitorska struja U izrazima (3.16) i (3.32) zaemarea je jediica u odosu a eksoecijali ~la, {to je, za aoe V BE ri kojima trazistor radi u aktivom reìmu, oravdao. Ako se èli da "zadr- ì" i ta jediica, oda, a osovu svega do sada re~eog, izraz za gustiu emitorske struje, kada se zaemari gustia rekombiacioe struje J re (sl. 3.5), a osovu (3.1), (3.16) i (3.32), glasi: 2 1 1 VBE J = + = + ex 1 E J E J E qi. (3.33) GB GE U T 60

3.3. KOEFCJENT STRUJNOG POJA^ANJA Odos izlaze i ulaze struje zove se koeficijet strujog oja~aja. Tako, kod trazistora sa uzemljeom bazom, koeficijet strujog oja~aja je: C A = za V EB = cost. (3.34) E Ovde, zaravo, ije re~ o strujom oja~aju, s obzirom da je A < 1; ovaj termi "koeficijet strujog oja~aja" ima ravo za~eje kod trazistora sa uzemljeim emitorom, gde redstavlja odos kolektorske (izlaze) i baze (ulaze) struje: C B = za V BE = cost. (3.35) B Veza izme u koeficijeata strujih oja~aja trazistora sa uzemljeim emitorom i uzemljeom bazom dobija se iz (3.34) i (3.35): B = C B = E C C C E = 1 C E A =. (3.36) 1 A z osledjeg izraza, tako e, sledi: B A =. (3.37) 1 + B 3.3.1. Koeficijet strujog oja~aja B ri malim vredostima kolektorske struje S obzirom da je struja CB0 struja iverzo olarisaog kolektorskog - soja, to je oa zato maja od svih ostalih komoeata koje ~ie bazu struju, te je rema (3.2), baza struja: = + + +, (3.38) B V S re E tako da iz (3.35) sledi: 1 B = = + + C + = 1 B V 1 + B S 1 + B B V S re E 1 C r + B γ, (3.39) ri ~emu su: C B V = ; V C B S = ; S C B r = ; re B = C γ. (3.40) E 61

Pri malim vredostima kolektorske struje, a to za~i ri malim vredostima aoa a emitorskom soju V BE, struje V, S, a osebo re su oredive ili istog reda veli~ie sa vredo{}u struje E. Stoga su oredive i vredosti komoeata koeficijeta strujog oja~aja (B V, B S, B r i B γ ). stvaro, ekserimeti su okazali da se koeficijet strujog oja~aja trazistora sa uzemljeim emitorom meja sa kolektorskom strujom tako {to rvo raste, dosti`e maksimalu vredost, a zatim oada (sl. 3.12). Ovo je zbog toga {to ri vrlo malim kolektorskim strujama resudu ulogu a vredost faktora strujog oja~aja imaju rekombiacioa struja re i struje ovr- {iske ( S ) i zaremiske ( V ) rekombiacije, odoso komoete koeficijeta strujog oja~aja B V, B S i B r. Me utim, ri sredjim i velikim strujama (ri kojima se trazistor i ajvi{e koristi) domiata uticaj a vredost koeficijeta strujog oja~aja ima komoeta B γ, koja se zove koeficijet ijekcije (to je i razlog zbog ~ega se, ~esto, idetifikuju koeficijet strujog oja~aja i koeficijet ijekcije). Sl. 3.12. Zavisost koeficijeta strujog oja~aja jedog homotaksijalog trazistora sage od kolektorske struje; B r, B S i B V koeficijeti strujih oja~aja u oblastima struja u kojima domiata uticaj imaju rekombiacioa struja ( re ) i struje ovr{iske ( S ) i zaremiske ( V ) rekombiacije, resektivo. 3.3.2. Koeficijet strujog oja~aja B ri sredjim vredostima kolektorske struje Pri sredjim vredostima kolektorske struje je E (0) >> V, S i re, tako da resudu ulogu a vredost koeficijeta strujog oja~aja, rema (3.39), ima koeficijet ijekcije B γ. Smatraju}i da je kolektorska struja vrlo ribli`o jedaka struji {uljia C (sl. 3.7), a da je, ak, C E = (0), iz (3.40) za PNP trazistor sledi: 62

(0) C Bγ =. (3.41) (0) E Posledji izraz okazuje koliko je uta struja ijektovaih {uljia ve}a od struje ijektovaih elektroa eosredo uz relazu oblast emitorskog soja; stoga je taj koeficijet i azva koeficijet ijekcije i u literaturi se, veoma ~esto, obeleàva sa h FE. Da B γ redstavlja stvaro koeficijet strujog oja~aja kada se zaemare sve ostale struje u odosu a ijektovae, vidi se i iz (3.35): (0) (0) B = h C C = = = = Bγ B E C (0) + (0) (0) (0) FE. (3.42) Prema tome, a osovu (3.14) i (3.28), koeficijet ijekcije (ri ~emu je h FE B) je: h FE G = G B E = 1 S E N E ( we ) ie ( we ) i 2 wb 0 + N D we B B 1 N E ( x) DE ( x) ie ( x) i ( x) dx ( x) 0 2 dx. (3.43) Vredost koeficijeta strujog oja~aja odre ea koeficijetom ijekcije a osovu (3.43) rakti~o odgovara maksimaloj vredosti toga koeficijeta (kriva h FEmax a sl. 3.12). Aalizom izraza (3.43) moè se videti da su jime obuhva}ei efekti jakog doiraja emitora (reko ie ), uticaj rekombiacije osilaca a emitorskom kotaktu (reko S E ), kao i uticaj rofila rimesa u emitoru i bazi trazistora (reko N E (x) i N B (x)). Veoma vaà zaklju~ak, koji se dobija iz izraza (3.43), jeste da se usled efekata jakog doiraja emitora smajuje koeficijet ijekcije (raije, kada se o tim efektima ije vodilo ra~ua, za koeficijet ijekcije dobijae su teorijske vredosti zato ve}e od ekserimetalih). Vidi se da je rofil rimesa, koji u~estvuje u ijekciji osilaca, maji od eto-rofila rimesa N E (x) u emitoru, odoso da ijekciju odre uje efektivi rofil rimesa emitora N Eeff (sl. 3.10), defiisa jeda~iom (3.23). Kako je a ovr{ii emitora maksimala eto-kocetracija rimesa, to je a tom mestu i ajve}a efektiva sostvea kocetracija osilaca aelektrisaja, {to za~i da se tu efektiva i eto kocetracija rimesa ajvi{e razlikuju, kao {to je i ilustrovao a sl. 3.10. Koliki je uticaj jakog doiraja emitora a vredost koeficijeta strujog oja~aja ajbolje se vidi ako se razmatra trazistor sa homogeom kocetracijom rimesa u emitoru i bazi. U tom slu~aju su D B (x) = D B = cost. i D E (x) = D E = cost., tako da se iz (3.43) dobija: DB DB we N E + 0 S E wb DE wb N B hfe h FE = =, (3.44) 2 2 ie ie i i 0 gde je h FE koeficijet strujog oja~aja trazistora kada se e vodi ra~ua o efektima jakog doiraja, defiisa brojiocem u izrazu (3.44). z izraza (3.44) vidi se da se usled efekata jakog doiraja emitora vredost faktora strujog oja~aja smajuje ( ie / i ) 2 uta. 63

Do sada je bilo re~i o trazistoru sa takim emitorom. Me utim, ako je debljia emitora relativo velika, ta~ije ako je w E 2L Eeff (L Eeff je efektiva difuzioa duìa majiskih osilaca aelektrisaja u emitoru), moè se smatrati da se svi majiski osioci ijektovai iz baze u emitor rekombiuju u zaremii emitora re ego {to stigu do emitorskog kotakta. To za~i da je Gamelov broj emitora odre e ovr{iskom rekombiacijom elektroa a emitorskom kotaktu G ES, defiisa jeda~iom (3.30), zato maji od komoete Gamelovog broja usled rekombiacije majiskih osilaca u zaremii emitora G EV (G ES << G EV ), te se izraz (3.43) za koeficijet ijekcije trazistora sa debelim emitorom redukuje i glasi: h FE G G B EV = we 0 1 N E ( x) DE ( x) ie ( x) i wb N B ( x) dx D ( x) 0 B 2 dx. (3.45) Drugim re~ima, kod trazistora sa debelim emitorom brzia ovr{iske rekombiacije S E majiskih osilaca a emitorskom kotaktu ema ikakav uticaj a vredost koeficijeta ijekcije, odoso a vredost koeficijeta strujog oja~aja. To, ak, za~i da ove}aje debljie emitora izad 2L Eeff, uz istu ovr{isku kocetraciju rimesa, e bi ove}alo vredost koeficijeta strujog oja~aja. sto tako, i orast kocetracije rimesa u emitoru e bi mogo uzrokovao orast koeficijeta strujog oja~aja, s obzirom da tada raste i ( ie / i ) 2, tako da se oditegrala fukcija u brojiocu izraza (3.45) malo meja. To je i razlog ojavi da je kod trazistora sa difudovaim emitorom oblast ovr{iske kocetracije rimesa, za koju je strujo oja~aje vrlo blizu maksimaloj vredosti, dosta {iroka i kre}e se u osegu od 10 19 cm -3 do 10 20 cm -3. Treba, jo{ jedom, aomeuti da je dosada{ja aaliza zasovaa a retostavci o relativo iskim ivoima ijekcije, tj. kada gustia struje u trazistoru ije velika. 3.3.3. Koeficijet strujog oja~aja B ri velikim vredostima kolektorske struje Pokazuje se, {to je i aza~eo a sl. 3.12, da ri velikim gustiama struje koeficijet strujog oja~aja oada i to obruto roorcioalo kolektorskoj struji (h FE ~ 1/ C ), a ri jo{ ve- }m gustiama struje je (h FE ~ 1/ ). Ovo je osledica {ireja baze u kolektor (o ovom, tkzv. Kir- 2 C kovom efektu, bi}e re~i u odeljku 3.5.3) i "agomilavaja" struje o ivici emitora, sl. 3.13b. Naime, baza otorost r bb, od bazog kotakta do emitorskog soja, moè se odeliti u dva dela: otorost r bb1 od bazog kotakta do ivice emitorskog soja (sl. 3.13a) i otorost r bb2 otorost isod emitora. Treba re}i da otorost r bb1 e zavisi od uslova rada trazistora, dok otorost r bb2 zavisi (sa jede strae, ri ove}aju kolektorskog aoa baza se suàva ove- }ava se relaza oblast kolektorskog soja, te se ove}ava i otorost r bb2, a sa druge strae, rilikom roticaja velike kolektorske struje u bazi se agomi1avaju osioci, usled ~ega se otorost r bb2 smajuje). Pri velikoj kolektorskoj struji velika je i baza struja. Usled roticaja takve baze struje stvara se ezaemarljiv ad aoa a otorosti r bb2. Nao a ivici emitora uz bazu je ve}i od aoa a drugoj ivici udaljeoj od bazog kotakta za veli~iu toga ada aoa. Kako je struja kroz emitorski soj eksoecijala fukcija aoa, to }e ajve}i deo struje roticati blizu ivice emitora uz bazi kotakt, ribliò o {irii jedakoj {irii baze (sl. 3.13b). 64

Sl. 3.13. (a) Kvalitativa redstava bazih otorosti r bb1 i r bb2 ; (b) ove}aje gustie struje u bazi bliè bazom kotaktu. Gomilaje struje o ivici emitora uz bazi kotakt jo{ je izraèiji kod trazistora u itegrisaim kolima, kod kojih su izvodi za kolektor, bazu i emitor sa iste strae, sl. 3.14. Na sl. 3.14 je rikaza i "ogled odozgo" a jeda takav trazistor, simlje uz omo} mikroskoa. Sl. 3.14. NPN trazistor u itegrisaim kolima. Prema tome, kad trazistor radi sa velikim kolektorskim strujama, aktiva je samo uzak deo emitora. Drugim re~ima, struja ajve}im delom roti~e o obimu emitora, {to uzrokuje ad koeficijeta strujog oja~aja od kolektorske struje kao a sl. 3.12. To za~i da se trazistor za velike struje, odoso za velike sage, e moè dobiti rostim ove}ajem ovr{ie emitora. Da bi se re{io taj roblem, ovr{ia se tako oblikuje da se dobije {to ve}i obim emitora, i to oaj obim koji je okreut rema bazom kotaktu. Zbog toga se kod trazistora sage emitor ravi u obliku ~e{lja, sl. 3.15. Na taj a~i se ostvaruje maja baza otorost, izbegava se eravomera rasodela struje o ovr{ii emitora, te se dobija maje oadaje koeficijeta strujog oja- ~aja ri velikim kolektorskim strujama. 65

Sl. 3.15. Emitor i baza trazistora sage BU 326 sa aza~eim dimezijama. 3.3.4. Temeratura zavisost koeficijeta strujog oja~aja Biolari trazistori, osebo trazistori sage, mogu da rade u uslovima velike disiacije, a to za~i i u uslovima ovi{ee temerature. Povi{eje temerature trazistora moè da dovede do za~ajih romea vredosti faktora strujog oja~aja, sl. 3.12. Tako, ri iskim i sredjim vredostima kolektorske struje, gde domiiraju efekti jakog doiraja emitora i rekombiacioi rocesi u bazi, strujo oja~aje raste sa ove}ajem temerature. Me utim, ri veoma velikim vredostima kolektorske struje, kada domiiraju efekti visokih ivoa ijekcije, strujo oja~aje oada sa temeraturom, sl. 3.12. Porast koeficijeta strujog oja~aja sa temeraturom ri sredjim vredostima kolektorskih strujama moè se objasiti, a rimer, omo}u izraza (3.44). Naime, iako se h 0 FE vrlo malo meja sa romeom temerature (~ak oada sa ove}ajem temerature), iak h FE raste (sl. 3.12), jer se temerature. 2 a h deli sa ( / ) = ex( ΔE / kt ), a ta se veli~ia brè smajuje sa orastom 0 FE ie i g 3.3.5. Koeficijet strujog oja~aja ri aizmei~oj struji Do sada je sve vreme bilo re~i o oja~aju trazistora za jedosmeru struju, tkzv. itegralom oja~aju. Kada trazistor radi u kolima aizmei~e struje, defii{e se diferecijali koeficijet strujog oja~aja, koji za trazistor sa uzemljeim emitorom glasi: d C c β =, (3.46) d B b gde su c i b efektive vredosti aizmei~e kolektorske i baze struje, resektivo. 66

Ako je e efektiva vredost aizmei~e emitorske struje, diferecijali koeficijet strujog oja~aja trazistora sa uzemljeom bazom je: d C c α =. (3.47) d E e Veza izme u itegralog i diferecijalog koeficijeta strujog oja~aja trazistora sa uzemljeim emitorom dobija se iz (3.35) i (3.47), odakle je: db d C = Bd B + B d C, d C odoso: B β = db 1 B d C. (3.48) Kao {to se vidi sa sl. 3.12, ri vrlo malim kolektorskim strujama je db/d C > 0, tako da je iz jed. (3.48) β > B. Pri velikim kolektorskim strujama (zbog db/d C < 0) je β < B, dok je u okolii maksimale vredosti koeficijeta strujog oja~aja β B. sto tako, iz (3.48) se vidi da }e se diferecijali i itegrali koeficijeti strujog oja~aja utoliko vi{e razlikovati ukoliko je baza struja ve}a. Na sre}u, razlike izma u β i B isu velike, te }e se, adalje smatrati da je β B. Na sli~a a~i, za trazistor sa uzemljeom bazom, iz (3.34) sledi: odakle je, koriste}i (3.47) i (3.37): d = Ad da, C E + E A α = 1 E da d C = 1 A B A B db d C. (3.49) Vidi se, dakle, da }e, zbog B >> A, kod trazistora sa uzemljeom bazom relative romee koeficijeta strujog oja~aja biti maje ego kod trazistora sa uzemljeim emitorom, {to za~i da se, tim re, moè uzeti da je α = A. Moè se okazati da, sli~o izrazima (3.35) i (3.34), i za diferecijale koeficijete strujog oja~aja vaì: i α β = 1 α (3.50) β α =. 1 + β (3.51) Treba aomeuti da su vredosti koeficijeta strujog oja~aja kod svih tiova trazistora α 1 (ali uvek α < 1), a vredosti koeficijeta strujog oja~aja β kod trazistora male sage su β 100 300, dok su kod trazistora sage te vredosti zato maje (β 20 60). 67

3.4. STAT^KE STRUJNO-NAPONSKE KARAKTERSTKE U okviru aalize stati~kih strujo-aoskih karakteristika trazistora, rvo }e se obraditi Ebers-Molov model trazistora, a zatim samo oe relevate (ulaze i izlaze) karakteristike trazistora za uzemljeom (zajedi~kom) bazom i uzemljeim emitorom. 3.4.1. Ebers-Molov model trazistora Aaliza }e se srovesti za PNP trazistor sa uzemljeom bazom i aoima a jemu kao a sl. 3.1 i sl. 3.2. U tom slu~aju, kada se zaemari rekombiacioa struja re, ri aktivom reìmu rada, rema (3.33) kroz emitorski soj roti~e struja: gde je, ako je A E ovr{ia emitorskog - soja, struja SE : ' VEB = = ex 1 E F SE, (3.52) U T SE = 2 1 A Eqi GB 1 + G E za V CB 0. (3.53) Uobi~ajeo je da se sa ozitivim redzakom uzimaju struje koje uti~u u trazistor, iako kod PNP trazistora baza i kolektorska struja isti~u iz trazistora. U skladu sa takvim oza- ~avajem, od uticajem struje F kroz kolektorski soj roti~e struja: = α ' C F. (3.54) Prema tome, trazistor se u aktivom reìmu rada moè redstaviti ekvivaletom {emom kao a sl. 3.16a, a kojoj je emitorski soj redstavlje diodom, a kolektorski geeratorom. Ako, sada, emitor i kolektor izmee uloge, tj. ako je emitor iverzo, a kolektor direkto olarisa, kroz kolektorski soj roti~e struja: " VCB = = ex 1 C R SC, (3.55) U T gde je SC struja zasi}eja kolektorskog soja ri V EB 0. U tom slu~aju, od uticajem struje R, kroz iverzo olarisai emitorski soj roti~e struja: " E = α R. (3.56) gde je α koeficijet strujog oja~aja iverzo olarisaog trazistora sa uzemljeom bazom. U ovom slu~aju se kolektorski soj moè redstaviti diodom, a emitorski soj strujim geeratorom, tako da ekvivaleta {ema iverzo olarisaog trazistora izgleda kao a sl. 3.16b. Saìmajem ekvivaletih {ema sa sl. 3.16a i sl. 3.16b mogu}e je dobiti ekvivaletu {emu trazistora (Ebers-Molov model) koja obuhvata sve olarizacije emitorskog i kolektorskog soja, sl. 3.16c. Sa ove slike vidi se da je emitorska struja E : 68

Sl. 3.16. Ekvivalete {eme trazistora: (a) ormalo olarisaog, (b) iverzo olarisaog i (c) za sve olarizacije (Ebers-Molov model trazistora). VEB VCB = α = ex 1 α ex 1 E F R SE SC. (3.57) U T U T Tako e, sa sl. 3.14c sledi: VEB VCB = α + = α ex 1 + ex 1 C F R SE SC. (3.58) U T U T Kao {to se vidi, u izrazima (3.57) i (3.58) figuri{u struje SE i SC. Struja SC se odre uje ri otvoreom emitorskom soju. Tada je E = 0, tako da je ukua struja koja roti~e kroz kolektorski soj jedaka CB0 (sl. 3.5), {to, kada se smei u (3.57) i (3.58), daje: SC CB0 =. (3.59) 1 αα Aalogo, ri iverzo olarisaom emitorskom soju (V EB << 0) i otvoreom kolektorskom soju ( C = 0) sledi da je F = SE i E = EB0 tako da se a osovu (3.57) i (3.58) dobija: SE EB0 = 1 αα. (3.60) U raksi je, zbog kostrukcije trazistora, uvek α < α; okazalo se da koliko je uta struja zasi}eja emitorskog soja SE maja od struje zasi}eja kolektorskog soja SC, toliko je 69

uta koeficijet strujog oja~aja α direkto olarisaog trazistora ve}i od koeficijeta strujog oja~aja α iverzo olarisaog trazistora. Drugim re~ima, va`i relacija: α = α, (3.61) SE SC odoso: α = α. (3.62) EB0 CB0 3.4.2. Stati~ke strujo-aoske karakteristike trazistora sa uzemljeom bazom Ulaze karakteristike Ulaza strujo-aoska karakteristika trazistora sa uzemljeom bazom jeste zavisost ulazog aoa V EB od ulaze struje E. Ova zavisost se dobija iz (3.57) i (3.61), odakle je: E VCB V = l + 1+ α ex 1 EB U T. (3.63) SE U T Ulaze karakterisitke dobijee a osovu jed. (3.63) rikazae su a sl. 3.17a. Vidi se da za V CB = 0 i V CB < 0 karakteristika odgovara strujo-aoskoj karakteristici emitorskog - soja. Ovo je zbog toga {to za V CB = 0 iz (3.63) sledi: V EB E E = U T l + 1 U T l. (3.64) SE SE Tako e, za V CB < 0 i ~ijeice da je α 1, iz (3.63) je: V EB E E U T l + 1 α = U T l, (3.65) SE SE {to je isto kao i u slu~aju V CB = 0. Kada trazistor radi u zasi}eju kada je i kolektorski soj direkto olarisa (V CB > 0), ri istom emitor-bazom aou emitorska struja je maja ego u slu~aju kada je V CB < 0. Naime, za V CB > 0, koriste}i (3.61) iz (3.63) sledi: E R E + α R V = l + 1+ α = l + 1 EB U T U T, (3.66) SE SC SE {to, kada se uoredi sa (3.64), ukazuje da se, ri istom aou V EB, ulaza (emitorska) struja E uve}ala za vredost α R. Tako e, sa sl. 3.15a vidi se da ri aoima V EB < V EB (0) (kada je E = 0), emitorska struja meja zak, tj. te~e u surotom smeru od smera koji ima kada trazistor radi u aktivom re`imu. 70

Sl. 3.17. Stati~ke stujo-aoske karakteristike PNP trazistora sa uzemljeom bazom: (a) ulaze i (b) izlaze karakteristike. zlaze karakteristike zlaze karakteristike trazistora sa uzemljeom bazom redstavljaju zavisost izlaze struje C od izlazog aoa V CB ri kostatoj ulazoj struji E. Ove zavisosti se dobijaju elimiacijom V EB iz (3.57) i (3.58), odakle je: VCB = α + ex 1 C E CB0. (3.67) U T 71

Sl. 3.18. Meree izlaze karakteristike NPN trazistora sa uzemljeom bazom. Na sl. 3.17b rikazae su izlaze karakteristike dobijee a osovu (3.67). Vidi se da je za E = 0 kolektorska struja jedaka struji kolektorskog - soja (ri otvoreom ulazu) i da su te karakteristike, rakti~o, omeree za α E kada je E > 0. Meree izlaze karakteristike jedog realog NPN trazistora rikazae su a sl. 3.18. 3.4.3. Stati~ke strujo-aoske karakteristike trazistora sa uzemljeim emitorom Ulaze karakteristike Ulaza karakteristika trazistora sa uzemljeim emitorom jeste zavisost ulazog aoa V BE od ulaze struje B. Ova zavisost se, tako e, dobija iz (3.57) i (3.58), ri ~emu se koristi E + 72

B + C = 0 (rema aomeutom oza~avaju redzaka struja) i ~ijeica da je, rema sl. 3.2b, V EB = V BE, odoso V CB = V CE V BE, tako da je za aktivi reìm rada (V CE << 0): (1 + β) B β V = + + BE U T l 1, (3..68) SE β gde je β koeficijet strujog oja~aja iverzo olarisaog trazistora sa uzemljeim emitorom, a E = (1 + β) B. Kada se (3.68) uoredi sa (3.66) vidi se da su ti izrazi veoma sli~i, tj. da je ao V BE jedak aou a emitorskom soju kada kroz jega roti~e struja E. Treba aglasiti da je u aktivom reìmu rada V BE > 0 i kada je B = 0, s obzirom da i tada kroz emitorski soj roti~e iverza struja kolektorskog soja, usled ~ega a emitorskom soju ostoji izvesta ao V BE (0) (sl. 3.19). Ako je, ak, V CE = 0 (V CB = V EB ) ao V BE je, ri datoj bazoj struji, maji ego u slu~aju V CE << 0, {to je osledica direkto olarisaog kolektorskog soja, te se struja rasodeljuje izme u emitorskog i kolektorskog soja. Sl. 3.19. Ulaze karakteristike PNP trazistora. zlaze karakteristike zlaze karakteristike trazistora sa uzemljeim emitorom redstavljaju zavisost izlaze struje C od izlazog aoa V CE ri kostatoj ulazoj struji B, sl. 3.20. Elimiacijom V BE iz (3.57) i (3.58) i ogodim trasformacijama, za kolektorsku struju se dobija: VCB = β + ( 1+ β) ex ex 1 C B CB0. (3.69) U T Posledja jeda~ia e redstavlja, ekslicito, izlaze karakteristike, ali se iz je mogu izvu}i odre ei zaklju~ci. Naime, za V CB << 0 (aktiva reìm), iz (3.69) sledi: 73

a. Sl. 3.20. zlaze karakteristike: a PNP trazistora (teorijske); b NPN trazistora (meree). b. 74

C = β + β = β, (3.70) Csat B ( 1 ) CB0 B CE0 gde je CE0 = (1 + β) CB0. zaz (3.70), dakle, vaì samo za aktivi reìm rada (deso od {rafirae oblasti a sl. 3.20a). Da bi se, doekle, oisao i rad trazistora u oblasti zasi}eja, kada su i emitorski i kolektorski soj direkto olarisai (do isrekidae krive a sl. 3.20a, tj. u {rafiraoj oblasti a istoj slici), re{avaju}i (3.57) i (3.58) o V BE i V BC, za ao V CE u oblasti zasi}eja (saturacije) dobija se: V CEsat α 1 C CB0 B B U T l β α. 1 (3.71) C EB0 1+ (1 α ) B B Naomije se da je u oblasti zasi}eja C < β B, te jed. (3.71) vaì samo dok je isuje taj uslov. Da je trazistor sa uzemljeim emitorom elektroska komoeta koja ima oja~ava~ke osobie vidi se sa sl. 3.21. Naime, a sl. 3.21 je rikaza NPN trazistor sa koeficijetom strujog oja~aja β = 200. zvorom aajaja V CC (u rimeru a sl. 3.21 je V CC = 6,5 V) obezbe uju se otrebi aoi za rad trazistora u aktivom reìmu: izborom vredosti otorosti otorika R B1 i R B2 ode{ava se ao izme u baze i emitora (za rimer a sl. 3.21 je V BE 0,6 V, kojim se osigurava baza struja B = 40 μa), a vredo{}u otorosti otorika R C defii{e se tkzv. rada rava. Naime, sa sl. 3.18a je V = V R, odakle je: CE CC C C C V 1 CC = VCE. (3.72) RC RC Posledji izraz ( C = f(v CE )) u koordiatom sistemu C V CE, u kojem su i izlaze karakteristike trazistora, redstavlja radu ravu, sl. 3.18b (za rimer a sl. 3.21, ako se èli da u radoj ta~ki M, u kojoj je baza struja B = 40 μa, kolektorska struja ri aou V CE = 3,5 V bude C = 8 ma, iz (3.72) se dobija da otorost otorika R C izosi R C = 375 Ω). Kada se a bazu dovede i aizmei~i sigal (sl. 3.21a), jedosmeroj bazoj struji B se sueroira aizmei~a komoeta i b (t) = bm si(ωt) (u rimeru a sl. 3.21 je amlituda aizmei~e baze struje bm = 35 μa). Pri ozitivoj olueriodi aizmei~og sigala ove}ava se i kolektorska struja (od ta~ke M u levo o radoj ravoj, sl. 3.21b; za rimer a sl. 3.21 ri maksimaloj vredosti bm = 35 μa romea kolektorske struje je do ta~ke A, u kojoj je cm = β bm = 200 35 μa = 7 ma, odoso u ta~ki A kolektorska struja je CA = CM + cm = 8 + 7 = 15 ma). sto tako, ri egativoj romei aizmei~e komoete baze struje, kolektorska struja se o radoj ravoj od jedosmere rade ta~ke M smajuje u deso (za rimer a sl. 3.21 romea kolektorske struje je do ta~ke B, u kojoj je kolektorska struja je CB = CM cm = 8 7 = 1 ma). Dakle, ako je romea baze struje Δ B, romea kolektorske struje je Δ C = βδ B (za rimer a sl. 3.21 je Δ B = 70 μa, tako da je Δ C = 200 70 μa = 14 ma). Drugim re~ima, malom romeom ulaze struje mogu}e je ostvariti relativo veliku romeu izlaze struje, koja a otoriku R C stvara ad aoa koji se dalje, a isti a~i, moè ove}avati; treba aomeuti da je aiz- 1 Sve do sada izvedee jeda~ie odose se a PNP trazistore; da bi ove jeda~ie vaìle i za NPN trazistore, otrebo je svuda isred V EB, V BE, V CB, V CE, E, B i C romeiti zak 75

mei~a komoeta aoa a otoriku R C, usled v c (t) = R C i c (t) = R C βi b (t) = R C β bm si(ωt) u rotivfazi sa bazom strujom kad se baza struja ove}ava ao a kolektoru se smajuje i obruto (kao {to je i aza~eo a sl. 3.21a). a. b. Sl. 3.21. Uz obja{jeje rimee trazistora kao oja~ava~ke elektroske komoete. Jo{ ve}e strujo oja~aje dobija se kada se dva trazistora ve`u a a~i rikaza a sl. 3.22; to je tkzv. Darligtoov ar trazistora (ili Darligtoova veza, koju je mogu}e ostvariti istim teholo{kim ostucima kojima se dobija i samo jeda trazistor, uz kratkosajaje emitora jedog i baze drugog trazistora, dok je kolektor zajedi~ki). Naime, kako je baza struja drugog trazistora jedaka emitorskoj struji rvog trazistora, tj. B2 = E1 = (β 1 +1) B, a kolektorske struje rvog i drugog trazistora C1 = β 1 B i C2 = β 2 B2 = β 2 (β 1 +1) B, to je kolektorska struja C = C1 + C2 = (β 1 + β 2 (β 1 +1)) B, tako da je strujo oja~aje Darligtoovog ara: C A Darl = = β1 + β2 + β1β 2 β1β 2. (3.73) B 76

Sl. 3.22. Darligtoov ar (Darligtoova veza). 3.4.4. Korekcije Ebers-Molovog modela Kvazizasi}eje U dosada{joj aalizi stati~kih strujo-aoskih karakteristika trazistora zaemarivae su izvese veli~ie i ojave, o kojima se, iak, mora voditi ra~ua. Tu se, re svega, misli a zaemarivaje omskih otorosti ojediih oblasti trazistora., dok se otorost emitorske oblasti moè da zaemari (zbog velike kocetracije rimesa u jemu), to se e moè re}i za otorosti baze i, osebo, kolektorske oblasti. Naime, kod savremeih laarih eitaksijalih trazistora otorost eitaksijalog sloja, osebo ako taj sloj ije taak, moè biti zata, {to umogome meja oblik izlazih karakteristika u oblasti zasi}eja, sl. 3.23. Sl. 3.23. zlaze karakteristike trazistora sa velikom otoro{}u kolektorske oblasti. 77

Kao {to se sa sl. 3.23 vidi, kod takvih trazistora oblast zasi}eja se moè odeliti a oblast "ravog" zasi}eja i oblast kvazizasi}eja. U oblasti "ravog" zasi}eja je kolektorski soj "jako" direkto olarisa, te se zbog velike kocetracije osilaca aelektrisaja moè govoriti o efektivom ro{ireju baze u kolektor. U oblasti "ravog" zasi}eja, dakle, otorost eitaksijalog sloja je mala i ema zatijeg uticaja a oblik izlazih karakteristika, te se trazistor oa{a kao da ema eitaksijalog sloja. Me utim, sa ove}ajem aoa izme u kolektora i emitora kolektorski soj ostaje sve maje direkto olarisa, kocetracije osilaca se smajuju (ove- }ava se otorost) i tu oblast (oblast kvazizasi}eja) odre uje ad aoa a otorosti eitaksijalog sloja kolektora; oblast kvazizasi}eja je jako karakteristi~a kod trazistora sage i visokoaoskih trazistora, jer je kod jih eitaksijali sloj {irok, dok kod trazistora sa uskim eitaksijalim slojem (ili bez jega) oblast kvazizasi}eja a izlazim karakteristikama rakti~o e ostoji. Erlijev efekat Na sl. 3.24a rikazae su reale (meree) izlaze karakteristike jedog PNP trazistora. Vidi se da se oe, u odosu a ideale (sl. 3.20 i sl. 3.21) razlikuju o tome {to su, u aktivoj oblasti, agute u odosu a ascisu (V BE ) osu. To je, rakti~o, druga ojava o kojoj se ije vodilo ra~ua ri aalizi stati~kih strujo-aoskih karakteristika trazistora, a osledica je smajeja {irie baze ri ove}aju iverzog aoa a kolektorskom soju u aktivom re- ìmu rada; ovaj, feome, ozat od azivom Erlijev efekat, ukazuje da je izlaza otorost trazistora koa~a. Naime, sa ove}ajem aoa V CE, koji astaje usled ove}aja iverzog kolektorskog aoa V CB, ove}ava se i relaza oblast kolektorskog soja. ako je ro{ireje relaze oblasti ve}e u kolektoru (zbog maje kocetracije rimesa u eitaksijalom sloju) ego u bazi, iak efektivo smajeje {irie baze uti~e da izlaze karakteristike imaju odre e agib u odosu a ascisu osu, sl. 3.24. Sl. 3.24. Uz obja{jeje Erlijevog efekta: (a) reale (meree) izlaze karakteristike jedog PNP trazistora; (b) redstava oloàja Erlijevog aoa V A. Ura~uavaje Erlijevog efekta je ajogodije uvo ejem tkzv. Erlijevog aoa V A, ~ija se vredost dobija u reseku ascise (V BE ) ose i roduètaka izlazih karakteristika trazistora sa uzemljeim emitorom, sl. 3.24b. U tom slu~aju za koeficijet strujog oja~aja β i struju zasi}eja emitorskog soja SE treba koristiiti izraze: 78

i V β = β + BC ( wb0 ) 1 (3.74) VA V = + BC SE SE ( wb0 ) 1, (3.75) VA ri ~emu su β(w B0 ) i SE (w B0 ) koeficijet strujog oja~aja i struja zasi}eja emitorskog soja sa fizi~kom (eromejeom) {iriom baze, dati izrazima (3.43) i (3.53), resektivo. 3.5. PROBOJN NAPON TRANZSTORA Kod trazistora se moè govoriti o roboju emitorskog soja, roboju kolektorskog soja i o roboju izme u kolektora i emitora. 3.5.1. Proboji aoi kod trazistora sa uzemljeom bazom Proboji ao emitorskog soja V EB0 je roboji ao izme u emitora i baze kada je kolektor eriklju~e. Sa druge strae, roboji ao kolektorskog soja V CB0 je roboji ao izme u kolektora i baze ri eriklju~eom emitoru. Za oba roboja vaì sve oo {to je re~eo u 4.2.1 u Elektroskoj fizici ~vrstog tela. Kod trazistora sa homogeom bazom vredosti robojih aoa V EB0 i V CB0 teorijski bi trebalo da su jedake, s obzirom da su iste kocetracije rimesa u bazi uz emitorski i kolektorski soj. Razlike koje mogu da ostoje osledica su razli~itih ovr{iskih efekata a emitorskom, odoso kolektorskom soju. Kod trazistora sa ehomogeom bazom, me utim, kocetracija rimesa uz emitorski soj je ve}a ego uz kolektorski soj, te je roboji ao emitorskog soja zato maji od robojog aoa kolektorskog soja. Mehaizam roboja je laviski (odeljak 4.2.1 u Elektroskoj fizici ~vrstog tela) i kod emitorskog i kod kolektorskog soja. Defii{u}i koeficijet multilikacije M kao odos struja u retrobojoj oblasti i iverze struje koja roti~e kroz - soj re roboja, to, ako je re~ o r robojom aou kolektorskog soja, kolektorska struja CB0 je u retrobojoj oblasti ve}a od oe defiisae dosada{jim izrazima uravo za koeficijet multilikacije, tj.: sti zako vaì i kada emitor ije eriklju~e, odoso: r CB 0 = 0 M. (3.76) CB r C = ( α + 0 ) M = M. (3.77) E CB C Ekserimetalo a ea zavisost koeficijeta multilikacije M od iverzog aoa a - soju moè se aisati u obliku: M 1 = V 1 V r m, (3.78) 79

gde je V r roboji ao, a m koeficijet koji zavisi od kocetracije rimesa u maje doiraoj oblasti i za skokovite i lieare - sojeve jegove vredosti su date u tabl. 3.1. Tabl. 3.1. Vredosti koeficijeta m u izrazu (3.78) N (cm -3 ) 10 15 10 16 10 17 10 18 a (cm -4 ) 10 19 10 20 10 21 10 22 m 2 4 5 6 3.5.2. Proboji aoi izme u kolektora i emitora kod trazistora sa uzemljeim emitorom Kod trazistora sa uzemljeim emitorom, ored robojih aoa V BE0 = V EB0 i V CB0, ostoji i roboj izme u kolektora i emitora V CE0. Da bi se odredio ovaj ao, olazi se od retostavke ({to je i aj~e{}i slu~aj) da je baza struja kostata. U tom slu~aju, od uticajem struje B kroz emitorski soj roti~e struja (1+β)l B β B. Ova struja i struja CB0 roti~u kroz kolektorski soj. Me utim, u robojoj oblasti, usled multiiikacije osilaca, struja kroz kolektorski soj izosi Mβ B + M CB0 ; drugim re~ima, dodata kolektorska struja je (M 1)β B + (M 1) CB0. Kako je B = cost., to ova dodata struja mora da roteke i kroz emitorski soj, gde se oja~ava β uta. Ova struja, koja je sada (M 1)β 2 B + (M 1)β CB0, umoàva se a kolektorskom soju M uta, tako da je dodata kolektorska struja (M 1) 2 β 2 B + (M 1) 2 β CB0, itd. Dakle, u oblasti roboja a kolektorskom soju struja umoàvajem oraste svaki ut (M 1) uta, a a emitorskom soju β uta, tako da je emitorska struja: r E 2 2 = + β + ( M 1) β + ( M 1) β +... + B B B B 2 2 2 + [ 1+ ( M 1) + ( M 1) β + ( M 1) β + ( 1) β +... + ]= CB 0 M 2 2 [ (1 + β) + M ] [ 1+ ( M 1) β + ( 1) β + + ] = B CB.... (3.79) 0 M zraz u drugoj sredjoj zagradi osledje jeda~ie redstavlja geometrijsku rogresiju, tako da je: r ( 1+ β) B + M CB0 E =. (3.80) 1 ( M 1) β Za B = 0, rema (3.80), struja koja roti~e izme u kolektora i emitora CE0 je: CE M CB0 1 α 0 = = M CB0. (3.81) 1 ( M 1) β 1 αm Dakle, iz (3.80) i (3.81) moè se dobiti uslov roboja, a to je kada je imeilac u tim izrazima jedak uli: ( M 1) β = 1 ili αm = 1. (3.82) 80

Sl. 3.25. zlaze karakteristike trazistora sa uzemljei emitorom kod koga koeficijet strujog oja~aja zavisi od kolektorske struje. Nao roboja V CE0 (sl. 3.25) izme u kolektora i emitora bi}e maji od robojog aoa kolektorskog soja V CB0. Zamejuju}i koeficijet multiiikacije M iz (3.78) i stavljaju}i V =V CE0 i V r = V CB0, iz (3.82) sledi: α = 1. (3.83) m VCE0 1 VCB0 z osledje jeda~ie moè se dobiti ao roboja V CE0 kada je B = cost. ili B = 0: V = (1 α) =. (3.84) (1 + β) 1/ m CB V CE V 0 0 CB0 1/ m Kao {to se iz jed. (3.84) vidi, roboji ao izme u kolektora i emitora V CE0 zavisi od vredosti koeficijeta strujog ojacaja β. To za~i da je V CE0 cost., s obzirom da je β = f( C ) (sl. 3.12); drugim re~ima, tamo gde je ve}i koeficijet strujog oja~aja β (ve}i razmak izme u bazih struja a izlazim karakteristikama trazistora sa uzemljeim emitorom, sl. 3.25), tu je maji roboji ao V CE0. Miimala vredost V CE0 zove se ao odràvaja i ~esto se obeleàva sa V SUS (od "sustaig"). Sa sl. 3.25 vidi se, tako e, da se ove karakteristike za B > 0 u robojoj oblasti "slivaju" u jedu u karakteristiku za B = 0. Ukoliko se izme u baze i emitora veè otorik R B, uslovi za astajaje roboja se mejaju i tada je roboji ao V CER > V CE0. Jo{ ve}i roboji ao izme u kolektora i emitora (V CES ) dobija se kada je R B = 0 (odoso kada su izvodi za emitor i bazu kratkosojei). Ako se izme u emitora i baze rimei iverza olarizacija, izlaza karakteristika se omera jo{ vi{e u deso, a roboji ao, koji se u tom slu~aju oza~ava sa V CEX, je V CEX > V CES. Ovo je zbog toga {to iverza olarizacija baze meja uslove a emitorskom soju i oemogu}ava dodati uticaj 81

baze struje a kolektorsku struju, odoso kolektorski ao. U svakom slu~aju, iverza olarizacija baze teì da kocetri{e emitorsku struju a jedu ili vi{e malih oblasti izazivaju}i efekat kocetracije struje ("ich-i"). To ove}aje gustie struje u ojediim ta~kama dovodi do regrevaja tih ta~aka, te moè da do e do otkaza komoete, iako je ao iì od robojog aoa kolektorskog soja. Uo{te, u robojoj oblasti mogu}ost da se disiacija kotroli{e je zato smajea. U dosada{joj aalizi robojog aoa izme u kolektora i emitora retostavljeo je da ostoji roboj kolektorskog soja V CB0, uslovlje laviskom multilikacijom osilaca u relazoj oblasti kolektorskog soja. Me utim, kod trazistora moè da astui roboj i kada ema laviskog umoàvaja osilaca. Naime, ove}avajem iverzog aoa a kolektorskom soju ro{iruje se relaza oblast toga soja i, ako je baza uska, moè se desiti da kolektorska relaza oblast rekrije celu bazu. U tom slu~aju ve}iski osioci iz emitora eosredo relaze u kolektor, te kolektorska struja aglo raste, tj. astua roboj. Ovaj roboj zove se roboj rodirajem ("uch-trough"), a roboji ao ao rodiraja i obelezava se sa V PT. Nao rodiraja e zavisi od koeficijeta strujog oja~aja, tako da je u slu~aju roboja rodirajem isuje uslov V CE0 = VCER = VCES = VCEX = VPT, tj. kolektorska relaza oblast se ro{iruje reko cele baze bez obzira da li je baza otka~ea, vezaa reko otorika, kratkosojea sa emitorom ili iverzo olarisaa. 3.5.3. Sekudari roboj Kod trazistora sage se, ored oisaih mehaizama roboja, moè javiti i sekudari roboj. Ovaj roboj se u izlazim karakteristikama ogleda u aglom smajivaju aoa izme u kolektora i emitora, uz istovremei orast kolektorske struje, sl. 3.26. Pri tome dolazi do orasta gustie struje a ojediim mestima, a time i do zatog lokalog ovi{eja temerature, {to moè da dovede do toljeja kako silicijuma, tako i materijala od kojih su a~ijei kotakti. Uzrok takvog orasta gustie struje leì u dva mehaizma, od kojih je jeda termi~ki, a drugi struji. Sekudari roboj kao osledica termi~ke estabilosti astaje a "vru}im ta~kama", odoso lokalim odru~jima u trazistoru sa ove}aom gustiom struje, kao {to su solja{ja ivica - soja ili eka dislokacija u uutra{josti soja. ako je resek takvih "vru}ih ta~aka" mali, usled velike gustie struje ta mesta se zagrevaju. Ako je to ove}aje temerature relativo malo, a tom mestu }e se ove}ati otorost i roces ove}aja temerature }e se zaustaviti, jer ove}aje otorosti smajuje orast struje. Pove}aje otorosti }e biti sve dotle dok se smajuje okretljivost, a e ove}ava kocetracija osilaca aelektrisaja. U tom slu~aju, ri relativo sorom orastu ukue kolektorske struje usostavlja se ravoteà izme u odvo eja i geerisaja tolote, te astaje "obi~a" roboj. Me utim, ako struja re e eku grai~u (kriti~u) vredost, ovaj roces se e zaustavlja, ve} temeratura a mestu roboja raste, sve dok se silicijum a tom mestu e o~e da oa{a kao sostvei olurovodik (sl. 28 u Elektroskoj fizici ~vrstog staja), odoso kao da je "estao" - soj. Zbog toga ao a kolektorskom soju aglo oada (a sl. 3.26 od ta~ke A, odoso A', kada astaje sekudari roboj, do ta~aka B i B', kada - soj gubi smisao). Ako se trazistor u tom treutku isklju~i, oovo }e se vratiti a rethode karakteristike, bez vidog o{te}eja. Me utim, u slu~aju da se kolektorska struja e ograi~i, temeratura a mestu roboja moè da dostige temeraturu toljeja (u ta~kama C i C' a sl. 3.26) i tada je trazistor eovrato o{te}e. Sa druge strae, mereje vremea otrebog za razvijaje sekudarog roboja okazuje da, u odre eim uslovima, to vreme moè biti reda veli~ie aosekudi, odoso da je ograi~eo vremeskom kostatom merog kola. Tako malo vreme otrebo za maifestaciju se- 82

kudarog roboja e mo`e da se objasi termi~kom estabi1o{}u, ve} se u tom slu~aju astaak sekudarog roboja riisuje elektri~oj estabilosti, tkzv. strujom mehaizmu astaka sekudarog roboja. Do ojave ovog mehaizma dolazi kada gustia kolektorske struje re- e kriti~u vredost, uz istovremeo dovoljo veliki ao izme u kolektora i emitora, ~ime se sti~u uslovi za lavisku ijekciju ve}iskih osilaca a kolektorskom soju. Naime, ri velikim gustiama struje, rostoro aelektrisaje koga ~ie slobodi osioci i koje ostoji u relazoj oblasti kolektorskog soja, e mo`e se zaemariti u ore eju sa aelektrisajem koje oti~e od rimesa. Kako je zak aelektrisaja okretih osilaca, koji iz baze kroz relazu oblast odlaze u kolektor, surotog zaka od joizovaih rimesa kocetracije N ei u relazoj oblasti (razmatra se eitaksijali trazistor), to se i ukuo aelektrisaje smajuje. Pri gustii kolektorske struje J C, ukuo aelektrisaje u relazoj oblasti kolektorskog soja je: J C ρ( x) = q N ei, (3.85) qvs gde je v s grai~a driftovska brzia osilaca kroz relazu oblast kolektorskog soja. Sl. 3.26. zlaze karakteristike trazistora sage sa uzemljeim emitorom u oblasti sekudarog roboja. Usled smajeja ukuog rostorog aelektrisaja smajuje se i agib elektri~og olja u relazoj oblasti kolektorskog soja, jer je (rema Puasoovoj jeda~ii): dk( x) dx ρ( x) =. (3.86) ε s 83

Sl. 3.27. Zavisost elektri~og olja u kolektorskoj relazoj oblasti od kolektorske struje eitaksijalog NPN trazistora: (a) re i (b) osle ojave Kirkovog efekta. Dakle, sa ove}ajem gustie struje kolektorske struje J C, ri kostatom aou V CB, rofil elektri~og olja u eitaksijalom kolektoru (uz retostavku strmog - soja) meja se kao a sl. 3. 27a (rava (a) se odosi a slu~aj kada je relaza oblast kolektorskog soja x maja od {irie eitaksijale oblasti). Pri kriti~oj gustii struje J 0 = qn ei v s, ukuo rostoro aelektrisaje je jedako uli, te je elektri~o olje kostato (rava (c)). Za gustie struje J C > J 0, s obzirom da je, reta (3.85), ukuo rostoro aelektrisaje romeilo zak, maksimum elektri~og olja se "seli" sa metalur{kog soja baza-kolektor a me uovr{iu izme u slabo i jako doirae oblasti kolektora (rava (d)). Za jo{ ve}e J C (eka je to J ) ostiè se situacija u kojoj je vredost elektri~og olja a soju baza-kolektor jedaka uli (rava (e)). Za gustie struje J C > J ' 0 dolazi do {ireja baze u kolektor, tj. do Kirkovog efekta, a kako ao V BC ostaje kostata, to maksimum elektri~og olja raste 2, kao {to je rikazao a sl. 3.27b (krive (f), (g) i (h)). Za jaka olja (dovoljo veliki ao V CB ), za koja vaì retostavka da se osioci u ve- ' }em delu kolektora kre}u grai~om brziom v s, moè se okazati da je gustia struje J 0 data izrazom: 2ε s VCB = qvs + N ei qwei ' J 0 2 ' 0, (3.87) dok se za {iriu idukovaog dela baze w CB usled Kirkovog efekta dobija izraz: w CB = w ei J 0 qn eivs 1. (3.88) J C qn eivs 2 Ovo je zbog toga {to ri V CB = cost. ovr{ia isod krivih elektri~og olja ostaje ista, jer je wei V = K( x) dx CB x 84

Za ojavu sekudarog roboja kada astua laviska ijekcija osilaca "odgovoro" je maksimaio olje a me uovr{ii izme u jako i slabo doirae oblasti kolektora, za koje se dobija: K m 1 = 2 w ei V CB w CB. (3.89) Prema tome, sa orastom gustie struje raste i vredost olja, tako da oo moè dosti}i vredost ri kojoj dolazi do laviske multilikacije i ri aoima iìm od aoa odràvaja V SUS. Ako se ovi uslovi ostigu lokalo u trazistoru, a rimer ri isklju~eju, kada iverzo aajaje baze diktira kolektorskoj struji da se kocetri{e u ekoj uskoj oblasti, asta}e roboj ~ije je oreklo samo elektri~e rirode, a termi~ki efekti se javljaju samo kao rorata ojava. Tako, kod visokoaoskih rekida~kih trazistora, koji imaju oblast slabo doiraog kolektora, javlja se struji mehaizam astaka sekudarog roboja u slu~aju kada se vr{i isklju~eje iverzom olarizacijom. Sa druge strae, kada kod ovih trazistora astui sekudari roboj ri "ormaloj " olarizaciji, oda je taj roboj, aj~e{}e, izazva termi~kom estabilo{}u. Da bi se karakteristike trazistora obolj{ale u ogledu sekudarog roboja reduzimaju se broje mere sa ciljem da se elimii{u ili smaje a ajmaju mogu}u meru mehaizmi koji dovode do termi~kih ili elektri~ih estabilosti. U tu svrhu teì se da se miimiziraju defekti u kristalu, metale rimese, ehomogeosti u doiraju, itd., kao i da se obolj{a odvo eje tolote. Jeda druga metoda za sre~avaje sekudarog roboja, ozata kao "otere}ivaje emitora", sastoji se u "ceaju" emitora a ve}i broj malih emitora; izolacija ojediih emitora ostiè se umetajem otorosti u svaki od emitorskih kotakata. Na kraju, aomije se da su a sl. 3.27 rikazaa ograi~eja u ogledu maksimale kolektorske struje CM, maksimale disiacije P dmax, maksimalog aoa izme u kolektora i emitora V CEM i kriva koja okazuje graicu dozvoljeog rada u kome se e}e ojaviti sekudari roboj. Vidi se da je ograi~eje za kori{}eje trazistora sage ri iìm aoima dozvoljea disiacija, a ri vi{im sekudari roboj. 3.6. TRANZSTOR SA POLSLCJUMSKM EMTOROM Polikristali silicijum, ill olisilicijum, jeste forma silicijuma koji ima strukturu izme u struktura ure eog mookristala silicijuma i otuo eure eog amorfog silicijuma. O se sastoji od malih, roizvoljo orijetisaih zra mookristala, odvojeih oblastima bez oretka, ozatih od imeom "grai~a zra" (sl. 3.28). Sl. 3.28. [ematski rikaz strukture olikristalog silicijuma sa grai~im zrima. 85

Polisilicijum se ~esto rimejuje u MOS tehologiji, kada se koristi kao elektroda gejta. Posebo je ogoda za alikaciju, jer ima isku temeraturu deozicije (oko 600 C) i sosobost da izdrì visoke temerature koje se rimejuju ri roizvodji itegrisaih kola (900 1200 C). O, tako e, ima dobre elektri~e osobie, s obzirom da se u mogim slu~ajevima oa{a sli~o mookristalu; moè se doirati i jime ostvariti slojevi i - i -tia. Osova ideja za uotrebu olisilicijuma kod biolarih trazistora bila je da se dobije izuzeto taak emitor i, istovremeo, da se dobije trazistor sa vrlo velikom vredo{}u koeficijeta strujog oja~aja. Veliko strujo oja~aje je otrebo zbog toga {to je tada mogu}e ove}ati i kocetraciju rimesa u bazi, ~ime se smajuje baza otorost, {to direkto uti~e a ove}aje brzie rada i obolj{aje rekida~kih karakteristika trazistora. Zahtev za takim emitorom je zbog toga {to se tada ruà mogu}ost roorcioalog smajivaja i lateralih i vertikalih dimezija trazistora, {to, tako e, ove}ava grai~u u~estaost. Ovi zahtevi isu mogli da budu isujei kod stadardih laarih trazistora; aime, stadardi trazistori sa veoma litkim emitorima imaju edoustivo velike struje cureja, koje su osledica rodiraja metala u emitor ako metalizacije (kada moè da do e i do resajaja emitor-bazog soja). Ti roblemi su re{ei "umetajem" olisiicijumskog sloja (tkzv. olisilicijumskog emitora) izme u metalizacije i mookristalog emitora (sl. 3.29). Na taj a~i se dobija "roduèi" emitor, ri ~emu za ijektovae majiske osioce iz baze, koji se difuzioo kre}u ka emitorskom kotaktu, a ovr{ii mookristalog emitora ostoji efektiva brzia ovr{iske rekombiacije S oly. Uravo zbog ove brzie ovr{iske rekombiacije, koja je maja od brzie ovr{iske rekombiacije a metalom kotaktu, astaje ove}aje koeficijeta strujog ojacaja. Naime, u izrazu za koeficijet strujog oja~aja, jed. (3.43), za slu~aj kada je emitor izuzeto taak, u brojiocu se mo- è zaemariti drugi ~la u odosu a rvi, tako da je: h FE N Eeff ( we ) 1 =, (3.90) wb N S B ( x) E dx D ( x) 0 B ri cemu je S E brzia ovr{iske rekombiacije a metalom emitorskom kotaktu. Sli~a izraz "vaì" i za trazistore sa olisilicijumskim emitorom, samo {to sada umesto brzie ovr{iske rekombiacije S E a metalom kotaktu "figuri{e" efektiva brzia ovr{iske rekombiacije S oly a ovr{ii mookristalog emitora, tj.: h FE N Eeff ( we ) 1 =. (3.91) wb N S B ( x) oly dx D ( x) 0 B Kako je S oly < S E, o~igledo je da }e kod trazistara sa olisilicijumskim emitorom biti ve}a vredost koeficijeta strujog oja~aja. Deo izrade dva tia NPN trazistora sa olisilicijumskim emitorima rikaza je a sl. 3.29. Kod rvog tia trazistora, ako {to je oformlje otvor za emitor, rvo se aosi edoirai olisilicijumski sloj (sl. 3.29, 1-a). Zatim se vr{i imlatacija arsea u olisilicijum (sl. 1-b), a otom, ri temeraturi oko 900 C, difuzija arsea iz olisilicijuma u mookristal silicijuma; a taj a~i se dobija veoma litak mookristali emitor, debljie reda 0,01 μm (sl. 1-c). Kod ovog tia trazistora ostiè se ove}aje strujog oja~aja i do 10 uta. Kod drugog tia trazistora a sl. 3.29, sa kojim se dobija ove}aje strujog oja~aja tii~o 2 do 3 uta, mookristai emitor se formira imlatacijom arsea u mookristal silicijuma (sl. 2-a), ri ~emu se dobija dubia emitor-bazog soja oko 0,2 μm. Potom se, a raije 86

defiisai mookristali emitor, a temeraturi ribli`o jedakoj 900 C, aosi arseom doirai olisilicijumski sloj (si. 2-b). Kod ovog a~ia formiraja olisilicijumskog emitora ajbitije je {to se koristi kovecioali trazistor kome se dodaje olisilicijumski sloj, tako da se takvi trazistori zovu i trazistori sa olisilicijumski kotaktiraim emitorom. Sl. 3.29. Deo izrade dva tia trazistora sa olisilicijumskim emitorima. Ekserimetala mereja strujih oja~aja trazistora sa o1isilicijumskim emitorima okazuju da vredost strujog oja~aja jako zavisi od rirode me uovr{ie olisilicijum-silicijum. Naime, komoete sa izuzeto ~istom me uovr{iom, roizvedee kratkim agrizajem u fluorovodoi~oj kiselii re deozicije olisiicijuma, imaju vredost koeficijet strujog oja~aja ove}au 2 do 3 uta. Sa druge strae, ako izme u olisilicijuma i silicijuma ostoji taak sloj oksida (me uovr{iski oksid), dobije hemijskim tretmaom, dobija se ove}aje koeficijeta strujog oja~aja 10 i vi{e uta. Na sl. 3.30 su, za ova dva tia NPN trazistora, rikazae zavisosti kolektorske i baze struje od emitor-bazog aoa, sa koje se vidi da je ve}e ove}aje strujog oja~aja kod trazistora sa me uovr{iskim oksidom osledica smajeja baze struje. Veliko ove}aje strujog oja~aja trazistora sa me uovr{iskim oksidom mo`e se, tako e, objasiti omo}u jed. (3.91), s obzirom da je osledica smajee vredosti efektive brzie ovr{iske rekombiacije S oly a graici izme u mookristalog emitora i me uovr- {iskog oksida, sl. 3.31. 87

Sl. 3.30. Zavisosti kolektorske i baze struje od emitor-bazog aoa za trazistore sa i bez me uovr{iskog oksida. Sl. 3.31. Efektiva brzia ovr{iske rekombiacije {uljia u fukciji debljie me uovr{iskog oksida. 88

Pove}ao smajeje efektive brzie ovr{iske rekombiacije, tj. ove}ao smajeje baze struje kod trazistora sa me uovr{iskim oksidom astaje zbog toga {to {uljie, da bi dorle do emitorskog kotakta, moraju da rodru kroz me uovr{iski oksid; mehaizam za ovaj roces jeste tuelovaje {uljia kroz oksid. Struja {uljia, a to za~i baza struja je, stoga, odre ea tuelskim svojstvima me uovr{iskog oksida. To e za~i da se strujo oja~aje trazistora sa olisilicijumskim emitorom mo`e da ove}ava eograi~eo mogo ako se ove- }ava debljia me uovr{iskog oksida. U raksi je vredost ove}aja strujog oja~aja ograi~ea drugim mehaizmima. Tako, eke {uljie se (kao majiski osioci u emitoru NPN trazistora) rekombiuju u mookristalom delu emitora, ove}avaju}i rekombiaciou komoetu struje u emitoru RECE, sl. 3.32. S. 3.32. Uz obja{jeje rada trazistora sa olisilicijumskim emitorom i me uovr{iskim oksidom. Sl. 3.33. Promea emitorske otorosti sa debljiom me uovr{iskog oksida. 89

U krajjem slu~aju, kada je debljia mookristalog emitora veoma velika, e dobija se ove}aje vredosti strujog oja~aja, s obzirom da se sve {uljie rekombiuju re ego {to stigu do me uovr{iskog oksida. To je i razlog {to debljia mookristalog emitora, da bi se dobilo ove}aje strujog oja~aja, mora u delu emitora sa mookristalim silicijumom da bude mala u ore eju sa difuzioom duìom {uljia. [uljie mogu, tako e, da se rekombiuju a ovr{iskim stajima a dodiroj ovr{ii izme u mookristalog emitora i me uovr- {iskog oksida, daju}i komoetu rekombiacioe struje {uljia REC (sl. 3.32). Dakle, baza struja se e moè u edogled smajivati ove}ajem debljie me uovr{iskog oksida, s obzirom da }e uvek ostojati struje RECE i R REC, kojima se ridodaju rekombiacioe struje u bazi i u relazoj oblasti emitor-bazog soja (sl. 3.7). Sa druge strae, debljia me uovr{iskog oksida e sme da bude velika da se e bi drasti~o smajila struja elektroa, tj. broj elektroa koji, tako e, tuelovajem relaze iz olisilicijumskog dela emitora u mookristali emitor. Pored toga, sa ove}ajem debljie me uovrsiskog oksida ove}ava se i emitorska otorost r E, sl. 3.33. Zbog svega ared re~eog, debljia me uovr{iskog oksida e sme da bude ve}a od 1,5 m. Aaliza rocesa u olisilicijumskim emitorima je oteàa usled ostojaja grai~ih zra u olisilicijumu i, tako e, zbog grai~ih seudo-zra koja se formiraju a me uovr{ii izme u olisilicijuma i mookristala silcijuma. Ova grai~a seudo-zra sadrè visoku gustiu defekata i "vi{ak" veza i oa{aju se kao rekombiacioi cetri za {uljie (kao majiske osioce). U izvesim slu~ajevima grai~a zra mogu da blokiraju trasort {uljia. Ovo se de{ava zbog toga {to je okretljivost {uljia u blizii grai~og zra zato ià ego u mookristalom silicijumu. Ovaj blokiraju}i mehaizam grai~og zra je osebo bita kod olisilicijumskih emitora koji emaju me uovr{iski oksid. 90

4. TRSTOR Tirstori oseduju bistabile karakteristike koje mogu aglo da mejaju. Drugim re~ima, mogu aglo da relaze iz jedog u drugo staje: iz erovodog (OFF) staja velike imedase i male struje u rovodo (ON) staje male imedase i velike struje, i obruto. Prvi tiristori, roizvedei edesetih godia, mogli su da zadr`e ao od samo ekoliko volti u erovodom staju i da rovode struju od ekoliko amera u staju rovo eja. Sada se, me utim, roizvode tiristori sa azivim vredostima struja od ekoliko ma do reko 5000A i azivim vredostima aoa do oko 10000V; u skladu sa ove}aim zahtevima za boljom regulacijom sage, osezi vredosti aoa i struja se i dalje ove}avaju. 4.1. OSOBNE KARAKTERSTKE TRSTORA Tiristori su, u osovi, ~etvorosloje strukture sa tri - soja (J1, J2 i J3). Ove komoete mogu da imaju ~etiri, tri ili dva izvoda. Ako su sa dva izvoda, zovu se [oklijeve diode. Najve}u rimeu imaju komoete sa tri izvoda (sl. 4.1) i, iako se u literaturi oekad zovu i olurovodi~ki kotrolisai isravlja~i - SCR (od Semicoductor Cotrolled Rectifier), za ove komoete }e se, adalje, koristiti aziv "tiristori". Sl. 4.1. (a) Osova struktura tiristora; (b) tii~a rofil kocetracije rimesa. Tiristor se, obi~o, sastoji iz dva duboko difudovaa sloja -tia. Prva -oblast (P1) redstavlja aodi emitor. Slojevi P1 i P2 okru`uju {iroki sloj -tia velike otorosti, tj. bazu N1. Difudovai -sloj (sl. 4.1b) formira katodi emitor N2. Slojevi P1 i N2 oseduju omske kotakte omo}u kojih su formirai izvodi za aodu i katodu, dok je tre}i izvod ostvare reko kotakta P2-baze i redstavlja izvod za uravlja~ku elektrodu (gejt). 91

Pri iverzoj olarizaciji tiristora, tj. kada je aoda egativo olarisaa u odosu a katodu, tiristor je sa velikom imedasom i alazi se u iverzo-erovodom staju. u slu~aju direkte olarizacije (kada je aoda ozitivo olarisaa) komoeta, tako e, radi u reìmu velike imedase. Me utim, ako se u ovom reìmu a gejt dovede ao koji je ozitiva u odosu a katodu, kroz soj J3 }e rote}i struja koja dovodi tiristor u rovodo staje, u staje sa malom imedasom. Prelazak iz erovodog u rovodo staje je veoma brz i, kada jedom rovede, tiristor ostaje u rovodom staju ~ak i ako se ukloi ao a gejtu. Prelazak iz rovodog u erovodo staje se obi~o e kotroli{e gejtom, ve} solja{jim kolima; komoeta }e se vratiti u erovodo staje kada se struja smaji tako da jea vredost oade isod kriti~e vredosti, koja se zove struja dràja h. Sl. 4.2. Strujo-aoska karakteristika tiristora. Na sl. 4.2 rikazaa je osova strujo-aoska karakteristika tiristora. U oblasti (0)-(1) tiristor je u direkto-erovodom staju sa velikom imdedasom. Oblast (1)-(1') redstavlja direkto-roboju oblast; roboj ("relom") astaje kada je dv/d = 0, ri ~emu se defii{u direkto-roboji (relomi) ao V BF i roboja (reloma) struja, tj. struja uklju~eja s. Oblast (1)-(2) je oblast egative otorosti, a oblast (2)-(3) je direkto-rovoda oblast, kada je tiristor u staju rovo eja (ON staje). U ta~ki (2), gde je oet dv/d = 0, defiise se struja drzaja h, i ao dràja V h. Oblast (0)-(4) je obast u kojoj je tiristor u iverzo-erovodom staju, a oblast (4)-(5) je iverzo-roboja oblast. Strujo-aoske karakteristike tiristora, ri ~emu je struja uravlja~ke elekrode g arametar, rikazae su a sl. 4.3. Prime}uje se da ri orastu struje gejta relomi ao oada, da se struja u rovodom staju e meja, a da rastu struje u iverzo-erovodoj i direkto-erovodoj oblasti, ~ime se ove}ava disiacija a tiristoru. Zbog toga ije oèljo da ostoji uravlja~ka struja ako obude tiristora, te je, stoga, ovoljiji rad sa imulsom uravlja~kom strujom. 92

S. 4.3. Familija izlazih karakteristika tiristora sa strujom gejta kao arametrom. 4.1.1. Nerovodo staje tiristora 1. verzo-erovodo staje. U iverzo erovodom staju aoda je egativa u udosu a katodu i sojevi J1 i J3 su iverzo olarisai, dok je soj J2 direkto olarisa. Me utim, s obzirom da je oblast N1 zato slabije doiraa, odoso ima ve}u otorost od sloja N2, soj J1 odràva, rakti~o, sav rimejei ao, te se uticaj soja J3 moè zaemariti, osebo ri vi{im aoima. U tom slu~aju je tiristor sli~a trazistoru P2N1P1 sa otvoreom bazom i efektivo se oa{a kao iverzo olarisaa dioda, usled ~ega je strujo-aoska karakteristika sli~a -V karakteristici iverzo olarisae diode (sl. 4.2, kriva (0)-(4)-(5)). U ovom reìmu se ao izme u aode i katode odràva samo omo}u male struje cureja. Me utim, ako iverzi ao oraste tako da dostige vredost robojog aoa V BR (sl. 4.2), struja kroz tiristor aglo raste. Proboj moè biti uslovlje ili laviskim robojem soja J1, ili ro{irejem relaze oblasti soja J1 reko cele N1-oblasti do soja J2, kada astua roboj rodirajem ("uch through" efekat). Koji }e od ove dve vrste roboja rvo astati zavisi od debljie N1- oblasti (w N1 a sl. 4.4). Sl. 4.4. Tiristor u iverzo-erovodom staju; {irie oblasti rostorog aelektrisaja su x i x. 93

U slu~aju da je roboj uslovlje laviskim umoàvajem osilaca aelektrisaja u relazoj oblasti soja J1, roboji ao V BR moè se redstaviti slede}im emirijskim izrazom: 1/ B ( 1 α ) V BR = V B PNP. (4.1) U izrazu (4.1) je α PNP strujo oja~aje trazistora P2N1P1 sa uzemljeom bazom, V B je roboji ao kolektorskog soja omeutog trazistora (soja J1), a B je faktor roboja koji ima vredost izme u 4 i 10 i koji zavisi od rofila rimesa i vredosti robojog aoa V B (sl. 4.5). S. 4.5. Faktor roboja B kao fukcija robojog aoa V B za lieare i strme J1-sojeve. U slu~aju da se, re ego {to astui laviski roboj, relaza oblast soja J1 ro{iri reko cele N1-oblasti, do}i }e do "resajaja" soja J2, tj. astui}e "uch-throuqh" roboj V PT : V PT = qn D 2ε w s 2 N 1, (4.2) gde je w N1 {iria N1-baze (sl. 4.4). Primeri maksimalog robojog aoa V BR rikazai su a si. 4.6. Moè se videti da je za slabije doirae N1-oblasti ao ograi~e "uch-throuhg" robojem, a ri ve}im kocetracijama rimesa u N1-ob1asti laviskim robojem. Otimala vredost kocetracije rime- 94

sa N D alazi se izme u ovih graica, tako da je, za datu {iriu N1-baze, vredost robojog aoa blizu svoje maksimale vredosti. Sl. 4.6. Maksimali roboji ao za iverzo olarisa tiristor i skokoviti J1-soj u zavisosti od kocetracije rimesa u N1-bazi ri razli~itim vredostima {irie w N1. 2. Direkto-erovodo staje. U direkto-erovodom staju (sl. 4.7) katoda je egativa u odosu a aodu, tako da je samo soj J2 iverzo olarisa (sojevi J1 i J3 su tada direkto olarisai). Najve}i rimejei ao bi}e jedak adu aoa a soju J2. Sl. 4.7. Tiristor u direkto-erovodom staju. 95

Sl. 4.8. Dvotrazistorska aalogija tiristora ri direktoj olarizaciji. U cilju boljeg razumevaja rada tiristora u ovom reìmu, koristi se aroksimacija tiristora dvotrazistorskim modelom kao a sl. 4.8. Kao {to se vidi, tiristor se moè redstaviti omo}u PNP (P1N1P2) i NPN (N2P2N1) trazistora, ri ~emu su emitori oba trazistora direkto olarisai, a kolektorske struje svakog trazistora obu uju baze komlemetarih trazistora. Na osovu sl. 4.8 moè se aisati: = α + + α +. (4.3) A PNP A C01 NPN K C 02 gde su α PNP i α NPN struja oja~aja odgovaraju}ih trazistora sa uzemljeom bazom, a C01 i C02 struje cureja kolektorskih sojeva J2. Kako je, sa druge strae, struja katode K : = +, (4.4) K A g to iz (4.3) i (4.1) sledi: A α NPN g + C 01 + C02 = 1 ( α + α ) PNP NPN. (4.5) Posledja jeda~ia oisuje stati~ku karakteristiku tiristora u direkto-erovodom staju. 3. Proboji ("relomi") ao ri direktoj oiarizaciji V BF. Sa ove}ajem aoa V AK izme u aode i katode struja cureja raste. S obzirom da struja oja~aja α PNP i α NPN jako zavise od struje, to ri izvesoj vredosti aoa (odoso struje), kada oba trazistora orime 96

odgovaraju}e vredosti strujih oja~aja, dolazi do ozitive srege i tiristor "robija". Taj roboji ("relomi") ao rakti~o astaje kada je: α PNP + α NPN = 1. (4.6) Treba aomeuti da se sli~a efekat e javlja ri iverzoj olarizaciji, jer su tada oba emitorska soja iverzo olarisaa, te e moè do}i do ozitive reakcije. Sl. 4.9. [ematski ore~i resek tiristora sa katodo-emitorskim kratkim sojevima. Vredost robojog aoa V BF, dobijea a osovu uslova (4.6), bila bi relativo iska, s obzirom da bi se vrlo brzo ostiglo α PNP + α NPN = 1. Zbog toga se teì da jedo od strujih oja- ~aja bude zato maje u odosu a drugo; aj~e{}e se tiristor rojektuje tako da bude α NPN << α PNP. Ovaj uslov ostiè se katodo-emitorskim kratkim sajajem, sl. 4.9. Naime, katoda (koja je istovremeo i emitor ekvivaletog NPN trazistora) ostvarea je izom kratkoojeih difudovaih kocetri~ih + -oblasti, tako da je P2-baza tiristora (gejt) vezaa za katodi kotakt reko malih rasodeljeih otorosti, ri ~emu ove otorosti ostoje usled sloje otorosti P2- baze. Efekat kratkih sojeva sastoji se u "omogu}avaju" struji da remosti emitor-bazi soj NPN trazistora, efektivo smajuju}i jegovo strujo oja~aje. Za obja{jeje tog efekta moè koriso da osluì dvotrazistorski model tiristora, sl. 4.10. U slu~aju kada ema katodo-emitorskih kratkih sojeva (sl. 4.7) strujo oja~aje NPN trazistora sa zajedi~kom bazom je: C 2 C02 α NPN =. (4.7) E 2 Me utim, kada ostoji katodo-emitorsko kratko sajaje, emitorska struja E2 ije jedaka katodoj struji K (sl. 4.10), ve} je: = 2 +, (4.8) K E s gde je s struja "skretaja" usled rasodeljee otorosti R s. Sada je mogu}e defiisati efektivo strujo oja~aje NPN trazistora sa katodo-emitorskim kratkim sojevima: α eff = C 2 E 2 + C 02 s. (4.9) 97

Sl. 4.10. Dvotrazistorski model tiristora sa katodo-emitorskim kratkim sojevima. Kombiuju}i (4.7) i (4.9) dobija se: α NPN α eff =. (4.10) s 1+ E 2 Kako je rasodeljea otorost R s mala, to je odos s / E2 veliki, te je i α eff << α NPN. U ovakvim uslovima relomi ao V BF bi}e ribli`o jedak iverzom robojom aou V BR. Vredost α eff e zavisi samo od rasodeljee otorosti R s, ve} i od ozitive olarizacije (V BE ) emitor-bazog soja NPN trazistora. Naime, za male vredosti V BE emitorska struja E2 je mogo maja od struje kratkih sojeva s. Me utim, kada je V BE 0,6V, emitorska struja aglo raste i oda je s < E2. Dakle, bice α eff << α NPN sve dok je V BE < 0,6V; kada ao V BE araste izad ribli`o 0,6V, α eff aglo raste i tiristor ce "robiti" ri aou VBF. Katodo-emitorski kratki sojevi e uti~u samo a vredost relomog aoa, ve}, tako e, daju obolj{aja u ogledu ve}e otorosti a roboj usled aglog orasta aoa i smajuju vreme isklju~eja tiristora. 4.1.2. Provodo staje tiristora Tiristori relaze iz erovodog u rovodo staje kada je zadovolje uslov: α NPN + α PNP 1. (4.11) 98

U tor slu~aju sva tri soja su direkto olarisai. Tada trazistor N2P2N1 radi u zasi}eju, te se tiristor oasa kao P1-i-N2 (-i-) dioda. Do sada je aalizira rad tiristora i jegovo oa{aje ri romei aoa izme u aode i katode. Me utim, relazak tiristora iz erovodog u rovodo staje se retko izvodi a taj a~i; zato ~e{}e se tiristori uvode u rovodo staje dovo ejem odre eog sigala a gejt (uravlja~ku elektrodu). U treutku obu ivaja tiristora za relazak u rovodo staje rvo se uklju~i samo mala oblast emitora, blizu kotakta za gejt. Ova o~eta rovoda oblast se, zatim, aglo {iri kroz komoetu, sve dok celi emitor e rovede. S obzirom da komoeta, ~esto, treba da odese veliku struju odmah ako uklju~eja gejta, o~eta rovoda zoa }e imati veliku gustiu struje, te lokali termi~ki efekti mogu biti veoma kriti~i, o ~emu se mora jako voditi ra~ua rilikom rojektovaja tiristora. Sl. 4.11. Karakteristike uklju~eja tiristora. Kada se a gejt tiristora dovede sigal, komoeta e}e mo}i odmah da u e u rovodo staje, ve} treba da roteke izveso vreme i to vreme se zove vreme uklju~eja tiristora. Ovo vreme se obi~o deli a tri razli~ite faze (sl. 4.11): 1 vreme ka{jeja; 2 vreme orasta i 3 vreme rasrostiraja. 1. Vreme ka{jeja. Sa sl. 4.11 vidi se da je vreme ka{jeja vreme u kome se, ako uklju~eja gejta, de{avaju male romee aodog aoa i aode struje. U toku ovog vremea a soju J3 je ao izme u 0,5V i 0,6V, te ijektovai elektroi iz N2-emitora "utuju" ka soju J2; drugim re~ima, otrebo je izveso vreme da osioci re u ojedie oblasti tiristora. Zbog toga je, da bi vreme ka{jeja bilo malo, osebo za~ajo da bude kratko vreme releta osilaca aelektrisaja kroz oblasti trazistora N2P2N1. Ovo je kriti~o kod visokoaoskih tiristora, kod kojih je i P2-baza {iroka, te je kod jih vreme ka{jeja obi~o veliko. Rezultati isitivaja su okazali da je vreme ka{jeja smajeo kada raste struja gejta. 99

2. Vreme orasta. To je vreme kada struja tiristora raste, ili recizije, to je vreme kada aodi ao oade a 10% svoje o~ete vredosti (sl. 4.11). Pokazalo se da se ovo vreme (t r ) moè da aroksimira geometrijskom srediom vremea releta osilaca kroz baze N1 (t t1 ) i P2 (t t2 ): t = t t. (4.12) t t1 t 2 Za brzo uklju~eje je, za~i, otrebo da tiristor ima uske baze. Ovaj zahtev je u surotosti sa zahtevom za ve}im robojim aoima ri iverzoj olarizaciji, gde bi u slu~aju uske N1-oblasti, kao sto je re~eo, veoma brzo astuio roboj rodirajem. Vreme orasta, me utim, e zavisi samo od kostrukcije komoete, ve} i od solja{jeg kola, koje moè ametuti svoje sostveo ograi~eje a orast struje; a rimer, ako u solja{jem kolu ostoji iduktivo otere}eje, tada je orast aode struje mogo vi{e ograi~e iduktivo{}u ego samim tiristorom. Sl. 4.12. Uz obja{jeje vremea rasrostiraja. 3. Vreme rasrostiraja. To je vreme u kojem aodi ao ostaje stabila u rovodom staju. Naime, ri kraju vremea orasta tiristor rovede i, ako je struja ve}a od struje dràja, tiristor }e astaviti da rovodi, ezaviso od struje gejta. Me utim, a o~etku }e rovoditi samo deo tiristora oko elektrode gejta (sl. 4.12). Preostali deo katode je dovede u staje rovo eja rasrostirajem lazme (zbog toga je vreme otrebo da celokua katoda rovede azvao vreme rasrostiraja). Kod tiristora je vreme rasrostiraja duè od vremea orasta i zato je oo veoma za~ajo, jer ima zata uticaj a diami~ko oa{aje komoete. Moè ro}i i ekoliko stotia μs da bi rasrostiraje lazme bilo komleto. 100

4.1.3. sklju~eje tiristora Kada je tiristor u rovodom staju sva tri soja su direkto olarisaa. To za~i da ostoje, osebo ri velikim gustiama struje, zate agomilae kocetracije majiskih osilaca u sve ~etiri oblasti tiristora. Zbog toga, da bi se izvr{ilo isklju~eje tiristora, eohodo je da se "ukloi" to agomilao aelektrisaje. Ovo uklajaje aelektrisaja ostiè se, aj~e{}e, rekidom aodog kola ili iverzom olarizacijom aodog kola (r. uklajajem uravlja~ke struje tiristor se e moè isklju~iti). Kada se koristi tehika rekidaja aodog kola, aoda struja se smajuje isod vredosti struje dràja isklju~ejem redih rekida~a ili orastom otere}eja, ri ~emu se agomilao aelektrisaje uklaja rekombiacijom. Sl. 4.13. Karakteristike isklju~eja tiristora kada aodi ao aglo meja olaritet (retostavljeo je otoro otere}eje u solja{jem kolu). U drugoj tehici (iverzom olarizacijom aodog kola) struja riudo te~e u surotom smeru, sl. 4.13. Ovaj a~i rekidaja se moè ostici "rirodom" komutacijom, kao {to se de{ava, a rimer, svake olueriode u kolu aizmei~e struje, ili risilom komutacijom, kada osebo kolo meja olaritet aoa aode u odosu a katodu. Promeom aodog aoa ijekcija a rvom i tre}em soju restaje, jer solja{ji ao teì da iverzo olari{e ove sojeve. U rvoj eriodi (od t 0 do t 1, sl. 4.13) aoda struja je ograi~ea samo otoro{}u solja{jeg kola, jer su kocetracije agomilaih majiskih osilaca uz sve sojeve izad ravoteè. S obzirom da su oblasti P2 i N2 ajuè, a vreme ìvota u jima ajmaje, to }e oadaje kocetracije majiskih osilaca biti ajbrè kod soja J3. Prvi eriod se zavr{ava kada kocetracija majiskih osilaca uz soj J3 oade a ulu (t 1 ). Posle ovog treutka astua drugi eriod (od t 1 do t 2, sl. 4.13); to je eriod orasta aoa a soju J3. Usled orasta aoa a soju J3 oada aoda struja. Ovo }e se de{avati sve do treutka t 2, kada a soju J3 astua roboj; tada ao a jemu vi{e e raste, te aoda struja ostaje kostata. Aoda struja }e ostati kostata sve dok kocetracija agomilaih osilaca kod soja J1 e oade do ule, {to se de{ava u treutku t 3. Posle ovoga ao a soju J1 raste, te aoda struja oada. U treutku t 4 (sl. 4.13) aoda struja toliko oade da se moè smatrati da je kolo rekiuto. Me utim, to e za~i da je tiristor isklju~e, jer, ako se u treutku t 4 a tiristor riklju~i ozitiva aodi ao, tiristor }e se vratiti u rovodo staje; ovo je osledica toga {to 101

soj J2 e}e biti iverzo olarisa, te uz jega ima jo{ agomilaih majiskih osilaca. Tek osle treutka t 5 kocetracija majiskih osilaca uz soj J2 je toliko mala da se tiristor e}e uklju~iti kada se riklju~i ozitiva ao. Vreme isklju~eja tiristora t off je od t 0 do t 5. Pokazalo se da se vreme isklju~eja t off moè da redstavi slede}im izrazom: t off F = τ l. (4.13) h gde su: F = A struja rovo eja tiristora ri t = 0, h struja dràja, τ P vreme ìvota {uljia kao majiskih osilaca u N1-oblasti. Dakle, da bi se dobilo maje vreme isklju~eja treba smajiti vreme ìvota {uljia u N1- oblasti. Ovo smajeje vremea ìvota moè se osti}i katodo-emitorskim kratkim sojevima ili uvo ejem rekombiacioih cetara, kao {to su zlato i latia, ili izlagajem tiristora elektroskom i gama zra~eju. Zlato, me utim, ije ogodo za rekombiacioe cetre, s obzirom da struja cureja raste, a relomi ao oada sa orastom doiraja zlatom; do ovih romea e dolazi ri doiraju latiom ili usled elektroskog zra~eja. Katodo-emitorski kratki sojevi odvode struju ooravka i struju fazog omeraja iz tiristora; ri tome ema direktog olarisaja N2-emitora u odosu a P2-bazu. Sa druge strae, smajivaje vremea ìvota τ ove}ava direkti ao u staju rovo eja, {to se vidi sa sl. 4.14, a kojoj je rikaza tii~a me usobi odos izme u direktog ada aoa i vremea isklju~eja tiristora sage. Sa slike se vidi da se komromiso re{eje moè dobiti za vreme isklju~eja oko 10 μs i direkta ad aoa oko 2V. Sl. 4.14. Me usobi odos izme u direktog ada aoa i vremea isklju~eja za tiristore sage. 102

4.2. VRSTE TRSTORA 4.2.1. Preloma dioda (BOD) Preloma dioda BOD (od Breakover Diode) ije dioda, kao {to se a osovu jeog imea mo`e retostaviti, ve} tiristor bez gejta; ove komoete, kao {to je aomeuto, zovu se i [oklijeve diode. Glava razlika izme u relome diode i tiristora je u tome sto je kod relome diode uared odre ea ta~a vredost direktog relomog aoa i to kostrukcijom komoete. BOD strukture se rebacuju u rovodo staje kada se dostige direkti relomi ao V BF ili kada astui agla romea aoa (tkzv. dv/dt efekat). Sl. 4.15. Preloma dioda (BOD): (a) ore~i resek; (b) strujo-aoska karakteristika. Pore~i resek relome diode rikaza je a sl. 4.15a; kostrukcija je ista kao kod tiristora, ali ema izvoda za gejt. Strujo-aoske karakteristike relome diode (sl. 4.15b) su, tako e, sli~e kao kod obi~og tiristora kod koga se rebacivaje u rovodo staje vr{i delovajem aodog aoa ili dv/dt efektom. Prelome diode se koriste kao rekida~ki elemeti u imulsim kolima, kao za{tite komoete i kao komoete za za{titu od relomog aoa kod visokoaoskih tiristora. 4.2.2. Dijak Dijak je simetri~i diodi tiristor, koji, u osovi, sadr`i dve atiaralelo vezae [oklijeve diode (sl. 4.16). Sa sl. 4.16 se vidi da su oblasti N1 i P1, kao i oblasti P2 i N3, kratkosojee; a taj a~i se, ako je (a rimer) A ozitiva elektroda, desa olovia komoete oa{a kao "ormala" tiristor sa kratkom vezom izme u N1 i P1. Kada usled ove}aja aoa izme u elektroda A i B astui roboj soja J2, kroz jega }e rote}i struja i to aralelo soju J1 (jer je ovaj soj kratkosoje). Usled roticaja struje stvori}e se ad aoa a sloju P1, {to dovodi do direkte olarizacije soja J1, tako da se desa straa uvodi u rovodo (ON) staje. Sloj N3 ema ikakvog udela ri ovom staju dijaka, s obzirom da je, usled roticaja struje kroz oblast P2, sloj J4 iverzo olarisa. 103

Sl. 4.16. Osova kofiguracija dijaka. Sl. 4.17. Dijak sa slojevima N1 i N2 koji se reklaaju. Pri romei olarizacije, tj. kada se dovede ozitiva ao a elektrodu B, leva straa dijaka }e biti aktiva, ri ~emu u rovo eju struje u~estvuju sojevi J4, J3 i J2, odoso oblasti N3, P2, N2 1 P1. zborom debljie slojeva P1 i P2 (bolje re}i slojeva a 1 i a 2, sl. 4.17), kao i veli~ie reklaaja slojeva N1 i N3, moè se odesiti èljea struja uklju~eja s. U slu~aju da su debljie slojeva a 1 i a 2 male, a duìa reklaaja L velika (sl. 4.17), ore~a otorost }e biti velika (otorost struji re uklju~eja), te }e se ri maloj struji s stvoriti dovolja ad aoa a soju J1 (ili soju J4), odoso ri majoj vredosti struje s }e jeda olovia dijaka re}i u rovodo staje. Sl. 4.18. Strujo-aoska karakteristika i simbol dijaka. Na osovu re~eog moè se zaklju~iti da dijak ima simetri~u strujo-aosku karakteristiku, koja je rikazaa a sl. 4.18. Sli~o kao kod relome diode, dijak se moè dovesti u 104

rovodo staje aoom koji je ve}i od relomog aoa, ili aglom romeom aodog aoa (dv/dt efektom). Me utim, zbog regeerativog delovaja, dijak ima ve}u egativu otorost i maji direkta ad aoa od relome diode. 4.2.3. Trijak Trijak se dobija itegracijom dva atiaralela tiristora. To je etosloja komoeta sa tri izvoda koja moè da blokira ili rovodi struju za obe olarizacije kotrolom sigala a gejtu. Stoga se trijak koristi za kotrolu aizmei~e sage. Sl. 4.19. Osova kofiguracija trijaka. Sl. 4.20. Strujo-aoska karakteristika trijaka. Osova struktura trjaka rikazaa je a sl. 4.19. Vidi se da se trijak sastoji od dva tiristora (A i B) sa zajedi~kim gejtom G. Metalizacije emitora N2 i N4 {ire se reko velikih slojeva P1 i P2, te su tako ostvarei katodo-emitorski i aodo-emitorski kratki sojevi. Strujo-aoska karakteristika trijaka (sl. 4.20) je simetri~a u odosu a koordiati o~etak. Komoeta "radi" u rvom ili u tre}em kvadratu (kada je izvod 2 ozitiva, odoso kada je izvod 1 ozitiva). U oba kvadrata trijak se moè dovesti u rovodo staje ozitivim ili egativim imulsom gejta, te ostoje ~etiri razli~ita a~ia "okidaja" trijaka. To su: rvi kvadrat gejt egativa; rvi kvadrat gejt ozitiva; tre}i kvadrat gejt egativa; tre}i' kvadrat gejt ozitiva. 1. Prvi kvadrat gejt egativa. U ovom slu~aju izvod 1 je egativa u odosu a izvod 2, a gejt je egativa u odosu a izvod 1. Soj gejta J4 je, zato, direkto olarisa i ijektuje elektroe u oblast P2. U ovom reìmu J4 se oa{a kao emitorski gejt, a ijektovai elektroi "utuju}i" kroz N1-bazu uslovljavaju ijekciju {uljia iz oblasti P1, te je tiristor A uklju~e. Tiristor B e radi dok traje ovaj roces, jer je soj J5 iverzo olarisa i e rovodi struju. 2. Prvi kvadrat gejt ozitiva. U ovom reìmu izvod 1 je egativa u odosu a izvod 2 i soj gejta je iverzo olarisa. S obzirom da metalizacija gejta relazi i reko oblasti P2 (sl. 4.19), a a visokom je otecijalu, to ova elektroda ijektuje {uljie u oblast P2. Tako se gejt oa{a kao gejt "ormalog" tiristora koji ijektuje {uljie, dok oblast N2 ijektuje elektroe. Na taj a~i tiristor A se uvodi u rovodo staje. 105

3. Tre}i kvadrat gejt egativa. Ovde je izvod 2 egativa u odosu a izvod 1 i soj gejta J4 je direkto olarisa. Gejt deluje kao "daljiska" uravlja~ka elektroda, ijektuju}i elektroe u oblast P2. Ovi elektroi su "okuljei" od strae soja J2, a iì otecijal oblasti N1 u odosu a P2 dou{ta rotok struje reko soja J2, koji okida tiristor B. ako je soj J2 direkto olarisa, o i dalje moè delovati kao kolektor za elektroe koji difuduju kroz bazu P2; to je zato {to je elektri~o olje - soja, usled ugra eog otecijala, uvek u istom smeru i za iverzu i za slabu direktu olarizaciju (olje ostaje veliko i za direktu olarizaciju, jer je oblast rostorcg aelektrisaja vrlo uska). 4. Tre}i kvadrat gejt ozitiva. U ovom staju izvod 2 je egativa u odosu a izvod 1, a soj J4, koji je iverzo olarisa, oovo deluje kao daljiski gejt. Kako je gejt ozitivo olarisa, o dostiè otecijal sloja P2 koji direkto olari{e emitorski soj J3. Na taj a~i se, reko soja J3, ijektuju elektroi koje "skulja" soj J2. Uklju~eje se, oda, obavlja a isti a~i kao kod rethodog slu~aja. Kad tiristor B rovede, emitor N2 vi{e e u~estvuje u rovo eju, jer struja {uljia te~e u ravcu metalizacije. Vredost struje okidaja koja je otreba za uklju~eje trijaka je razli~ita za razli~ite reìme rada gejta. U o{tem slu~aju, kriti~a struja gejta je ajmaja za aj~e{}e uklju~eje gejta (rvi kvadrat gejt ozitiva), a ajve}a je za daljiski gejt (zbog relativo slabe efikasosti kolektorskog delovaja direkto olarisaog soja J2 u tre}em kvadratu). Raije je agla{eo da kod kovecioalih tiristora mogu astati roblemi rilikom komutacije usled agomilaog aelektrisaja majiskih osilaca. Kod tijaka je taj roblem jo{ ve}i, s obzirom da se o, rakti~o, sastoji od dva tiristora. Naime, eka je tiristor A rovodio (izvod 2 je ozitiva). U treutku romee smera struje u tiristoru A zadràva se agomilao aelektrisaje i, kako izvod 1 ostaje ozitiva, agomolao aelektrisaje }e au{tati oblasti baze formiraju}i iverzi tok struje izme u izvoda 1 i aode tiristora A (sl. 4.21). Ako ova struja ima dovoljo veliku vredost, otecijal oblasti P1 u okolii oblasti N4 moè da se ove}a, {to rouzrokuje da N4 ijektuje elektroe, koji }e uklju~iti tiristor B, te dolazi do otkaza komutiraja. Re{eje ovog roblema se ostiè ove}ajem broja (ivoa) emitorsko-katodih kratkih sojeva i uvo ejem izolacioih oblasti izme u dve tiristorske oblasti. Sl. 4.21. Trijak za vreme komutiraja. 106

4.2.4. Tiristor kod koga gejt omaè ri isklju~ivaju (GATT) Pri rojektovaju ve}ie saìh elektroskih kola vaò je osti}i male gubitke a visokim u~estaostima. Uotreba tiristora a visokim u~estaostima ograi~ea je vremeom isklju- ~eja komoete. Kod kovecialih tiristora smajejem vremea isklju~eja kvare se ostale karakteristike (ove}avaju se ao u rovodom staju i vreme rasrostiraja ri uklju~eju). Ovo, rakti~o, moè rouzrokovati ograi~eje vremea isklju~eja tiristora (tii~o a 15 μs za komoete od 1200 V), {to smajuje oseg radih u~estaosti. GATT (od Gate Assisted Tur-off Thyristor) moè imati vreme isklju~eja maje od 6 μs za tiristore od 1200V. Prici tiristora kod koga gejt omaè ri isklju~ivaju sli~a je kori{}eju katodoemitorskih kratkih sojeva, kada se èli isklju~ivaje tiristora. Naime, kao {to je re~eo, katodo-emitorski kratki sojevi odvode struju ooravka i struju fazog omeraja iz tiristora, e dozvoljavaju}i da do e do ozitive olarizacije N2-emitora u odosu a P2-bazu. Gejt GATT-a vr{i istu fukciju, ali u ovom slu~aju gejt je egativo olarisa, ~ime se uklaja mogu}ost bilo kakve direkte olarizacije a soju J3. Ovo je ilustrovao a sl. 4.22. Sl. 4.22. GATT struktura: (a) bez katodih kratkih sojeva; (b) sa katodim kratkit sojevima. Kao {to se sa sl. 4.22 vidi, kod tiristora sa otvoreim gejtom struja ooravka te~e direkto kroz -emitor. Zbog toga moè do}i do direktog olarisaja soja J3, {to dovodi do otkaza isklju~ivaja, dok u slu~aju egativo olarisaog gejta struja ooravka te~e ka gejtu du` -baze. Da bi se u otuosti izbegla mogu}ost direkte olarizacije soja J3, koja, iak, moè astati ako je otorost -baze velika, rimejuje se katodo-emitorsko kratko sajaje, sl. 4.22b. Kada je katodi emitor kratkosoje, rimea egative olarizacije a gejt dovodi do orasta struje koja te~e od katodog kratkog soja ka gejtu. Ova laterala struja u -bazi surotstavlja se 107

direktom olari{u}em efektu struje ooravka. U ovom slu~aju, za razliku od komoete bez kratkog soja, velika otorost -baze je korisa, jer oja~ava deolarisu}i efekat. Sl. 4.23. Rasodeljei ili iterdigitali gejtovi: (a) ~e{ljasti; (b) eriferi; (c) T-gejt; (d) krstasti; (e) "ahuljasti"; (f) zavoji (uvijei) gejt. Da bi sre~ili geerisaje suvi{e velikih lateralih aoa olarizacije a -bazi za vreme iskiju~ivaja, sve GATT komoete moraju imati uske -emitore, a za komoete velikih saga o`elji su rasodeljei ili iterdigitali gejtovi, sl. 4.23. Uotreba iterdigitalih gejtova zahteva velike struje gejta za uklju~ivaje i uobi~ajeo re{eje za dobijaje rihvatljivih karakteristika ri uklju~ivaju je uotreba oja~ava~ke gejt strukture. S. 4.24. GATT sa oja~ava~kim gejtom: (a) sa solja{jom diodom; (b) sa itegrisaom bajas diodom. GATT sa oja~ava~kim gejtom rikaza je a si. 4.24. Vidi se (sl. 4.24a) da ovaj tiristor ima dve isklju~iva~ke elektrode: omo}u i cetralu; izme u jih je dioda (bajas dioda). Po- 108

trebo je da ova dioda remosti "ilot"-tiristor za vreme isklju~eja, kako bi mogla da se odvodi struja gejta ri isklju~eju; za vreme uklju~eja dioda je iverzo olarisaa i struja uklju~ivaja gejta te~e ka cetralom gejtu. Postoje dva roblema ri koris}eju bajas diode. Prvo, vreme ooravka diode ri isklju~eju mora biti veoma kratko da bi se sre~ilo rovo eje struje u iverzom smeru kada se a gejt dovede imuls za uklju~eje tiristora. Ovaj roblem je osebo izraè kada je dioda itegrisaa (sl. 4.24b), gde se vreme ìvota majiskih osilaca aelektrisaja mora da kotroli{e lokalo (samo u oblasti diode). Drugi roblem kod itegrisae diode jeste arazita NPNP struktura isod diode. Za vreme isklju~eja iverza struja gejta te~e kroz diodu i ova struja mora da vr{i okidaje arazitog tiristora, kada dolazi do otkaza isklju~eja GATT strukture. U raksi, uotreba jede itegrisae bajas diode e doosi ve}e redosti od solja{je diode; zbog toga je kod ve}ie GATT struktura sa oja~ava~kim gejtom oèljija uotreba odvojee bajas diode. 4.2.5. Asimetri~i tiristor (ASCR) ako GATT moè biti korista za obolj{aje vremea isklju~eja tiristora, kod jega ije re{e roblem smajeja gubitaka ri uklju~eju i u rovodom staju. Za~ajo obolj{aje ovih veli~ia ostiguto je asimetri~im tiristorom. Asimetri~i tiristor, ili ASCR (od Asymmetric Semicoductor Cotrolled Rectifier), ima veoma mali oseg iverzo-erovodog staja (reda 20V do 30V), ali zato komoeta moè da ima mogo maju {iriu -baze i to se ostiè uotrebom NPNP strukture. Smajeje {irie baze asimetri~og tiristora umogome omaè sièje ada aoa u rovodom staju i skra}uje vreme uklju~eja komoete. Karakteristike isklju~eja su, tako- e, obolj{ae, jer je, zbog taje baze, maje rostoro aelektrisaje. Zbog toga je ASCR bolji od kovecioalog tiristora. Sl. 4.25. Tiristor sa atiaralelom diodom, tii~o za rekida~ka i ivertorska kola. Za moge rimee asimetri~og tiristora (a rimer kod ve}ie ivertorskih i rekida~kih kola), da bi se odràla iverza struja otere}eja tiristora, otrebo je tiristoru atiaralelo vezati diodu (sl. 4.25). Kod ovakvog kola jedii iverzi ao tiristora sastoji se iz ada aoa a diodi u rovodom staju i L s d/dt komoete usled gubitaka a iduktivosti L s. U ve}ii slu~ajeva, izuzev za vrlo visoke u~estaosti, mogu}e je ograi~iti ovaj ao a maje od 30V. Zato tiristori, koji se koriste u ovakvim kolima, e moraju imati veliki oseg iverzog robojog aoa. 109

4.2.6. Tiristor isklju~iv gejtom (GTO) Do sada razmatrai tiristori mogu da se vra}aju iz reìma direktog rovo eja u direkto-erovodo staje kada se struja ili rekie ili je iverza, {to se ostiè delovajem solja{jeg kola koje kotroli{e struju otere}eja. Za sisteme koji rade u aizmei~om reìmu, struja meja smer u svakoj olueriodi i tada moè do}i do isklju~eja tiristora. Za jedosmere sisteme i rimee gde je otreba kotrola isklju~ivaja izva uobi~ajee u~estaosti izvora, struja obrutog smera se ostiè omo}u kola kod kojeg se komutiraje obavlja riudo; u tu svrhu obi~o se koristi jeda omo}i tiristor, koji odvodi struju otere}eja u eko kolo za akumuliraje eergije koje sadrì kalem i kodezator. GTO (od Gate Tur-Off Thyristor) tiristor je, me utim, komoeta koja moè relaziti u rovodo ili erovodo staje rimeom ozitive ili egative olarizacije gejta. Zato, kada se koristi ovakav tiristor, riudo komutiraje ije otrebo. Sl. 4.26. (a) Osova }elijska struktura GTO-a; (b) GTO ri iskiju~eju. Osova }eiijska struktura GTO-a rikazaa je a sl. 4.26a. Kao {to se vidi, struktura je sli~a osovom tiristoru. Najvaìje raziike izme u GTO-a i osovog tiristora jesu u tome {to GTO ima duge, take emitore okruèe elektrodama gejta i {to ema katodih kratkih sojeva. Pri uklju~eju gejt je olarisa ozitivo u odosu a katodu; ovo dovodi do ijekcije {uljia u P-bazu i GTO se uklju~uje, tj. relazi u rovodo staje a isti a~i kao "obi~a" tiristor. Naime, kao i kod kovecioaiog tiristora, uklju~eje se a o~etku de{ava a mestu gde N-emitor dodiruje elektrodu gejta i GTO zatim ostiè uo rovodo staje omo}u rocesa rasrostiraja lazme. Pri isklju~eju gejt je egativo olarisa u odosu a katodu, te se vr{i ekstrakcija struje {uljia iz P-baze, sl. 4.26b. Kao i kod uklju~eja, relazak u erovodo staje o~ije tamo gde emitor dodiruje elektrodu gejta. Kako isklju~ivaje te~e, rovoda oblast N-emitora se otiskuje rema cetru emitora utoliko vi{e ukoliko je emitor "iverziji", dok a kraju e reostae samo tako rovodo "vlako" koje vodi ka cetru emitora. Za vreme ovog erioda e meja se bito aoda struja i zato je gustia struje u cetralom rovodom vlaku mogo ve}a ego kada je cela komoeta rovodila. Koa~o, gejt odvodi vi{ak aelektrisaja i GTO se isklju~uje. Pri rojektovaju GTO-a mora se voditi ra~ua o uiformosti i iskoj vredosti otorosti P-baze. Najià mogu}a vredost otorosti P-baze dobija se kada je {iria S (sl. 4.26b) 110

emitora mala, a jegova duìa L velika. Najbolji a~i da se ostvari ovaj cilj jeste kori{}eje eke vrste isreletaog, tj. iterdigitalog gejta. Me utim, da bi se dobio ogodiji odos S/L, za rad u saìm kolima "isreletaost" mora biti itezivija ego kod brzih kovecioalih tiristora. Uobi~ajea je uotreba radijale }elijske matrice, kao {to je rikazao a sl. 4.27. Takva jeda matrica se sastoji od ekoliko stotia GTO elemetarih }elija. Sl. 4.27. Tii~i oblici GTO }elijskih matrica: ajmaja ima recik 22 mm, a ajve}a 75 mm. Na osovu osovog GTO-a razvijeo je ekoliko tiova tiristora. To su: GTO sa oja- ~ava~kim gejtom AGGTO (od Amlifyig Gate GTO); GTO sa ukoaim gejtom BGGTO (od Buried Gate GTO); GTO sa dva iterdigitala ivoa TLGTO (od Two terdigitatio Levels GTO); GTO sa iverzim rovo ejem RCGTO (od Reverse Coductig GTO). AGGTO je GTO koji sadrì oja~ava~ki gejt koji uklju~uje tiristor. Kao i kod GATT-a, i ovde je otrebo ri isklju~eju remostiti oja~ava~ki gejt bajas diodom, ri ~emu se javljaju isti roblemi kao kod GATT-a (brzia ooravka diode i araziti PNPN tiristor ako je u itaju itegrisaa dioda). Me utim, i ored omeutih roblema, zahvaljuju}i ~ijeici da je otreba velika struja za uklju~eje kovecioalog GTO-a, AGGTO je a{ao veliku rimeu. Sl. 4.28. GTO sa ukoaim gejtom (BGGTO). 111

Maa GTO-a sage je gubitak rovode oblasti kotoete i velika termi~ka imedasa. Tehika koja se koristi za revazilaèje ovih roblema je kori{}eje ukoaog gejta (sl. 4.28). U ovom GTO-u sa ukoaim gejtom (BGGTO-u) elektroda gejta je sastavljea od ukoaih, visoko doiraih + -oblasti. Emitorska oblast ove komoete je za~ajo ove}aa, zbog ~ega dolazi do ove}aja oblasti rovo eja i termi~ke rovodosti. Druga redost BGGTO-a jeste ve}i roboji ao emitorskog soja (soja J3), s obzirom da je ivo doiraja P-baze obi~o iì ego kod kovecioalog GTO-a. Sl. 4.29. GTO sa dva iterdigitala ivoa (TLGTO). [ematski rikaz GTO-a sa dva ierdigitala ivoa (TLGTO-a) rikaza je a sl. 4.29. Katodi emitor TLGTO-a se sastoji iz dve oblasti: oblast A je dobijea dubokom difuzijom, kako bi se ostvarila velika otorost P-baze; oblast B je litka, te je u tom delu otorost P-baze mala. U toku uklju~eja i ri rovo eju oblast A je efikasa u ogledu brzog uklju~eja i malog ada aoa u rovodom staju. Pri isklju~eju, me utim, oblast B ima odlu~uju}u ulogu i reko je se "razi" aelektrisaje, a istovremeo je ostvareo ve}e rasrostiraje elektrode gejta, tj. za~ajo je ove}aa duìa ivice gejta. To ovoljo uti~e a ove}aje veli~ie fialog rovodog vlaka za vreme isklju~eja, te je smajea mogu}ost otkaza ri isklju~eju. 4.2.7. verzo rovodi tiristor (RCT) verzo rovodi tiristor RCT (od Reverse Coductig Thyristor) je dobije itegracijom brzog tiristora i brze diode i a sl. 4.30 je rikazaa jegova osova struktura. Primejuje se u ivertorskim i rekida~kim kolima, gde isklju~ivaje tiristora mora biti vrio kratko. Predost RCT-a u odosu a diskreti diodo-tiristorski ar je jegovo oa{aje ri isklju~eju. Naime, kod diskretog ara tiristora i diode eizbeì su iduktivi gubici izme u dve komoete; tako, dok traje isklju~eje tiristora, struja diode stvara iverzi ao a tiristoru koji je jedak zbiru aoa diode u rovodom staju i Ld/dt. Suroto od toga, RCT ema iduktivost izme u itegrisae diode i tiristora; zato je iverzi ao a tiristoru (dok te~e iverza struja) defiisa kao ao diode u rovodom staju i ostaje egativa u toku celog erioda rovo eja diode. 112

Sl. 4.30. Pore~i resek iverzo rovodog tiristora. Kod RCT-a je kriti~o ostojaje dobre izolacije izme u diode i tiristorskih oblasti. U ormalom reìmu o~ekuje se isklju~eje i ooravak tiristorskih oblasti za vreme erioda rovo- eja diode. zolacija je otreba da bi se osiguralo da vi{ak osilaca aelektrisaja u diodi u toku ovog erioda e rodre u tiristor, jer taj vi{ak aelektrisaja moè samo da izazove otkaz isklju~eja. Postoje, obi~o, dva a~ia izolovaja: 1 stvaraje izolacioe oblasti sa visokom otoro{}u -baze izme u komoeata; 2 ostvareje visoke otorosti -baze. Velika otorost -baze moè se dobiti ostvarivajem (a rimer ecovajem) kaala, kao {to je rikazao a sl. 4.30. Velika otorost -baze ostiè se zadirajem -emitora u izolaciou oblast. 113

5. JFET, MESFET i MODFET Posebu gruu trazistora ~ie uiolari trazistori. Re~ju uiolara agla{ava se da su to trazistori kod kojih u rocesu rovo eja struje u~estvuje samo jeda vrsta osilaca aelektrisaja, kokreto ve}iskih (ili samo elektroa ili samo {uljia). Proticajem struje kroz trazistor uravlja se romeom solja{jeg aoa. Posledica riklju~ivaja tog aoa a olurovodik je astaak ore~og elektri~og olja koje uti~e a rovodost olurovodika, a se uz aziv uiolari uotrebljava i dodatak sa efektom olja, ili kra}e FET od Field-Effect Trasistor. Na sl. 5.1 je rikazaa familija trazistora sa efektom olja (FET). Sl. 5.1. Familija trazistora sa efektom olja: FET od Field-Effect Trasistor; GFET sulated-gate FET; JFET Juctio FET; MESFET Metal-Semicoductor FET; MOSFET Metal-Oxide-Semicoductor FET; MSFFET Metal-sulator-Semicoductor; HFET Heterojuctio FET; MODFET Modulatio-Doed FET; HGFET Heterojuctio sulated-gate FET. U ovom delu }e se obraditi samo JFET, MESFET i MODFET (tako e ozat i od azivima HEMT od High-Electro-Mobilty Trasistor, TEGFET od Two-dimesioal Electro-Gas Field-Effect Trasistor i SDHT od Selectively Doed Heterojuctio Trasistor). Zajedi~ko za sve ove trazistore jeste da, za razliku od biolarog trazistora, kod jih osioci aelektrisaja koji ~ie struju e relaze kroz odgovaraju}e olarisae - sojeve izme u ojediih elektroda, ve} teku kroz deo olurovodika koji se aziva kaal; zaviso od toga koji se ti osilaca aelektrisaja alazi u kaalu, uiolari trazistori mogu biti -kaali i -kaali. Pored toga, biolari trazistori su strujo uravljae komoete i sa jima je mogu}e ostvariti ve}e aosko oja~aje ego sa FET trazistorima, {to retostavlja da imaju liearije odru~je rada, ali zato FET-ovi imaju druge redosti u rakti~oj rimei, kao {to su: 114

to su aoski uravljae (kotrolisae) komoete; oseduju vrlo veliku ulazu, a isku izlazu imedacu; imaju veoma malu otro{ju, zbog toga {to se kotrola rotoka struje kroz kaal vr{i samo mejajem otecijala uravlja~ke elektrode FET-a i u tu svrhu tro{i se skoro ikakva ili izuzeto mala saga; geeri{u relativo mali {um; temeraturo su stabiliji od biolarih trazistora. FET-ovi su ogodi za rimeu u rekida~kim kolima, oja~ava~ima sa visokoomskim ulazom, VF oja~ava~ima, itd. U oblastima velikih gustia struje FET-ovi imaju egativi temeraturi koeficijet, tj. struja se kod takvih struktura smajuje sa ove}ajem temerature. Zahvaljuju}i tome astaje homogeija rasodela temerature o ovr{ii komoete, te se smajuje verovato}a astaka tolotog ili sekudarog roboja. Visoka temeratura stabilost zadr`ava se ~ak i u FET-ovima sa velikom aktivom ovr{iom kaala, a tako e i u kolima u kojima je veliki broj komoeata veza aralelo. S obzirom da FET-ovi rade sa ve}iskim osiocima aelektrisaja, to oi isu osetljivi a efekte agomilavaja majiskih osilaca, a to za~i da imaju vi{u grai~u u~estaost i brziu rekidaja od biolarih trazistora. Osim toga, zavisost struje od aoa kod FET-ova su lieare ili kvadrate fukcije, a e eksoecijale kao kod biolarih trazistora, te su ovi trazistori zato maje osetljivi a smetje. 5.1. JFET Na sl. 5.2 rikazaa je riciijela kostrukcija, a a sl. 5.3 jeda od rakti~ih izvedbi sojog FET-a (JFET-a). Presek kroz simetri~i -kaali JFET sa sl. 5.2, sa oza~im kotaktima, redstavlje je a sl. 5.4: kotakt koji je zajedi~ki za ulazo i izlazo kolo zove se sors (S), a drugi, veza u izlazo kolo, redstavlja drej (D). Tre}i kotakt, koji redstavlja uravlja- ~ku elektrodu, zove se gejt (G). Ako je, a rimer, re~ o -kaalom JFET-u (sl. 5.3 i sl. 5.4), eohodo je da se u -tiu olurovodika (u kojem }e se, kako }e se adalje videti, uravo oformiti kaal izme u sorsa i dreja) difuzijom dobiju -oblasti. Neohodo je da jeda od tih -oblasti (kao a sl. 5.3) bude sa veoma visokom kocetracijom akcetorskih rimesa (zato su te oblasti oza~ee sa + ). Na taj a~i ostvarea su dva - soja i oi se eosredo olari{u uravlja~kim aoom V GS (sl. 5.4). Na krajevima -oblasti alaze se dve metale elektrode oza~ee sa S i D, a izme u jih je riklju~e ao V DS. Sl. 5.2. Priciijela kostrukcija JFET-a. 115

Sl. 5.3. Jeda od rakti~ih izvedbi -kaalog JFET-a. Sl. 5.4. Simboli i resek JFET-a. Aalizira}e se -kaali JFET (sl. 5.4). S obzirom da ja -odru~je sa majom kocetracijom rimesa u odosu a + -odru~je, barijere }e se a + - sojevima rakti~o {iriti isklju- ~ivo a -strau, {to je azaa~eo a sl. 5.4. Pod uticajem egativog aoa a gejtu - soj se iverzo olari{e, ~ime se ro{iruje relaza oblast - soja. Kroz reostali elektri~o eutrali deo olurovodika -tia, azva kaal, a usled ozitive olarizacije dreja (sl. 5.4), te}i }e struja dreja D od sorsa ka dreju, a je izos zavisi od vredosti aajaja V DS i V GS. 116

Pri aoia V GS = V DS = 0 kaal JFET-a ima ajve}u {iriu. Za odre ei ao V DS struja }e biti utoliko maja ukoliko je ao iverze olarizacije gejta V GS ve}i. Naime, uz ve}i ao iverze olarizacije V GS kaal }e biti uì, odoso jegov resek maji, a otorost kaala ve}a, te sa orastom egativog aoa gejta oada struja dreja D. Na taj a~i ulazim aoom (aoom gejta) reguli{e se struja dreja (izlaza struja). Pove}ajem aoa erouse olarizacije relaze oblasti - sojeva se {ire, tako da kod ekog odre eog aoa V GS dolazi do dodira gorje i doje relaze oblasti (barijere). Nao V GS r kojem {iria kaala ostaje jedaka uli (kada kaal estaje ) zove se ao dodira ili ao rekidaja i oza~ava se sa V P (sl. 5.5). Kako je - soj izme u gejta i kaala iverzo olarisa, to je ulaza otorost ove komoete veoma velika. Sl. 5.5. Preosa i izlaze karakteristike -kaalog JFET-a U odsustvu aoa aajaja (V GS = V DS = 0) komoeta se alazi u termodiami~koj ravoteì i sve struje su jedake uli. Pri odre eom aou a gejtu V GS = cost. (V G 0) struja u kaalu se ove}ava sa orastom aoa V DS a dreju sve do eke relativo velike vredosti aoa V DS = V DS(sat) = V GS V P, ri kojoj struja dreja ostaje kostata ( D = Dsat ); struja Dsat zove se se struja zasi}eja (saturacije). Tii~e strujo-aoske (-V) karakteristike JFET-a rikazae su a sl. 5.5. z tih karakteristika se moè videti da ostoje tri razli~ite oblasti: trioda ri malim aoima a dreju; oblast zasi}eja, gde struja D = Dsat e zavisi od aoa dreja; oblast roboja, gde struja aglo raste sa malom romeom aoa dreja. U o~etom delu triode oblasti struja streja D je liearo roorcioala aou a dreju V DS. Zato se ta oblast zove i lieara oblast, ili omska oblast, sl. 5.6. Stoga, JFET moè da sluì kao romeljivi otorik: ajmaja otorost se dobija za V GS = 0, a ajve}a za V GS = V P (kada je JFET zako~e). U tom cilju koriste se razli~iti dizaji i kofiguracije JFET-ova, sl. 5.7. zvo eje izraza za strujo-aoske karakteristike JFET-a je veoma zameto i komlekso 3, a ovde e}e biti dato. Uz aomeu da se za ao dodira dobija izraz 3 Videti, a rimer: Stoja Risti}, Diskrete olurovodi~ke komoete, Uiverzitet u Ni{u, Ni{, 1990. 117

Sl. 5.6. zlaze karakteristike -kaalog JFET-a u liearoj (omskoj) oblasti. Sl. 5.7. Razli~iti dizaji i kofiguracije -kaalih JFET-ova. V P qn a ε 2 D = 2 s, (5.1) gde se redzak "-" uzima kod -kaalih, a "+" kod -kaalih JFET-ova i gde se za~eje ozake "a" vidi a sl. 5.4, treba re}i da se struja dreja u zasi}eju (isrekidaa kriva a sl. 5.5) mo`e redstaviti izrazom: D 2 2 V VDS ( sat) + VP V ( ) = 1 GS DS sat = 1 = DSS DSS DSS VP VP VP 2, (5.2) ri ~emu je DSS struja koja roti~e od sorsa do dreja kada ije riklju~e ao aajaja gejta (za V GS = 0, sl. 5.8). Prakti~o, izrazom (5.2) je redstavljea reosa karakteristika (sl. 5.8). 118

Sl. 5.8. Preosa i izlaze karakteristike -kaalog JFET-a kod kojeg je DSS = 5 ma i V P = - 5 V, dobijee rimeom izraza (5.2). 5.2. MESFET Metal-olurovodi~ki trazistor sa efektom olja (MESFET) je obi~o realizova u eitaksijalom GaAs-om sloju a odlozi, tako e, od GaAs-a, sl. 5.9. Sl. 5.9. Priciijela kostrukcija -kaalog MESFET-a. 119

Pricii rada MESFET-a i JFET-a su ideti~i (i ozake u {emama su iste). Razlika je {to je kod MESFET-a, umesto - soja, iskori{}e metal-olurovodi~ki ([otkijev) kotakt, sl. 5.9. MESFET u odosu a JFET ima i eke redosti, kao {to su, a rimer, mala otorost i mali ad aoa du` kaala i ve}a saga disiacije (s obzirom da je uravlja~ki kotakt efikasa toloti odvod). Sa druge strae, kod MESFET-a roboj, koji je osledica tuelovaja osilaca kroz [otkijevu barijeru, astaje ri majim vredostima aoa dreja ego kod JFET-a, gde je roboj uslovlje laviskim umoàvajem osilaca u relazoj oblasti - soja. Pored toga, sa ove}ajem asolute vredosti aoa gejta vredost robojog aoa izme u dreja i sorsa kod JFET-a se omera ka iìm, a kod MESFET-a ka vi{im vredostima, sl. 5.10. Sl. 5.10. Pore eje izlazih karakteristika JFET-a i MESFET-a. Zajedi~ka karakteristika svih MESFET-ova jeste da su to komoete koje su rimeljive a vrlo visokim u~estaostima. Grai~a u~estaost takvih komoeata ~esto revazilazi i 40 GHz. Za ove}aje rade u~estaosti i sièje {umova, tj. za obolj{aje mikrotalasih osobia MESFET-a, eohodo je da omska otorost gejta bude {to maja. U tu svrhu kotakte ovr{ie gejta se rojektuju tako da ih bude ve}i broj, kao a sl. 5.11, a sam MESFET da bude {to majih dimezija (a sl. 5.12 rikaza je jeda komercijali MESFET). Sl. 5.11. MESFET sa ve}im brojem kotaktih ovr{ia za gejt. 120

Sl. 5.12. Jeda komercijali MESFET i jegove dimezije. 5.3. MODFET U ovom odeljku bi}e rikaza klasi~a MODFET a bazi soja AlGaAs legure i GaAs olurovodika. Na slici 5.13 je skiciraa tii~a i aj~e{}a realizacija takvog trazistora, dok je a slici 5.14 rikaza dijagram jegove rovode zoe za slu~aj kada je rimeje ao a gejt elektrodi. Ovo je osova realizacija, ali ostoje i raze druge varijate koje su se ojavile kao re{eja za obolj{aje jegovih karakteristika. Slojevi MODFET-a su veoma taki, isod mikrometra, a ekada i samo ar desetia aometara. Ovakve strukture slojeva razorodih materijala se rave tehikama eitaksijalog rasta. Jo{ od sedamdesetih godia ro{log veka vi{e ije veliki roblem araviti "sedvi~" strukture veoma takih slojeva razli~itih materijala. Mogu}e je osti}i kotrolu debljie do gotovo jedog moosloja u ravcu rasta cele strukture. Sl. 5.13. [ematski rikaz MODFET-a a bazi AlGaAs/GaAs izgra eog u tehologiji izdubljeog gejta. Deso su date tii~e debljie me sloja i 2DEG sloja. Baferski sloj je teorijski edoira, mada je u raksi blago doira akcetorskim rimesama. 121

Sl. 5.14. Struktura eitaksijalih slojeva i dijagram rovode zoe trazistora sa slike 5.13 u radom reìmu za rimejei ao a gejt elektrodi. MODFET-ovi se razlikuju od ostalih FET-ova o tome {to se koristi efekat kvate jame za kofiiraje (ograi~avaje slobode kretaja) osilaca, koji obrazuju dvodimezioi elektroski gas (2DEG). Naime, ovde su sojea dva olurovodika, od kojih je jeda (AlGaAs), doira doorskim rimesama, sa ve}im eergetskim roceom, dok je materijal majeg eergetskog rocea (GaAs) edoira, tj modulacioo doira (otuda aziv MODFET Modulatio-Doed FET). Krivljeje ivica eergetskih zoa je takvo da se stvara trougaoa kvata jama a du rovode zoe edoiraog olurovodika uz ivicu soja (sl. 5.14). Ovim se ostiè ubacivaje osilaca e èljeo mesto i kofiiraje osilaca a tom mestu u edoiraom olurovodiku, tako da se aoom a gejt elektrodi moè da kotroli{e kocetracija elektroa. Sami elektroi su rostoro razdvojei od joizovaih doorskih atoma, {to zato ove}ava jihovu okretljivost i smajuje rasejaje a doorskim rimesama, zbog ~ega su zato boljih karakteristika od klasi~ih FET-ova. Zbog ostojaja dvodimezioalog elektroskog "gasa", MODFET se oekad oza~ava i kao TEGFET (Two dimesioal Eleectro Gas FET). Dvodimezioi elektroski gas se obrazuje uz samu ivicu baferskog sloja (ovde GaAs) rema soju sa drugim materijalom. Elektroi koji se ovde skuljaju oti~u od doorskih rimesa u sloju AlGaAs i rostoro su razdvojei od jih. Ovo je uravo jeda od ajza~ajijih redosti MODFET-a. Na brziu jegovog rada, tj. a okretljivost osilaca, uti~e rasejaje a rimesama, elektroima i oti~kim fooima kristale re{etke. Reciro~a vredost ukue okretljivost osilaca jedaka je zbiru reciro~ih vredosti okretljivosti koje oti~u od ovih mehaizama. Rasejaje a fooima kristale re{etke raste sa temeraturom, dok rasejaje a rimesama oada. Kod MODFET-a doorske rimese su fizi~ki razdvojee od osilaca, osioci se alaze u takom sloju u edoiraom baferu i zato su okretljiviji ego ia~e. Otuda i jedo od imea: HEMT trazistor sa velikom okretljivo{}u elektroa (od High-Electro-Mobilty Trasistor). Ove redosti ajvi{e dolaze do izraàja a iskim temeraturama, kada je domiato rasejaje a rimesama, dok a sobim temeraturama o~ije da domiira rasejaje a fooima. ak, MODFET-ovi okazuju i a sobim temeraturama skoro za red veli~ie bolje erformase od drugih FET-ova, osebo ako je re~ o grai~oj u~estaosti. 122

Strujo-aoske karakteristike MODFET-ova su veoma sli~e odgovaraju}im karakteristikama svih ostalih FET-ova. ako se metod obrazovaja sloja osilaca u MODFET-u razlikuje u odosu a druge tiove FET-ova, to e ~udi, s obziirom da je rici rada isti kotrola aelektrisaja elektri~im oljem. Ovde se samo kvati efekti koriste za kofiiraje osilaca. Zato je MODFET i jeda od rvih kvato-mehaikih mikrostruktura. Na sl. 5.15 rikazae su izlaze karakteristike jedog MODFET-a. Sl. 5.15. zlaze karakteristike MOFFET-a. 123

6. MOS TRANZSTOR Posebu gruu FET komoeata (videti sl. 5.1) ~ie MOS trazistori (Metal-Oxide-Semicoductor). Kao i sve ostale FET komoete (zato se mogu sresti i od azivom MOSFET), i MOS trazistori su uiolare komoete, {to za~i da kod jih u rovo eju elektri~e struje u ormalom radom reìmu u~estvuje samo jeda vrsta osilaca aelektrisaja. To, tako e, za~i da su i MOS trazistori aoski kotrolisae komoete. O MOS trazistorima i CMOS ivertorima je ve} bilo re~i u redmetu Fizi~ka elektroika (u semestru), MOS struktura je obra ivaa u okviru redmeta Elektroska fizika ~vrstog tela, o jima }e se zato detaljije govoriti u okviru drugih redmeta a smeru Mikroelektroika, tako da }e ovde biti oovljeo samo osovo o jima, kao rirema za VDMOS trazistore sage (oglavlje 6.4). Sl. 6.1. Priciijela struktura MOS trazistora Na sl. 6.1 je redstavljea riciijela struktura MOS trazistora. Prakti~o, u silicijumski sustrat (osovu) koji, kao {to }e kasije biti okazao, moè biti ili - ili -tia, difuduju se dve oblasti surotog tia rovodosti (u -sustrat difuduju se -oblasti, a u -sustrat -oblasti). Prva difudovaa oblast, kao i kod JFET-a, MESFET-a i MODFET-a, zove se sors, a druga drej. Na ovr{ii sustrata a~ii se vrlo taak sloj oksida (SiO 2, Si 3 N 4 ), a reko jega (ali obavezo da zahvata oblasti sorsa i dreja) sloj metala koji sluì kao uravlja~ka elektroda. Ova uravlja~ka elektroda zove se gejt. 124

6.1. -KANALN -KANALN MOS TRANZSTOR Kao {to je re~eo, u rocesu rovo eja elektri~e struje u ormalom radom re`imu u~estvuje samo jeda vrsta osilaca elektrisaja. U zavisosti od toga koja vrsta osilaca u~estvuje u rovo eju, sli~o kao i JFET-ovi, i MOS trazistori se dele a -kaale i -kaale, sl. 6.2. Re~ je o kaalu koji se formira u sustratu izme u sorsa i dreja, i koji, rakti~o, usostavlja elektri~u vezu izme u te dve oblasti, odoso omogu}ava da roti~e elektri~a struja izme u sorsa i dreja, sl. 6.3 i sl. 6.4. Sl. 6.2. Osove strukture -kaalih i -kaalih trazistora. Sl. 6.3. -kaali MOS trazistor re (a) i osle (b) usostavljaja (idukovaja) kaala. Kaal mo`e biti ugra e (a rimer difuzijom ili imlatacijom rimesa) ili, {to je mogo ~e{}i slu~aj, idukova. Kod MOS trazistora sa idukovaim kaalom, kaal se formira elektri~im oljem koje astaje usled rimee odgovaraju}eg aoa a gejtu. Na sl. 6.5 rikazao je oza~avaje MOS trazistora u elektri~im {emama. Naomije se da se sredje ozake a omeutoj slici koriste kod trazistora kod kojih sustrat ije a otecijalu sorsa, ve} se o riklju~uje a oseba izvor aoa. 125

Sl. 6.4. -kamali MOS trazistor re (a) i osle (b) usostavljaja (idukovaja) kaala. Sl. 6.5. Oza~avaje MOS trazistora. 6.1.1. Osovi ricii rada MOS trazistora Nadalje }e biti re~i samo o MOS trazistorima koji se aj~e{}e koriste u raksi, a to su MOS trazistori sa idukovaim kaalom i sa uzemljeim sorsom i sustratom (sustrat i sors su kratkosojei). Takvi trazistori, sa otrebim olarizacijama, rikazai su a slikama 6.3 i 6.4. Kao {to je ve} omeuto, a ovr{ii, izme u sorsa i dreja a jedim delom i izad jih, alazi se taak sloj oksida (SiO 2, Si 3 N 4 ), koji slu`i kao dielektrik, sl. 6.6. Preko oksida alazi se gejt (uravlja~ka elektroda), kojeg ~ii taak sloj alumiijuma (kod MOS trazistora sa alumiijumskim gejtom) ili olikristalog silicijuma (kod trazistora sa olisilicijumskim gejtom). S obzirom da su i sors i drej oblasti surote rovodosti od rovodosti sustrata, to se u oblasti sorsa i dreja u sustratu (zato {to je kocetracija rimesa u sustratu zato i`a ego u sorsu i dreju) formiraju relaze oblasti - sojeva, koje se, zbog toga {to su sors i drej veoma blizu (L je reda μm), sajaju (sl. 6.7). U daljem razmatraju a~ia rada MOS trazistora ove relaze oblasti se e}e aalizirati, a bi}e omeute samo kada je to eohodo. 126

Sl. 6.6. -kaali MOS trazistor sa relevatim odacima za aalizu jegovog rada. Sl. 6.7. Priklju~ivajem ozitivog aoa a gejt u odosu a -sustrat idukuje se -kaal. MOS trazistori koriste efekat ore~og olja (ormalog a ovr{iu), kojim se ostvaruje iverzija tia rovodosti ovr{iskog sloja olurovodika isod gejta i a taj a~i formira kaal izme u sorsa i dreja. Naime, ako se, a rimer, kod -kaalog MOS trazistora gejt riklju~i a ozitiva ao u odosu a -sustrat, ri ~emu su i sors i drej uzemljei, sl. 6.7, u sustratu }e se eosredo isod oksida a jegovoj ovr{i, usled Kuloove sile, idukovati egativo aelektrisaje i to tako {to }e se {uljie iz ovr{iskog sloja udaljiti i ostaviti ekomezovae egativo aelektrisae akcetorske joe. Pove}avajem ozitivog aoa a gejtu sve vi{e se udaljavaju {uljie, a iz zaremiskog dela sustrata ka ov{ii kre}u majiski elektroi sve dok, ri odre eom aou a gejtu, e astui iverzija tia rovodosti sustrata. 127

Drugim re~ima, ri jedoj vredosti aoa a gejtu, koji se zove ao raga i obeleàva sa V T, ovr{iski sloj -sustrata isod oksida gejta, a izme u sorsa i dreja, oa{a se kao -ti olurovodika. Stoga se ta oblast oa{a kao kaal od sorsa do dreja (sors i drej su istog tia rovodosti kao idukovai kaal, sl. 6.7), tj. ako se u tim uslovima dovede ozitiva ao a drej u odosu a sors, elektroi iz sorsa kroz kaal mogu driftovski da do u do dreja, odoso u tom slu~aju izme u sorsa i dreja }e roticati struja dreja, sl. 6.3. Ukoliko je ao a gejtu ve}i, utoliko je ja~a iverzija tia, odoso utoliko je ve}i broj elektroa u kaalu. Kada je re~ o -kaalom MOS trazistoru iverzija tia -sustrata ostvaruje se egativim aoom a gejtu u odosu a sustrat, a u idukovaom kaalu se skuljaju {uljie, sl. 6.4. Kao {to je re~eo, ao a gejtu V T otreba da se stvori kaal od sorsa do dreja je ao raga. Ta~o defiisaje aoa raga je veoma te{ko. Zbog toga se za ao raga uslovo moè rihvatiti defiicija da je to oaj ao izme u uravlja~ke elektrode (gejta) i sustrata ri kome kocetracija majiskih osilaca a ovr{ii ostaje jedaka kocetraciji ve}iskih osilaca u uutra{josti sustrata. 6.2. ZLAZNE KARAKTERSTKE MOS TRANZSTORA Usostavljaje kaala izme u sorsa i dreja omogu}uje roticaje struje od sorsa do dreja kada se riklju~i odgovaraju}i ao a drej (slike 6.3, 6.4 i 6.8). zlaze karakteristike MOS trazistora redstavljaju zavisosti struje dreja D od aoa a dreju V D. Sl. 6.8. Proticaje struje dreja u -kaalom MOS trazistoru ri malim aoima a dreju. Pri veoma malim aoia a dreju kaal se moè redstaviti kao otorik, tako da je struja dreja u jedom delu strujo-aoske ( D -V D ) karakteristike ribliò liearo roorcioala aou a dreju; to je tkzv. lieara oblast rada MOS trazistora (sl. 6.10). Nako lieare oblasti, a ri aoima V D < V G V T, struja dreja sorije raste sa ove}avajem aoa a dreju, sl. 6.11. To je, stoga, {to se kaal u okolii dreja suàva, sl. 6.9a, kao osledica ove}avja {irie relaze oblasti - soja drej-sustrat (sl. 6.7), koji je iverzo olarisa. Ta 128

oblast, zajedo sa liearom obla{}u, sve do aoa a dreju V D = V G V T zove se trioda oblast, sl. 6.11 (zato {to odse}a a sli~u oblast a strujo-aoskoj karateristici triode). Sl. 6.9. -kaali MOS trazistor u: (a) liearoj oblasti rada (mali ao a dreju); (b) a ivici zasi}eja i (c) u zasi}eju. Sl. 6.10. D -V D karakteristike -kaalog MOS trazistora u liearoj oblasti rada. Kada u ta~ki y = L debljia kaala ostae jedaka uli, dolazi do rekida kaala (sl. 6.9b) i to se de{ava ri aou a dreju V D = V G V T. Nao dreja ri kome astaje rekid kaala zove se ao zasi}eja (saturacije) V Dsat. Sa daljim ove}ajem aoa a dreju (sl. 6.8), tj. ri V D > V G V T, duìa kaala se smajuje sa L a L' (sl. 6.9c). Na rvi ogled moè se omisliti da }e struja dreja restati da te~e. Me utim, oa i dalje roti~e i sa ove}ajem aoa a dreju ostaje kostata, sl. 6.11. To za~i da broj osilaca aelektrisaja koji sa sorsa stiù u ta~ku y = L' ostaje eromeje, a s obzirom da su oi zahva}ei oljem osiroma{ee oblasti dreja, bivaju reba~ei u drej, tako da struja dreja ostaje, tako e, eromejea i kostata. Zbog toga se oblast rada MOS trazistora ri aoima V D V Dsat zove oblast zasi}eja (sl. 6.11). 129

Sl. 6.11. zlaze ( D -V D ) karakteristike -kaalog MOS trazistora. Sl. 6.12. Struja izme u sorsa i dreja e restaje i kada se kaal rekie, jer se MOS trazistor oa{a kao biolari trazistor u staju rodiraja. Da struja dreja ostaje kostata ako rekida kaala mo`e se rotuma~iti i uz omo} sl. 6.12. Naime, u ogledu rasoreda - i -oblasti -kaali MOS odgovara strukturi NPN trazistora (za -kaali MOS ova struktura }e biti PNP trazistor). Sors sa kaalom je emitor, drej je kolektor, a sustrat MOS trazistora je baza. Prelaza oblast {irie w rostire se od dreja do kaala (sl. 6.12). Ovo u otuosti odgovara slu~aju kod biolarog trazistora kada se relaza oblast kolektorskog soja rostire od kolektora do emitora, a kod biolarog trazistora astaje roboj (dostigut je tkzv. ao rodiraja). Dakle, kod MOS trazistora roboj astaje izme u kaala i dreja i struju dreja ograi~ava samo otorost reostalog dela kaala L'. Da bismo izveli zavisost struje dreja od aoa a jemu, kao i od aoa a gejtu, osmatrajmo oovo sliku 6.6, sa aza~eim koordiatim sistemom a joj. 130

Na osovu izraza za gustiu driftovske struje J = qv = qμ K y, (6.1) struja dreja kroz kaal (retostavlja se da kocetracija osilaca e zavisi od z) je: D = J S x = qμ K W dx, (6.2) y 0 gde su: S ovr{ia kaala ormala a smer struje, K y elektri~o olje u smeru y, W {iria kaala (sl. 6.6), a μ efektiva okretljivost elektroa u kaalu. Kako kocetracija elektroa oada sa udaljavajem od ovr{ie o slo`eom zakou, itegral u (6.2) relativo je te{ko izra~uati. Stoga se vr{i aroksimacija kojom se vredost omeutog itegrala izjeda~ava sa ukuom koli~iom aelektrisaja o jediici ovr{ie kaala (ovr{ie gejta), koja zavisi od elektri~og olja u oksidu: q x 0 dx = dq ds x = D x = ε ox K x, (6.3) ri ~emu su: Q koli~ia aelektrisaja a ovr{ii S x gejta, D x dielektri~i omeraj, ε ox dielektri~a kostata oksida i K x elektri~o olje ormalo a ovr{iu gejta. Prema tome, iz (6.2) i (6.3) sledi: D = μ ε WK K. (6.4) ox x y Elektri~o olje u ravcu kaala je: K y dvy =. (6.5) dy Elektri~o olje u oksidu, koje uti~e a rovodost kaala, zavisi od efektivog aoa a gejtu (V Geff = V G V T ) i otecijala ta~ke y a kaalu. Smatraju}i da je oksid homoge i bez rostorog aelektrisaja, debljie t ox, bi}e: K x VGeff Vy VG VT Vy = =. (6.6) t t ox ox Zameom vredosti K y iz (6.5) i K x iz (6.6) u (6.4), dobija se: μ ε oxw = ( VG VT V t D y ) ox dv dy y. (6.7) z jeda~ie (6.7), razdvajajem romeljivih i itegraljejem du` kaala, sledi: L V μ D ε oxw D dy = ( VG VT Vy ) dvy. (6.8) t 0 ox 0 131

Graice za romeljivu y su o~etak (0) i kraj (L) kaala, a za romeljivu V y ao kod sorsa, V y (0) = 0, i ao kod dreja, V y (L) = V D. Posle itegraljeja i sre ivaja dobija se: D 2 2 [ 2( V V ) V V ] = β [ 2( V V ) V V ] μ εoxw = G T D D G T D D, (6.9) 2t L ox gde je μ ε oxw β =. (6.10) 2t L ox Jeda~ia (6.9) za struju dreja va`i samo za V G V T V D, odoso u triodoj oblasti, sl. 6.11. Za male aoe a dreju drugi ~la u sredjim zagradama u (6.9) se mo`e zaemariti u odosu a rvi ~la, a je tada struja dreja: ) = D V D 2 β ( VG VT VD, (6.11) Ro gde je R o otorost kaala ri malim aoima a dreju: R o = 1 2β ( V V ). (6.12) G T Sl. 6.12. Reala struja dreja iak raste sa orastom aoa a dreju. z (6.11) vidi se da za vrlo mele aoe a dreju struja dreja liearo zavisi od aoa dreja, tj. tada se MOS trazistor alazi u liearoj (omskoj) oblasti rada, sl. 6.10. Drugim re~ima, tada se MOS trazistor oa{a kao otorik ~ija je otorost kotrolisaa aoom izme u gejta i sorsa. 132

Sa druge strae, kada se u (6.9) uvrsti V G V T = V D, dobija se izraz za struju dreja D ( V V ) 2 = β, (6.13) G T koji rerezetuje arabolu koja deli triodu oblast od oblasti zasi}eja a izlazim karakteristikama MOS trazistora, sl. 6.11. Reala struja dreja }e, iak, rasti sa orastom aoa a dreju (sl. 6.12 i sl. 6.14), osebo kod MOS trazistora sa kratkim kaalima. Ovaj efekat se ajjedostavije mo`e oisati izrazom: V β 1 + 2 ( ) D V G VT V D = A gde je V A tkzv. Erlijev ao, ~ije se za~eje vidi a sl. 6.13., (6.14) Sl. 6.13. Uz obja{jeje defiicije Erlijevog aoa. Sl. 6.14. zlaze karakteristike MOS trazistora 2N7000. 133

6.3. PRENOSNE KARAKTERSTKE MOS TRANZSTORA Preose karakteristike MOS trazistora redstavljaju zavisost struje dreja od aoa a gejtu, tj. D = f(v G ) ri V D = cost. Oe se mogu dobiti iz jed. (6.9) za triodu oblast i iz jed. (6.12) za oblast zasi}eja, stavljaju}i V D = cost. Drugi a~i dobijaja reosih karakteristika je grafi~ki, sl. 6.15. zabere se vredost aoa V D = cost. a izlazim karakteristikama MOS trazistora i ovu~e vertikala, koja reseca karakteristike V G = cost. u ta~kama A, B, C, D, E. U koordiatom sistemu D -V G koji se acrta levo od izlazih karakteristika ovuku se vertikale rave za odgovaraju}e V G. Horizotale liije ovu~ee iz ta~aka A, B, C, D i E su odgovaraju}e struje dreja za aoe V G = 3 V, 4 V, 5 V, 6 V i 7 V a sl. 6.15. Na reseku odgovaraju}ih horizotalih i vertikalih liija dobijamo ta~ke A', B', C', D' i E', koje le`e a reosoj karakteristici. Kada ih sojimo, dobijamo reosu karakteristiku MOS trazistora za izabrau vredost aoa a dreju. Presek ove karakteristike sa V G -osom daje vredost aoa raga V T (a sl. 6.15 je V T = 3 V). Sl. 6.15. Grafi~ka kostrukcija reosih karakteristika -kaalog MOS trazistora iz datih izlazih karakteristika. Do sada je sve vreme bilo re~i o -kaalom MOS trazistoru. S obzirom da se sa ozitivim redzakom oza~avaju struje koje uti~u u trazistor, a kako kada je u itaju -kaali MOS trazistor struja dreja "isti~e" iz trazistora, to je i a reosim i a izlazim karakteristikama struja dreja sa egativim redzakom, sl. 6.16. 134

Sl. 6.16. Preosa (a) i izlaze karakteristike (b) -kaalog MOS trazistora. 6.4. VDMOS TRANZSTOR SNAGE VDMOS (od Vertical Double-diffused MOS) trazistori sage su secifi~e komoete koje imaju ekoliko redosti u odosu a biolare trazistore sage. To su, re svega, aoski kotrolisae komoete, gde se aoom a gejtu kotroli{u velike struje dreja, a s obzirom da kroz oksid gejta e roti~e struja (ili zaemarljivo mala struja cureja), disiacija u ulazom kolu rakti~o je jedaka uli. Velika debljia oksida gejta (oko 100 m) ima za osledicu veliki roboji ao gejta (reda 70 V), {to za~i da ulazi sigal mo`e da ima veliki aoski oseg bez rizika da komoeta strada. Negativi temeraturi koeficijet struje dreja, koji je svojstve svim MOS trazistorima, omogu}ava aralelo vezivaje velikog broja ojedia~ih MOS trazistora, odoso jihovu itegraciju u ~iove velikih ovr{ia (sl. 6.17) koji mogu da rovode izizeto velike struje (i reko 100 A, videti sl. 6.26). Tako e, rimea tehike eitaksije uz kotrolu kocetracije rimesa omogu}ava realizaciju familija VDMOS trazistora sage za visokoaoske rimee (roboji aoi reda 1000 V). Dostigu}a u ogledu kvaliteta silicijumskog sustrata i silicijum-dioksida, a s tim u vezi i kvaliteta me uovr{ie Si-SiO 2, dovela su do realizacije VDMOS trazistora sage sa odli~im erformasama u ogledu ivoa {uma i brzie rada. Dalje, s obzirom da su VDMOS trazistori sage uiolare komoete, te u jima ema agomilavaja majiskih osilaca aelektrisaja, brzia rada ovih komoeata je ve}a od brzie rada odgovaraju}ih biolarih trazistora sage. Na sl. 6.17 rikaza je ore~i resek koa~og eleta heksagoalog -kaalog VDMOS trazistora sage. Prakti~o, re~ je o svojevrsom itegrisaom kolu koje redstavlja aralelu vezu velikog broja osovih }elija ogodog geometrijskog oblika (koje mogu biti tro- 135

ugaoog, kvadratog ili heksagoalog oblika), ali je okazao da se otimale karakteristike sa staovi{ta gustie akovaja dobijaju sa }elijama heksagoalog oblika (stoga se ove komoete zovu i HEXFET-ovi). Broj jedii~ih }elija o komoeti kre}e se od ekoliko stotia i hiljada kod iskoaoskih (maje saìh) do vi{e desetia hiljada, ~ak i stotie hiljada kod saìh visokoaoskih VDMOS trazistora, ~ije su i dimezije eleta (~ia) zato ve}e. Sl. 6.17. Pore~i resek eleta stadardog -kaalog VDMOS trazistora sage sa heksagoalom strukturom }elija. Drej je zajedi~ki sa zadje strae ~ia, gejtovi su sa gorje strae aralelo ovezai slojem doiraog olisilicijuma koji se roteè izme u }elija, a heksagoali sorsovi + -tia i difudovae oblasti + -tia ovezai su jedistveom metalizacijom koja zadire u svaku heksagoalu }eliju. Na ovaj a~i rakti~o je izvr{eo teholo{ko kratkosajaje difudovae + - oblasti i sorsa, a se VDMOS trazistor svodi a komoetu sa tri izvoda. Sloj olisilicijuma (gejtovi) izolova je od metalizacije sorsova slojem oksida. Kako svaka }elija (s obzirom a svoju geometriju, duìu i {iriu kaala) defii{e odre eu vredost struje, to je ukua struja ove sloèe strukture odre ea brojem osovih }elija. Kaal je horizotalog tia (sl. 6.18) i jegova duìa odre ea je kao razlika dve laterale difuzije i + oblasti sorsa koje se vr{e kroz isti otvor u oksidu. Elektroi, koji ~ie struju dreja, kre}u se iz + oblasti sorsa lateralo kroz kaal u oblasti, a zatim vertikalo kroz eitaksijali sloj i + sustrat do kotakta za drej. Pri tome, eitaksijali sloj zbog iske kocetracije rimesa obezbe uje veliki roboji ao trazistora (familija visokoaoskih komoeata realizuje se a debljim eitaksijalim slojevima), a + sustrat svojom visokom kocetracijom rimesa uti~e da se ostvari dobar omski kotakt a dreju, ~ime se smajuje reda otorost do kotakta za drej, a samim tim i otorost VDMOS trazistora, tkzv. otorost uklju~eja R DS(ON). Maja reda otorost je eohoda, jer }e ri istoj struji i disiacija sage a komoeti biti maja, a ouzdaost VDMOS trazistora ve}a. 136

Sl. 6.18. Pore~i resek -kaalog VDMOS trazistora sage sa olisilicijumsim gejtom. Kada se a gejt -kaalog VDMOS-a dovede ozitiva ao formira se, kao {to je re~eo, kaal u oblasti i dolazi do akumulacije elektroa u slabo doiraom eitaksijalom sloju isod gejta. Usled agomilavaja elektroa ovr{ia }e biti a ièm otecijalu i formira- }e sors vertikalog JFET-a i drej lateralog MOS trazistora; oblast sluì kao gejt JFET-a, a + sustrat kao jegov drej. zme u gejta i dreja JFET-a ostoji dioda koju formiraju + - - + oblasti. Na osovu ove aalize moè se acrtati ekvivaleto kolo VDMOS-a, sl. 6.19. Sl. 6.19. Ekvivaleto kolo VDMOS trazistora sage sa sl. 6.18. 137

6.4.1. Otorost uklju~eja, traskoduktasa i ao raga Otorost uklju~eja Otorost uklju~eja VDMOS trazistora (otorost VDMOS trazistora u rovodom staju) R DS(ON), kao {to se sa sl. 6.20 vidi, sastoji se iz vi{e komoeata i mo`e se redstaviti kao zbir svih redih otorosti od sorsa do dreja: V R + R, (6.15) DS ( ON ) = DS = RS + RCH + RA + RJ + R D + R D VDS 0 su c ri ~emu su: R S otorost + -oblasti sorsa; R CH otorost kaala; R A otorost oblasti akumulacije (deo ei sloja eosredo isod oksida gejta); R J otorost JFET-a (deo ei sloja izme u dve eitaksijale -oblasti "body" oblasti, u literaturi se javlja i od imeom "eck resistace"); R D otorost ei sloja ili otorost oblasti drifta; R su otorost + -sustrata; R c zbir kotaktih otorosti sorsa i dreja. Udeo kotaktih otorosti i otorosti + -oblasti sorsa i sustrata u ukuoj otorosti je srazmero mali i oe se ~esto mogu zaemariti, aro~ito u aalizi visokoaoskih VDMOS trazistora. Sl. 6.20. Komoete otorosti uklju~eja R DS(ON) VDMOS trazistora sage. U o{tem slu~aju, ajza~ajiji udeo u R DS(ON) imaju otorost kaala i otorost ei-sloja, ri ~emu otorost kaala domiira kod iskoaoskih (roboji ao BV DSS < 100 V), a otorost ei-sloja kod visokoaoskih (BV DSS > 100 V) komoeata (za ostizaje visokog ro- 138

bojog aoa eohodo je da eitaksijali sloj bude debeo i {to slabije doira). Otorosti oblasti akumulacije i JFET-a su relativo male, ali e i zaemarljive (kod visokoaoskih komoeata mogu biti ve}e od otorosti kaala). U svakom slu~aju, oèljo je da otorost uklju~eja bude {to maja, ali je zbog robojog aoa eohoda komromis u rojektovaju trazistora. Vi{e}elijska struktura (sl. 6.17) redstavlja izuzetu ogodost u smislu ostizaja male otorosti uklju~eja: ako je otorost jede }elije R, oda je ekvivaleta otorost ideti~ih aralelo ovezaih jedii~ih }elija jedaka R/. Stoga je oèljo {to vi{e smajiti dimezije i a istu ovr{iu eleta smestiti ve}i broj }elija, ali za sada ije mogu}e osti}i gustiu akovaja ve}u od ribliò 2000000 }elija o cm 2 zbog ograi~ee rezolucije fotolitografskih rocesa. Kada je VDMOS trazistor uklju~e moè se smatrati da se o oa{a kao elieari otorik, te je saga gubitaka a jemu: P = R. (6.16) gub 2 DS ( ON ) D S obzirom da otorost uklju~eja ikada ije jedaka uli, a kada su i struje dreja vrlo velike, ovi gubici ostaju zati. zraz za P gub ije tako jedostava kao {to izgleda a rvi ogled, jer je R DS(ON) sloèa fukcija temerature, aoa izme u dreja i sorsa, struje dreja i a~ia izrade komoete. Zavisost otorosti uklju~eja od temerature soja data je a sl. 6.21. Sl. 6.21. Zavisost otorosti uklju~eja R DS-ON od temerature soja kod VDMOS trazistora sage. Sa sl. 6.21 moè se uo~iti da obe zavisosti R DS(ON) = f(t), koje se odose a dve razli~ite vredosti robojog aoa BV DSS, rastu sa temeraturom. Tako e, moè se videti da komoete sa ve}im robojim aoom imaju ve}u otorost uklju~eja i ve}i temeraturi koeficijet 139

ego oe sa iìm robojim aoom. Ovo ostaje razumljivo ako se ima a umu da kod visokoaoskih komoeata domiata uticaj a vredost otorosti uklju~eja ima otorost eitaksijalog sloja (R D u (6.15)), a kod iskoaoskih otorost kaala (R CH u (6.15)). Temeraturi koeficijet otorosti eitaksijalog sloja je ozitiva, {to doriosi velikoj ozitivoj vredosti temeraturog koeficijeta otorosti uklju~eja. Otorost kaala ima egativa temeraturi koeficiejt, {to dovodi do smajeja vredosti temeraturog koeficijeta otorosti uklju~eja iskoaoskih VDMOS trazistora sage. Traskoduktasa Traskoduktasa VDMOS trazistora g m je merilo osetljivosti struje dreja a romee aoa a gejtu, a o defiiciji se traskoduktasa ra~ua kao g m d D = (6.17) dv V = cost. GS DS Uobi~ajeo je da se ovaj arametar avodi za ao V GS koji obezbe uje struju D jedaku olovii maksimale dozvoljee struje ri aou V DS koji garatuje rad u oblasti zasi}eja. Kao i struja dreja, traskoduktasa je direkto roorcioala {irii, a obruto roorcioala du- ìi kaala i debljii oksida gejta. Poèlja je, dakle, {to ve}a gustia akovaja jer efektiva {iria kaala raste, a jegova duìa se smajuje sa ove}ajem gustie akovaja, ali treba imati u vidu da ovde vaè raije omeuta ograi~eja vezaa za fotolitografiju, kao i da se kaal e sme revi{e skra}ivati zbog "uch-through" efekta. Debljia oksida gejta se tako e e sme revi{e smajivati da bi oksid mogao da izdrì relativo visoke aoe koji se javljaju u kolima u kojima se koriste saè komoete. Traskoduktasa je fukcija okretljivosti osilaca u kaalu, {to za~i da i oa, out otorosti uklju~eja, jako zavisi od temerature (oada sa orastom temerature). Nao raga Nao raga V T se defii{e kao miimali ao koji treba dovesti a elektrodu gejta da bi astuila jaka iverzija olurovodika isod oksida gejta i formirao se rovodi kaal izme u oblasti sorsa i dreja. Nao raga VDMOS trazistora sage se obi~o meri ri struji dreja od 250 μa. Tii~e vredosti aoa raga su (2 4)V za visokoaoske komoete kod kojih je i okid gejta deblji, odoso (1 2)V za iskoaoske komoete, komatibile sa logi~kim kolima, kod kojih je oksid gejta taji. [irom rimeom saìh MOS trazistora u reosivim elektroskim aravama i beì~im komuikacioim ure ajima, kod kojih je otro{ja ograi~ea kaacitetom baterija za aajaje, javlja se jaso uo~ljiv tred ka itezivijem razvoju VDMOS komoeata sa iìm vredostima otorosti uklju~eja i aoa raga. Sl. 6.22. Komercijali VDMOS trazistori sage. 140

6.4.2. zlaze karakteristike i oblast bezbedog rada zlaze karakteristike jedog VDMOS trazistora sage sa uzemljeim sorsom rikazae su a sl. 6.23. Kod VDMOS trazistora sage eohode su relativo velike vredosti obudih aoa V GS ; za ve}iu tiova VDMOS komoeata to je ajmaje 1 V i o toj ~ijeici se mora voditi ra~ua rilikom rojektovaja kola za obudu VDMOS trazistora sage. Sl. 6.23. zlaze karakteristike VDMOS trazistora sage. Dobro je ozato da visoka rada temeratura redstavlja veoma ~est uzrok otkaza biolarih komoeata sage. Do toga dolazi zato {to struja teì da se kocetri{e a oblast u okolii emitora i tako formira "vru}e ta~ke". Krajji rezultat je "termi~ko beàje" i evetualo ui- {teje komoete. VDMOS trazistori, me utim, rade a otuo razli~it a~i, s obzirom da kod jih struja oti~e od ve}iskih oslilaca. Pokretljivost ve}iskih osilaca u silicijumu zavisi od temerature i to kada temeratura raste okretljivost se smajuje, a to za~i da kako se ~i zagreva, tako se osioci usoravaju. Kao krajji efekat uve}ava se otorost (sl. 6.21) i a taj a~i sre~ava kocetrisaje struje, odoso formiraje vru}ih ta~aka. Drugim re~ima, ukoliko o~e da se formira vru}a ta~ka, lokala otorost se uve}ava, usmeravaju}i tako struju a hladije delove ~ia. Dakle, struja dreja VDMOS trazistora sage ima egativa temeraturi koeficijet (sl. 6.24), tako da je komoeta termi~ki stabila ~ak i za visoke temerature, te se moè re}i da VDMOS trazistori sage oseduju sostveu za{titu od termi~kog beàja i sekudarog roboja. Dodata ogodost, eostvarljiva kod biolarih trazistora, jeste {to se 141

VDMOS trazistori sage mogu ovezati u aralelu, a da e do e do "kra e struje". Naime, ukoliko astui regrevaje bilo koje komoete, jea otorost se uve}ava i struja se usmerava rema hladijim ~iovima. Sl. 6.24. Temeratura zavisost struje dreja VDMOS trazistora sage. Sl. 6.25. Tii~a SOA karakteristika za VDMOS trazistor sage 100 W. 142

Kao i u slu~aju biolarog trazistora, oblast bezbedog rada defii{e grai~e vredosti struje i aoa kojim se VDMOS trazistor moè kratkotrajo oteretiti a da ri tom e astui regorevaje komoete. Kao {to je ilustrovao a sl. 6.25, ove grai~e vredosti su defiisae maksimalo dozvoljeim vredostima struje, aoa i sage. Treba aomeuti da katalo{ke SOA (od Safe Oeratig Area) krive isu ajsigurije za rakti~u rimeu, ~ak i kada se rimejuju za komoete istog tia. Razlog za to je {to SOA ograi~eja e rerezetuju geeralo graice koje, ako se advise, rezultiraju treutom destrukcijom komoete, ve} ova ograi~eja, re svega, redstavljaju graice izad kojih se e moè garatovati ouzdai rad VDMOS trazistora sage. Zbog toga, za odgovaraju}u rimeu korisik mora sam da odredi oblast bezbedbog rada koja odraàva secifi~e zahteve u ogledu alikacije i mogu}osti same komoete. 6.5. GBT Kao {to je re~eo, VDMOS trazistori sage imaju odre ee bolje karakteristike u odosu a biolare trazistore sage (odeljak 6.4). Sa druge strae, ak, kada su u itaju komoete izuzeto velike sage, biolari trazistori su u redosti ad VDMOS-ovima, s obzirom da imaju maju vredost aoa zasi}eja (V CEsat < V DSsat ) i mogu se roizvoditi za ve}e rade aoe i struje (sl. 6.26). Stoga se do{lo a ideju da se aravi komoeta koja }e u sebi da sadrì dobre osobie i VDMOS i biolarog trazistora. Takva komoeta je GBT (od sulated-gate Biolar Trasistor). Sl. 6.26. Uorede maksimale vredosti struja i aoa kod VDMOS i biolarih trazistora sage. 143

GBT je rovodo modulisai trazistor sa efektom olja, koji a ulazu ima VDMOS a a izlazu biolari trazistor (sl. 6.27). Stoga se sre}e i od azivima COMFET (od COductivity Modulated FET), GR (od sulated-gate Rectifier), GEMFET (Gai-Ehaced MOSFET) i BiFET (od Biolar FET). Sl. 6.27. Pore~i resek GBT-a; a osovu ove slike rikazao je ekvivaleto kolo a sl. 6.28. Sl. 6.28. Ekvivaleto kolo GBT-a sa sl. 6.27. 144

Na sl. 6.27 rikaza je ore~i resek tii~og GBT-a sa olisilicijumskim gejtom, a a sl. 6.28 ekvivaleto kolo. Ako se uoredi struktura GBT-a sa strukturom VDMOS-a (sl. 6.18) vidi se da su veoma sli~e. razlika je {to se umesto + sustrata koristi + odloga, izad koje se alazi eitaksijali sloj. Ovaj sloj ima ulogu baze NPN trazistora, te se u jega, iz + sustrata, ijektuju elektroi koji mejaju rovodost oblasti (zato je a sl. 6.27 to redstavljeo otoro{}u R -(MOD)). ako su razlike u strukturama VDMOS-a i GBT-a male, oe, iak, dovode do za~aje razlike u ekvivaletom kolu (sl. 6.28), jer umesto vertikalog JFET-a, kod GBT-a ostoji vertikali PNP biolari trazistor. Posledica ovoga je, ezaviso od vredosti struje, ad aoa reda 50 mv. Ovaj ad aoa mo`e biti za vi{e od reda veli~ie maji od ada aoa kod emodulisaih komoeata ri velikim strujama, a to za~i da }e ao zasi}eja GBT-a biti maji ego kod VDMOS trazistora sage. zlaze karakteristike jedog GBT-a relativo male sage rikazae su a sl. 6.29. Sl. 6.29. zlaze karakteristike GBT-a. Ozake GBT-ova u {emama izgledaju kao a sl. 6.30, a ekoliko komercijaih komoeata rikazao je a sl. 6.31. Sl. 6.30. Simboli GBT-a. 145

Pogodost GBT-a je {to se od jih mogu sa~iiti tkzv. GBT moduli. Takvi moduli mogu biti rojektovai za veoma velike struje i aoe. Kao rimer, a sl. 6.32 rikaza je GBT modul roizvodje Mitsubishi ( Cmax = 1200 A, V CEmax = 3300 V). Sl. 6.31. Komercijali GBT-ovi. Sl. 6.32. GBT modul roizvodje Mitsubishi ( Cmax = 1200 A, V CEmax = 3300 V). 146

7. NANOTEHNOLOGJA KOMPONENTE BUDU]NOST Svake godie as imresioira sve ve}i broj teholo{kih iovacija. ak, s ravom se moè re}i da su ta teholo{ka "~uda" veoma skroma u odosu a oo {to tek dolazi. Pogled a samo deo budu}osti tehologije izrade elektroskih komoeata i elektroskih arava fasciira da je, rakti~o, ezahvalo rogozirati {ta }e se sve i kako u budu}osti roizvoditi. Stoga }e ovde biti dat samo deo ooga {ta }e, mo`da, biti u budu}osti. Veliki deo zasluga za oo {to am se doga a i {to }e am se doga ati u elektroici riada tehologiji, koja }e u budu}osti ostati jo{ vaìji deo a{eg ìvota, ali }e biti toliko diskreto itegrisaa u jega da je e}emo i rimetiti. U slede}ih dvadesetak godia o~ekuje se trì{a rimea brojih ovih tehologija. Oo {to im je svima zajedi~ko, ali i {to raduje je da sve adolaze}e tehologije u svom sredi{tu imaju ~oveka i jihovu rimeu a svakodevi ìvot ojedica. Vojska olako gubi korak sa iovacijama, tako da je razvoj tehologije za voje otrebe sve maje oulara. Taj tred redvode sami au~ici, koji i sami tvrde da je do{lo vreme humaizacije tehologije. S druge strae, ravila igre diktira ovac. Svaka ova tehologija koja je amejea obolj{aju svakodevog ìvota izlazi a trì{te od ekoliko milijardi ljudi, i jaso je za{to se oda sve vi{e ara ulaè uravo tu. Kada je re~ o olurovodi~kim komoetama, osovi cilj }e i dalje biti smajivaje dimezija istih, sve do ivoa molekula, a, ~ak, i atoma. Elektroika baziraa a takvim komoetama ve} sada se zove molekulara elektroika. Pored zato ve}eg steea itegracije, odoso izuzeto ve}eg broja aktivih komoeata o ~iu, smajivaje dimezija komoeata dove{}e do daljeg ove}aja brzie jihovog rada. Naravo, ostoje}i olurovodi~ki materijali, rvestveo silicijum, bi}e zamejei drugim, tako da }e i ricii rada sada{jih komoeata biti druga~iji. Na sl. 7.1 rikazao je kako su se tokom godia smajivale dimezije (kokreto duìa) komoeata. Nemiivo se ostavljaju itaja: kada }e silicijum biti zameje drugim materijalima i da li }e i dalje vaìti Murov zako? Naime, kao {to je ozato, elektrosku revoluciju kakvu ozajemo u sada{jem obliku, osebo kada je re~ o ra~uarskoj tehologiji, uslovio je izuzeto brz razvoj itegrisaih kola a bazi silicijuma, koji je otvorio aredak ezabeleè u istoriji civilizacije. Silicijumski mikrorocesori su ostajali i ostaju i sada sve brì i mo}iji zahvaljuju}i stalom ove}avaju broja komoeata u itegrisaim kolima, a ovi modeli razovrse ra~uarske oreme ojavljuju se takvom brziom da ih s ote{ko}ama rate i ajbolje uu}ei ozavaoci. O ovakvom temu razvoja govori ozati Murov zako (sl. 56 u Elektroskoj fizici ~vrtog tela), azva o osiva~u tela Gordou Muru, koji kaè da se broj elektroskih komoeata u mikrorocesoru udvostru~uje svakih 18 meseci. Me utim, fatasti~a aredak koji je doìveo silicijumski ~i, ucrta Murovim zakoom, ima svoje graice osle kojih e}e ostojati fizi~ka mogu}ost da u jeda silicijumski ~i stae jo{ elektroskih komoeata. Ograi~eje je uslovljeo smajivajem ajmaje komoete itegraisaog kola a veli~iu atoma, kada }e dalji razvoj mikrorocesora biti zaustavlje. Polurovodi~ka tehologija o{tovala je Murov zako gotovo 40 godia, a rema mi{ljeju mogih stru~jaka to bi trebalo da otraje do 2020 godie, dok mikrorocesori e do u do atomske graice, {to }e za~iti kraj ere silicijuma. 147

Sl. 7.1. Smajivaje dimezija komoeata tokom godia i redvi aje do 2020. godie. 7.1. NANOTEHNOLOGJA zazov koji se ostavlja red tehologije koje se kadiduju da zamee silicijumski mikrorocesor je revazilaèje graice u veli~ii i su{taje elektroike a ivo molekula i atoma. Takve komoete su o svojoj rirodi fudametalo razli~ite od oih sa ~ime se olurovodi~ka tehologija do sada suo~avala. Atomi su, uslovo, elemetare ~estice od kojih je sa- ~ije svaki materijal u svetu oko as. Njihovo oa{aje oisao je eituitivim zakoima kvate mehaike, {to redstavlja su{tiu roblema ri svakom oku{aju da se maiuli{e tako malim objektima. Me utim, sa o aosvetu e{to je {iri od itaja stvaraja i kotrole dovoljo malih trazistora ostoji ~itava au~a oblast koja se osledjih godia bavi isitivajem objekata merljivih u aometrima. Nje o{terihva}e aziv je aotehologija, a oa je hibrida discilia kvate fizike, hemije, biologije i ièjerstva. Osovi cilj ove auke je kotrola ad jedim ili samo ekoliko ojedia~ih atoma, koji bi se mogli "slagati" u strukture o èlji. Pokazalo se, me utim, da izu~avaja ojava a ivou molekula i atoma ukazuju da ostoje kvata ograi~eja, koja mogu da rezultuju razli~itim elektromagetim i oti~kim svojstvima materije izme u ao~estica i drugih materija. U tom smislu je i Gibbs-Thomsoov efekat: siàvaje ta~ke toljeja materije kada se jea veli~ia meri aometrima. Pa {ta su, u stvari, aoauka i aotehologija? Oblast kojom se bave slikovito oisuje jihov aziv: aos a gr~om za~i atuljak. U su{tii, to su areda, vrhuska auka i tehologije koje izu~avaju sve {to se odigrava a izuzeto maloj lestvici veli~ia materije i oku- {avaju iz toga da izvuku korist koja moè da bude zaista velika i o{ta. Koliko su te veli~ie male te{ko je i zamisliti. Naometar je milijarditi deo metra, milioiti deo milimetra ili veli~ia desetak vodoikovih atoma. Toliko orastu a{i okti u jedoj sekudi. Smatra se da se ova graa auke bavi istraìvajima i razvojem tehologije a lestvici od 1 m do 100 m, u ekim osebim slu~ajevima i isod 1 m. A to je lestvica a kojoj se reli}u hemijski, fizi~ki i biolo~ki rocesi. Jo{ vaìje, a joj se odigravaju i ìvoti rocesi. Molekul DNK, {irok samo 2 m, ajmaja je riroda aoma{ia rogramiraa da gradi svoje koije i ~uva odatke otrebe za izgradju bela~evia. 148

7.1.1. Za~eci aotehologije Naziv aotehologija rvi je uotrebio jaaski au~ik Norio Taigu~i 1974. godie, ali je za jeu romociju ajzasluìji ameri~ki fizi~ar Erik Dreksler, tada istraìva~ a Masa~usetskom istitutu za tehologiju, koji je 1986. godie objavio kjigu Egies of Creatio. Me{aju}i au~e ~ijeice s fatastikom, Dreksler je svojom kjigom zaalio kolektivu ma{tu i obudio veliko zaimaje za aosvet. Oslikao je budu}ost u kojoj si}u{e ma{ie, azvae asembleri, utuju kroz ljudski krvotok i le~e raze bolesti deluju}i samo a obolele }elije. Oe razvijaju ve{ta~ki mozak, uklajaju zaga eje iz vazduha i grade doslovo sve zgrade, mostove ili vasioske brodove. Ali, e ciglu o ciglu, ve} atom o atom (sa daas ezamislivom ta~o{}u). A o{to bi mogli i sebe da umoàvaju, asembleri bi ostali rada saga koja bi ukiula siroma{tvo i glad u svetu. Bila bi to ova idustrijska revolucija koja bi ~ove~astvu doela blagostaje, ali ako bi dosela u ogre{e ruke ili ostala sosoba da se otme ljudskoj kotroli i astavila vlastitu evoluciju, stvorila bi sivu ljigu, odvratu masu koja bi rekrila Zemlju za ekoliko daa., ako je 1986. godie to bio samo aofatasti~i svet Erika Drekslera, ve} daas eka od jegovih redvi aja su se obistiila, sa tedecijom razvoja i ekih ovih roizvoda koji bi i u omeutoj kjizi bili isuvi{e fatasti~i. Na ovom mestu eohodo je aomeuti da Dreksler i Taigu~i isu rvi au~ici koji su sajali o aosvetu. Skoro tri deceije raije, 29. decembra 1959. godie, istakuti ameri~ki fizi~ar Ri~ard Fejma (Richard Feyma) odrào je u Ameri~kom fizi~kom dru{tvu ~uveo redavaje od azivom: There a lety of room at the bottom ( Postoji obilje mesta a du ). Fejma je obrazlagao mogu}ost da }e u budu}osti mo}i da se rukuje materijalima a lestvici atoma i molekula. Dokazivao je da }e cela Ecikloedija Britaika, sa svoja 24 toma, mo}i da se isi{e a glavi ~iode. li da sve {to je od amtiveka aisala ljudska ruka stae u kockicu ~ije straice isu ve}e od 0,1 mm. Slova bi bila u digitalom obliku, a o 100 atoma redstavljali bi svaki digitali bit iformacije... 7.1.2. Oasosti od aotehologije S ravom se ostavlja itaje: da li je osle are ma{ie, elektri~e eergije i iformati~ke revolucije a redu i aoteholo{ka revolucija? {ta bi oa mogla ovo da doese? ak, eki stru~jaci veoma su zabriuti... Naime, ima oih koji svesrdo odràvaju dalji razvoj aotehologije, ali i oih koji se tome rotive, o kojima ukleari rat i razaraje krhke rirode okolie mo`da isu ajgora retja ~ove~astvu. Protivici aotehologije kao glavi argumet avode sceario ajgoreg slu~aja (o kraju sveta), azva "Grey Goo". Naime, o jima, "Grey Goo" je jeda varijata scearija u kojem aobiotehologija ravi samoumoàvaju}e aoma- {ie koje ui{tavaju sve orgaske ~estice, ìve ili mrtve, rave}i aslage sli~e eìvim orgaskim masama. Po jima, ove aoma{ie, tj. si}u{i graditelji, azvai asembleri, e samo da }e mo}i da sklaaju ojedie atome u ve}e celie, retvaraju}i atome i molekule jede sustace u eku drugu, ve} }e mo}i i da se razmoàvaju. zato, ako bi stvari slu~ajo izmakle kotroli, sve ìvotije, ljudi i biljke mogli bi da ostau jihova hraa i `rtva. Nalik daa{jim virusima, ali mogo sosobiji i oasiji od jih, ademija asemblera okorila bi Zemlju za ekoliko daa. Na{u leu laetu rekrila bi siva, leljiva i ljigava sustaca azvaa gray goo ( siva ljiga ). Mada je daas ova oasost malo verovata, ije sasvim odba~ea mogu}ost da }e se mo`da ekada, u daljoj budu}osti, i dogoditi. Kriti~ari aotehologije, tako e, ukazuju a otecijalu toksi~ost ovih klasa aosustaci koje mogu da uti~u a stabilost zidova }elija ili da aru{e imuolo{ki sistem ~oveka kada se udahu ili asorbuju. Drugim re~ima, o jima aotehologija doosi sasvim realu 149

retju o~uvaju zdravlja i rirode okolie. Objektiva rocea rizika moè da roiza e iz iskustva, s obzirom da je kroz celu evoluciju ~ovek bio izloè dejstvu sitih ~estica kojima obiluje riroda, aerozaga eju i razim mikroorgaizmima. Neke od tih ~estica i mikroorgaizama imaju dokazao {teto dejstvo. Na rimer, ~estice kvarca i ugljee ra{ie, kao i vlaka azbesta mogu da izazovu ozbilje lu}e bolesti, uklju~uju}i i rak. Utvr eo je da su ugljea ra{ia, kvarc i azbest oasi jer su toliko mali da mogu duboko da rodru u lu}a, ali imaju takvu duìu da otom e mogu da se izbace. Otori su a razlagaje u orgaizmu i mogu da izazovu oksidacioe romee a tkivima sli~e slobodim radikalima. Pored toga, ostoji mogu}ost da ao~estice u ija}oj vodi budu oase za ljude i ìvotije. ak, te{ko je zamisliti slu~aj kada bi ao~estice mogle slobodo i u za~ajijoj koli~ii da se a u u rirodoj okolii. Mogu}a oasost ograi~ea je a roizvode objekte. Nekoliko vrsta ao~estica se treuto koristi u kozmetici i kao za{tita od {tetog dejstva suca. Naime, kreme za su~aje sadrè aocestice titaijumoksida ili cikoksida. Oe su suvi{e male da bi odbijale vidljivu svetlost, ali isu i za {tete UV zrake, ~ija je talasa duìa mogo maja (taki aoslojevi se ugra uju i u ao~are za suce i kao za{tita od grebaja stakala). Me utim, ostoji bojaza da bi ovako site ~estice mogle da rodru kroz koù, ogotovo ako je oa ve} o{te}ea (oekotiom, ekcemom). ako jo{ ije zabeleèo jihovo {teto dejstvo (ili se oo, bar zasad, e obelodajuje), iak je utvr eo da se }elije izloèe ao~esticama titaijumdioksida rasadaju dva uta brè ego uobi~ajeo, {to }e, verovato, imati eke osledice. Jo{ ije utvr eo koliki je ìvoti vek roizvoda koje u sebi sadrè ao~estice i ije isitao da li reti oasost od zaga eja rirode okolie, sli~e ooj koju je doela era erazgradivih lasti~ih masa. U rudicima, ìtim silosima i a ekim drugim mestima ostoji stala oasost od ekslozije oblaka ra{ie zaaljive sustace. Stru~jaci se ribojavaju da }e oe ao~estice koje mogu da gore biti jo{ odloìje ekslodiraju usled jihove ve}e ovr{ie i reaktivosti. Posle svega, ame}e se itaje: ostoji li oasost? Aokaliti~ka oasost od svemo}- ih asemblera ije e{to {to moè da zareti u dogledoj budu}osti. Ali,... Nadajmo se da je ~ove~astvo izvuklo ouke iz ro{losti i da }e, ako zatreba, blagovremeo roa}i odgovaraju}a re{eja. Tako bi i ova strahovaja ostala samo e{to {to se uvek javlja kad god smo se suo~avali s e~im ovim i eozatim, a aotehologija bi imala otvore ut da ostae vode}a tehologija 21. veka. 7.1.3. Predosti i ogodosti koje ruà aotehologija Bojaza da bi asembleri mogli da resko~e jaz izme u au~og redskazaja i stvarosti, osledica je eumitog, veoma brzog razvoja aotehologije. Sve je ve}i broj aoroizvoda i oru a otrebih ovoj ovoj tehologiji. Hiljade reduze}a i mogi uiverziteti u SAD, Evroi i Jaau svake godie tro{e milijarde evra a aoteholo{ka istraìvaja. zgradja istraìva~kih laboratorija vrlo je skua. zme u ostalog, ove laboratorije moraju da budu otuo za{ti}ee od bilo kakvog odrhtavaja tla i ra{ie a aometrijskoj lestvici zro ra{ie je kao laia. ak, svi zaju da ostoji dobar razlog da ulaù. Jer, ako se osmatra s bolje strae, aotehologija obe}ava ovu teholo{ku revoluciju, mo`da i o{te blagostaje. U delu 7.2 bi}e detaljije dat regled materijala i elektroskih komoeta ~iji bi se rad zasivao a efektima koji roisti~u iz aoteholo{kih istraìvaja i ogodostima koje oe ru- àju, osebo u otoelektroici i komjuterskoj tehici. Stoga }e ovde biti avedee samo eke od redosti koje aotehologija udi u oblastima koje isu ekslicito vezae za elektroiku. Zaimaje za brz razvoj aotehologije je o{te, s obzirom da materijali sa dimezijama aometara imaju eo~ekivae osobie. Te osobie su, uglavom, mogo bolje ego kada su isti materijali a uobi~ajeoj lestvici veli~ia. Ta ~ijeica aotehologiji obe}ava da }e omra~iti 150

slavu svih dosada{jih teholo{kih revolucija. Dva osova razloga za ovakvu romeu u oa- {aju materije su: veliko ove}aje ovr{ie o jediici mase i dejstvo kvatih ojava. Naime, kada se ~estica smajuje, raste roceat atoma koji se gomilaju a jeoj ovr{ii u odosu a broj atoma u uutra{josti. Na rimer, ~estica od 30 m ima samo 5 % atoma a ovr{ii, dok kod ~estice od 3 m taj roceat izosi 50 %. Po{to se kataliti~ki i drugi hemijski rocesi uglavom odigravaju a ovr{ii, smajeje veli~ie ~estica dovodi do ove}ae hemijske reativosti. Stoga su se eki aomaterijali ve} dokazali kao ajbolji katalizatori. S druge strae, ve}ia metala je izgra ea od malih kristalih zraca, tako da se dodire ovr{ie izme u jih oa{aju kao amortizeri koji usoravaju ili zaustavljaju {ireje deformacija kada se a metal deluje ekom silom. S obzirom da imaju ve}e dodire ovr{ie, ao~estice imaju i ve}u ~vrstiu. Tako, aokristali ikl je ~vrst kao ajtvr i ~elik. Nisu samo aokristali metali ~vr{}i od metala dobijeih a klasi~a a~i. Pokazalo se da i drugi materijali koji u sebi sadrè ao~estice dobijaju izuzete mehai~ke i elasti~e osobie. Ve} se, sa ugljei~im ao~esticama, roizvode teiski reketi (sl. 7.2) i {taovi za ecaje koji su lak{i a zato ~vr{}i od do sada ostoje}ih. Tako e, ao~estice alaze i a}i }e rimeu u gra eviarstvu. Naime, kvalitet betoa umogome zavisi od isreleteosti i ovezaosti ~estica razli~ite veli~ie (eska, cemeta, {ljuka...). Kori{}eje ao~estica omogu}ava da se oue sve razie, {to smajuje orozost betoa i otrebu koli~iu vode. Kada takav beto o~vrse, arezaja su bolje rasore ea. Ovakav "haj-tek" beto tri uta je lak{i od ~elika, a ima istu otorost (etaest uta bolju od obi~og betoa). Zato e mora da se oja~ava dodavajem metalih {iki, {to ga ~ii veoma uotrebljivim za izgradju mostova (sl. 7.2). Sl. 7.2. Samo eki od rimera rimee ao~estica gde su se oe okazale izizeto efikasim. u auto-idustriji ao~estice mogu da igraju veliku ulogu. Na rimer, kada se ao~estice cezijum-oksida dodaju dizel-gorivu smajuje se jegova {tetost o okoliu. Oe se u gorivu vezuju za ~estice zaga iva~e i smajuju im termi~ku otorost, a ih tolota motora jedostavo ui{tava. Pored toga, ao~estice mogu da se dodaju i ulju za odmazivaje motora (sl. 7.2). Za~ajo smajuju jegovo habaje i otro{ju goriva. Kao dodatak lastici ao~estice glie se koriste da se oja~aju braici automobila, uz zadràvaje jihove elasti~osti. Dalje, ostoje ao- ~estice koje ooravljaju istro{ee automobilske gume. ma ih i u ekim bojama za {asije automobila da bi smajile jihovu otro{ju i uotrebu razre iva~a. Plaira se da budu i deo u gorivim vodoi~im }elijama, gde bi zameile latiu kao katalizator. Za~aja rimea ogodosti koje ruà aotehologija o~ekuje se u medicii. Tu se, re svega, misli a si}u{e ma{ie, azvae asembleri, tj. aolekare koji }e mo}i da utuju kroz ljudski krvotok (sl. 7.3) i bi}e sosobi da reozaju svoju metu (a rimer, }eliju raka), da joj ruè otreba lek ili da joj izmee geetski sastav. Dalje, a Harvardu su ve} razvijee aoìce, {iroke 10 m i duge oko 1000 m. Naoìce, kao a sl. 7.4a, mogle bi da se koriste za otkrivaje o~etih tragova eke bolesti: a aoìce su aeta atitela koja se vezuju za PSA, atige koji je idikator raka rostate. Ako je PSA risuta u krvi, veza}e se za atitela a ìci, {to }e romeiti jeu rovodost i uklju~iti elektri~i sigal. Pored toga, ako se kvate ta~ke (videti deo 7.2.4) obude laserima, svetle edeljama. U savremeim bio i mediciskim laborato- 151

rijama koristi}e se kao "markeri" za otkrivaje odre eih gea i bela~evia u }elijama. Kad se rika~e a etide ili atitela koja reozaju }elije raka, omo}i }e da se obolela mesta lako uo~e (kao kod mi{a a slici 7.4b). Sl. 7.3. Naolekari }e mo}i da utuju kroz ljudski krvotok i bi}e sosobi da reozaju svoju metu (a rimer, }eliju raka), da joj ruè otreba lek ili da joj izmee geetski sastav. a. b. Sl. 7.4. a Naoìce se mogu da koriste za otkrivaje o~etih tragova eke bolesti; b reozavaje }elija obolelih od raka omo}u kvatih ta~aka. Da bi zasluìli svoje ime, aomaterijali moraju da imaju makar jedu dimeziju maju od 100 m. Tako ostoje jedodimezioali aoslojevi filmovi ili ovr{iske skrame ~ija je debljia aometarska, ali su {iria i duìa ve}e. U materijale koji imaju dve aodimezije svrstavaju se eki bioolimeri. Uz sadejstvo s eorgaskim aomaterijalima, oi bi mogli da imaju izuzeto vaù uotrebu. Pre svega u medicii kao svojevrse mii laboratorije (labs o chi), zami{ljee da izvode razli~ite biolo{ke i geetske testove, brzo i bez elagodosti za acijeta. U trodimezioale materijale sadaju i aokristali materijali fulerei (ugljeik 60) i tkzv. dedrimeri. Otkrivei 1985. godie, fulerei su molekuli ugljeika ore ai u re{etku oblika fudbalske lote, sl. 7.5. ûdesa aolota ima re~ik od samo 1 m, a sastoji se od 60 ugljeikovih atoma ovezaih u 20 {estougaoika i 12 etougaoika. Dedrimeri su ra~vasti olimeri (alik drve}u) koji su astali sajajem majih aojediica. Njima se, tako e, redvi- a uloga si}u{ih robota-lekara. Mogli bi da budu i ~ista~i zaga ee rirode okolie. 152

Sl. 7.5. Fulerei molekuli ugljeika ore ai u re{etku oblika fudbalske lote u ugljei~oj aocevi (o aocevima videti deo 7.2.3). U aosvetu i va der Valsove sile igraju mogo za~ajiju ulogu. Mogu i da odmogu i da omogu. To su oe sile koje se javljaju izme u elektroeutralih molekula, kada se a jedom jihovom kraju agomilava ozitivo, a a drugom egativo aelektrisaje. Molekuli se oa{aju kao si}u{i mageti ~iji se suroto aelektrisai krajevi rivla~e. Zato ove sile mogu da redstavljaju smetju za rad budu}ih si}u{ih ma{ia. A koliko ove, ia~e slabe sile, mogu da budu jake u aosvetu ajbolji je rimer jeda ìvotijica guster geko (sl. 7.6). Stru~jaci ikako isu mogli da objase kako se ovaj gu{ter bez te{ko}a i klizaja kre}e o sasvim usravim i glatkim ovr{iama kao {to je rozorsko staklo, sve dok isu otkrili da a dojoj, dodiroj ovr- {ii oìca ima mo{tvo dla~ica aometarske veli~ie. zme u jih i molekula stakla javlja se toliko jaka sila da gu{ter moè da visi drè}i se samo jedom ogom. Stoga je to iskori{}eo da se dobiju "selotej" trake, tkzv. aoytrake, sa izvaredim osobiama. Sl. 7.6. "Naogu{ter" vi{e od 500000 dla~ica a jedoj {ai. Naotehologija omaè i da se bolje vidi. Tako bi izuzeto guste re{etke, s liijama a svakih 200 m, mogle mogo uta da uve}aju rezoluciju teleskoa s X-zracima. Ovakve re{etke ravile bi se ovim, aro~itim vidom litografije sa "iterferecijom laserskog zraka". Sli~o stakleoj rizmi, koja belu svetlost razlaè a razli~ite boje, i gusta re{etka razloìla bi X-zrake u sektar. Zahvaljuju}i tome, vasioski telesko MAXM, koji bi trebalo da se lasira u slede}oj deceiji, imao bi rezoluciju 300000 uta ve}u od sada{jeg ajmo}ijeg teleskoa "Habla"! O bi am omogu}io da vidimo i takve vasioske objekte kao {to su suermasive cre rue, za koje se veruje da se kriju u sredi{tima galaksija. 153

7.2. KOMPONENTE BUDU]NOST Nadalje }e biti avedee samo eke od komoeata i ure aja za koje se o~ekuje da }e u budu}osti imati rimeu. Ta vizija budu}osti elektroike ije ikakvo "roro~astvo" ili aga- aje, ve} je zasovaa a komoetama koje se ve} sada rou~avaju u ozatim istraìva~kim laboratorijama. 7.2.1. Komoete a bazi orgaskih olurovodika lasti~e komoete Za lasti~e komoete i ~iove koristili bi se orgaski olimeri, jedijeja koja sadrè izove atoma ugljeika, koji je silicijumu "kom{ija" u eriodom sistemu elemeata. Ovi olimeri ~ie lastiku koja je romeljivog oblika i rirode. Naime, Nobelovu agradu za hemiju 2000. godie dobili su istraìva~i koji su roa{li da ojedie vrste ovakve lastike rovode struju. Skoro istovrermeo je ustaovljeo da je mogu}e roizvesti elektrolumiiscete diode (OLED Orgaic LED) i takosloje trazistore (OTFT Orgaic Thi Film Trasistor) koriste}i take fimove razli~itih orgaskih materijala. Otkri}em olimerih rovodika i olurovodika, oto~ela je serija razvoja ovih materijala koji mogu dosti}i stostruko smajeje dimezija komoeata, a samim tim i elektroskih kola. Za razliku od eorgaskih olurovodika (r. silicijuma), orgaski olimeri olurovodici su fleksibiliji i lak{i. Predost komoeata od orgaskih olimerih olurovodika u odosu a sada{je silicijumske komoete bila bi iska cea i jedostavost roizvodje, ali zbog veoma male okretljivosti osilaca aelektrisaja takve komoete bi se koristile za masovu roizvodju komoeata samo ode gde ije eohoda velika brzia jihovog rada. Naime, za sada, lasti~i trazistor jo{ ije dovoljo brz da bi se koristio u ra~uarima, ali zato moè da a e rimeu u {irokom sektru druge elektroike, kao {to je ugradja u disleje i "smart" kartice. Prva osobia koja lasti~e olurovodike ~ii atraktivijim u odosu a klasi~e jeste savitljivost, {to moè biti ogodo za razli~ite reose ure aje. zrada ovakvih trazistora vrlo je sli~a radu ik-dèt ritera (a se zato ta roizvodja i aziva "{tamaje"). Prvo se od secijalih olimera aravi "boja", koja se, otom, aosi a savitljivi lasti~i sustrat. Ovo govori o drugoj redosti ovih komoeata u odosu a slicijumske: jeftioj izradi ije eohoda ve}ia oih visoko-teholo{kih rocesa koju zahteva sada{ja roizvodja olurovodi~kih komoeata. Naàlost, rirema za {tamu (formiraje "boje") za sada je iak veoma sku roces. S druge strae sami olimeri su jeftii, tako da bi kola roizvedea a ovaj a~i iak bila daleko jeftiija ego klasi~a. Sl. 7.7. Na~i oformljeja molekula kod olimera. 154

Svi rovodi olimeri imaju jedo zajedi~ko svojstvo: atomi ugljeika u lacu su ovezai aizmei~im jedostrukim i dvostrukim vezama, sl. 7.7 i sl. 7.8. To za~i da ostoje dva (ili vi{e) alterativa a~ia isaja strukture formule, ri ~emu se "rava" formula redstavlja kao jihov hibrid. U stvarosti to za~i da ostoje molekulske orbitale koje isu lokalizovae izme u dva atoma, ve} teku du` celog laca. Elektro se, u takvoj orbitali, od uticajem solja{- jeg elektri~og olja mo`e slobodo kretati du` celog molekula. Da bi se ostvarila elektri~a rovodost otrebo je omogu}iti elektrou da se reme{ta iz jedog molekula u drugi, te tako o "utuje" kroz materijal. Ovo se osti`e tako {to se ostvaruje da su krajevi dva laca me usobo ralativo blizu, tako da elektro iz jedog molekula u drugi relazi tuelovajem. Oo {to je veoma bito, jeste da se takvi olimeri mogu doirati oksidisajem olimerih laaca. Sl. 7.8. Oformljeje laaca u olimerima. Sl. 7.9. Figurativi rikaz uticaja temerature a rasored molekula u olimerima. 155

Me utim, bar za sada, lasti~i olimeri, kao {to je ve} aomeuto, imaju ozbilje edostatke. Jeda od jih je izuzeta temeratura zavisost jihovih karakteristika. Naime, sa ove}ajem temerature kvari se rasored laaca molekula u jima (sl. 7.9), a ove}aje temerature za samo 30 o C sizi ioako isku okretljivost osilaca aelektrisaja za edoostivih 6 redova veli~ie (sl. 7.9). S druge strae, oo {to je ve} sada ozato jeste ~ijeica da se lasti- ~i trazistori, koji su o fukciji i dizaju otuo komatabili sa sada{jim klasi~im silicijumskim trazistorima (sl. 7.10), mogu roizvoditi ao{ejem olimera a savitljivu lasti- ~u odlogu, sli~o kao {to {tama~ aosi slova a savitljivi list aira. Drugim re~ima, o~ekuje se da }e u budu}osti savitljivi ekrai i disleji (sl. 7.11 i sl. 7.12) mo}i da izlaze isod valjka a beskrajoj, savitljivoj lasti~oj traci, u ogromim koli~iama, a roces bi bio daleko jeftiiji od daa{je roizvodje disleja. Sl. 7.10. Jeda od a~ia izvedbe MOS trazistora sa orgaskim olurovodikom. Sl. 7.11. Mogu}ost rimee savitljivih disleja od orgaskih olurovodika. 156

Sl. 7.12. Primeri savitljivog disleja od orgaskih olurovodika. Orgaski olimeri su veoma aktueli u istraìva~kim krugovima, jer zbog svoje rakti- ~osti i visokih erformasi mogu da otvore otuo ove horizote u auci i dovedu do ovog oglavlja u izradi, otuo futuristi~kih, elektroskih ure aja (r. digitalog ili elektroskog aira, sl. 7.12, koji moè da se baci kada se isrlja, jer je toliko jefti i roizvodi se jedostavo, kao rilikom ik-dèt {tame). ak, moè se re}i da sva istraìvaja streme ka zamei daa{jih rocesora lasti~im. Mo`da to sve za sada izgleda kao au~a fatastika, ali }e orgaski olimeri siguro a}i svoje mesto u elektroici. A da li }e [estijum 8 biti izra e od lastike, savitljiv i jefti, jo{ je rao da se redvidi. 7.2.2. Komoete a bazi grafea Grafe je sku atoma ugljeika rasore eih u ravi debljie jedog atoma, ri ~emu su atomi gusto sakovai u re{etku oblika ~elijih sa}a, sl. 7.13. Za razliku od jega, grafit se sastoji od velikog broja grafeskih ravi aslagaih jeda a drugu. Sl. 7.13. Struktura grafea. 157

Dve osove elektri~e karakteristike izdvajaju grafe od ostalih materijala. Prva je secifi~a otorost: a soboj temeraturi je ρ 1 μωcm, {to je za 35% ià otorost od secifi~e otorosti koju ima srebro i koja je do sada bila ajià od svih ozatih otorosti a soboj temeraturi. Druga je, tako e do sada ezabeleèa, izuzeto visoka okretljivost elektroa, koja se rocejuje a reko 100000 cm 2 /Vs, a kao grai~a vredost ~ak a 200000 cm 2 /Vs. Kada se vredost ove okretljivosti uoredi sa vredo{}u okretljivosti elektroa u silicijumu (maksimala je 1420 cm 2 /Vs) i sa do sada ajve}om okretljivo{}u elektroa od 77000 cm 2 /Vs za koju se za da oseduje eki materijal (u idijumatimoidu), vidi se kolika je redost grafea u odosu a sve ostale olurovodike. Pored omeutog, dobra osobia grafea je {to, iako se komercijalo te{ko roizvodi, lako aosi aaravajem, tako da je roizvodja komoeata sa jim komatabila sa tehologijama roizvodje silicijumskih komoeata. Tako su, kao rimer, a sl. 7.14 rikazaa dva tia MOS trazistora koja, umesto kaala od silicijuma izme u sorsa i dreja, koriste grafe. Sl. 7.14. Dva tia MOS trazistora sa grafeom. straìva~ki tim ameri~kog Uiverziteta Rajs utvrdio je da grafe moè da osluì i kao osovi elemet ove vrste memorije koja bi omogu}ila je ogroma kaacitet. Oi smatraju da bi grafeska memorija mogla da ove}a kaacitet skladi{teja odataka u dvodimezioaloj ravi et uta, jer se ojedia~i bitovi mogu smestiti u strukture maje od ekoliko aometara, za razliku od daa{jih kola u ~iovima fle{ memorija ~iji su elemeti zato ve}ih dimezija. Novi rekida~i mogli bi da se kotroli{u sa dve elektrode umesto tri u sada{jim ~iovima. Zahvaljuju}i tome mo}i }e da se rave trodimezioale memorije, s obzirom da se grafeske ravi mogu aslagati, a bi se kaacitet uve}avao sa svakim dodatim slojem. Po{to su to u osovi mehai~ki ure aji, takvi ~iovi skoro da e bi tro{ili ikakvu eergiju dok ~uvaju odatke. Oo o ~emu bi se grafeske memorije razlikovale od drugih memorija slede}e geeracije bio bi odos otro{je u uklju~eom i isklju~eom staju. Taj odos bi bio ogroma milio rema jeda. To za~i da bi isklju~eo staje dràlo milioiti deo struje u odosu a uklju- ~eo staje. S obzirom da ostoji struja cureja i u isklju~eom staju, u ovakvim memorijama bi se moglo ore ati milio isklju~eih rekida~a re ego {to o~u da se oa{aju kao jeda uklju~e, {to bi omogu}ilo da se realizuju mogo mo}ije strukture. 158

7.2.3. Komoete a bazi ugljei~ih aocevi Gledaju}i sve tehologije u astaku, ezahvalo je rogozirati koja }e od jih zameiti ostoje}u, a jeda od jih bi mogla da bude tehologija a bazi ugljei~ih aocevi (carbo aotube). Kada se grafeska mreà savije u si}u{u cev re~ika reda m dobija se ugljei~a aocev. Posebost je {to ovakva aocev fukcioi{e kao izuzeta rovodik dok se alazi u formi "ìce", ali kad se a joj aravi ~vor ili delimi~i relom, oa{a se kao olurovodik. Nizovi od aocevi se mogu ovezati u fukcioale elektroske delove i ure aje koriste}i ve} ozate tehologije za roizvodju ~iova. Dakle, ugljei~e aocevi su izgra ee samo od atoma ugljeika koji su rasore ei u {estougaou ravu mreù koja u ~vorovima ima atome, sl. 7.15, sl. 16 i sl. 7.17. Postoje jedozide (sl. 7.15) i vi{ezide (sl. 7.16) ugljei~e aocevi. Vi{ezide aocevi se sastoje od ekoliko kocetri~ih jedozidih aocevi. Sl. 7.15. Jedozide ugljei~e aocevi. Osim u svetu ra~uara o~ekuje se da }e ugljei~e aocevi doeti revoluciju i u razim drugim idustrijama, s obzirom da su izuzeto jake. Glava redost budu}eg rocesora od ugljei~ih aocevi ad silicijumskim bila bi veli~ia. Ugljei~i rocesor bio bi ekoliko uta maji, a samim tim i brì. Premda istraìva~i treuto imaju roblema kako da sloè aocevi u komleksa elektroska kola, ova tehologija ima svetlu budu}ost. To otvr uju i imea komaija koja se bave jeim istraìvajem, od BM-a, reko Motorole i Samsuga do tela. 159

Sl. 7.16. Vi{ezide ugljei~e aocevi. Sl. 7.17 Strukture ugljei~ih aocevi. 160

Takve strukture imaju sledeća svojstva: veli~ia: re~ik od 0,6 m do 1,8 m; duìa od 1 μm do 10 μm; gustia: 1,33 do 1,40 g/cm 3 ; otorost a istezaje: ajmaje 10 (oekad i 100) uta ve}a od ~elika; otorost a ritisak: dva reda veli~ie ve}a ego kod dosad aj~vr{}ih vlakaa kevlara; tvrdo}a: oko dva uta ve}a od dijamata; elasti~ost: mogo ve}a ego kod metala ili ugljei~ih vlakaa; tolota rovodost: redvi a se da je ve}a od 6000W/m K (dijamat 3320W/m K); elektri~a rovodost: ve}a od bilo kojeg drugog rovodika; cea: 1500 USD o gramu (zlato ribliò 10 USD/g). Otkako su otkrivee, ugljei~e aocevi su zaokuile iteresovaje mogih istraìva~a e samo u elektroici, ve} i u drugim graama auke. zme u ostalog, ugljei~e aocevi su ajsaìja vlaka u rirodi zbog osebo jakih veza izme u atoma tog elemeta, a }e mo}i da se koriste za izradu razli~itih vrsta ultralakih i ultra~vrstih roizvoda. Primea u elektroici }e omogu}iti stvaraje ultraosetljivih detektora i suerbrzih ra~uarskih memorija. Pored toga, kada se ormalo a elektri~o rovodu foliju ostavi a desetie hiljada aocevi i izme u te folije i surote metale elektrode riklju~i ao, astaje hlada emisija elektroa iz vrhova aocevi, {to je otuo suroto od katodih cevi, gde se katode greju da bi se "izvukli" elektroi. Tako bi se mogli roizvesti suerljosati moitori i disleji. 7.2.4. Komoete a bazi kvatih ta~aka Kvate ta~ke (QD Quatum Dots) su aostrukture koje su sosobe da "zarobe" (i lokalizuju) jeda do ar hiljada elektroa. To su, rakti~o, si}u{i kristali, aj~e{}e od silicijuma ili soli seleida. Dimezije kvatih ta~aka mogu da budu u rasou od jedog aometra do ekoliko mikrometara, obi~o 3 m do 12 m. U ovakvim strukturama fizi~ki zakoi su dosta druga~iji od oih koji vladaju u makrosvetu, tako da do izraàja dolaze kvati efekti ~estica koje ~ie takav kristal. êsto ih azivaju i "ve{ta~kim atomima" zbog isoljeih sli~osti sa stvarim atomima. Kvate ta~ke sadrè maje-vi{e odre e broj elektroa, eergetski ivoi su im diskreti, a cetrali otecijal jezgra koji ostoji kod "ravih" atoma ovde je zameje ve{ta~ki stvoreim otecijalom. Postoji i dosta fizi~kih karakteristika o kojima se kvate ta~ke razlikuju od realih atoma. Jeda od jih je da su kvate ta~ke mogo ve}ih dimezija. Bita karakteristika kvate ta~ke je i da se jei arametri mogu ode{avati o èlji: kotrolisajem geometrije, elektrostatiti~kog "gejt" otecijala i rimeom magetog olja. Sli~o atomima, i kvate ta- ~ke mogu rimati i otu{tati elektroe, ri ~emu se asorbuju ili emituju fotoi. Oo o ~emu su kvate ta~ke zaimljive je mogu}ost jihovog kori{}eja kao trazistora koji rimaju ili otu{taju svega jeda ili ekoliko elektroa, tako da im je za rad otrebo daleko maje struje ego u ostoje}im komoetama. Pogodost je {to je orgaskim rovodicima mogu}e ovezivaje ovako sitih struktura. Trazistori zasovai a kvatim ta~kama }e mo}i da iz rovodog u erovodo staje re u za svega jedu ikosekudu, ali se korisost kvatih ta~aka e}e tu zavr{iti. Naime, kvate ta~ke su u staju da emituju svetlost ta~o odre ee talase duìe koja zavisi od jihove veli~ie. Na rimer, ~estica re~ika 6 m sjaji crvekasto, a 2 m {ira ~estica istog materijala svetlela bi lavi~astim sjajem. Poseba kvalitet ovoj vrsti kolora daju izvaredo ~isti toovi boja koje se emituju. Stoga se o~ekuje da }e se razviti ova tehologija ravljeja disleja (sl. 7.18) za koju veruju da }e u bliskoj budu}osti, ve} za koju godiu, zameiti daa{je high-defiito televizore. 161

Sl. 7.18. Struktura disleja sa kvatim ta~kama (uve}ao). Ovi disleji bi}e taki i veoma savitljivi i ima}e jasu sliku i ri ajja~oj su~evoj svetlosti. Tako e, ekrai u ovoj tehologiji ima}e {iri sektar boja od daa{jih televizora (uklju~uju}i i oe izva vidljivog sektra) i mogo o{trije kotraste slike. Ta ~isto}a za~i da }e disleji zasovai a kvatim ta~kama imati mogo zasi}eije boje ego LCD, OLED, a ~ak i od isu~eih ekraa od katodih cevi (CRT), koji imaju izvareda "rederig" boja. Oseg boja u takvom disleju bi}e ajmaje za 30% ve}i od oog u obi~im televizorima sa katodim cevima. Zbog toga }e dubiske ijase lave i lavozelee boje biti sasvim druga~ije ego a LCD, OLED i CRT dislejima. Druga redost QD-LEDS, kako se ovi ovi disleji oza~avaju (od Quatum Dot LED), bi}e mala otro{ja elektri~e eergije. Kod LCD moitora, ozadisko svetlo osvetljava svaki iksel ekraa. Pri tom, tami ikseli blokiraju svetlost, i zaravo, rasiaju eergiju. S obzirom da kvate ta~ke emituju svetlost, a e filtriraju je, QD-LED disleji }e koristi samo trideseti deo eergije koju koristi LCD ekra. Ovakvim karakteristikama se, ored takih disleja, otvaraju vrata izradi izuzeto brzih oti~kih svi~eva (teorijski do 15 Tb/s), ure aja za skladi{teje odataka, itd. Ostao je dalek ut da se re e do rizvodje sloèih sistema kori{}ejem ove tehologije, ali za uotrebu kvatih ta~aka vlada veliki iteres, tako da ~esto stiù vesti o ovim otkri}ima iz ove oblasti. 7.2.5. Komoete a bazi sia elektroa kubitovi kvati ra~uar Kao {to je ozato, sve {to se doga a u digitalim ure ajima svodi se a matemati~ke oeracije sa samo dva broja jediicom i ulom ogroma broj matemati~kih oeracija za veoma kratko vreme. Prilikom obavljaja bilioa i trilioa oeracija u sekudi, otro{ja elektri~e struje moè da bude zata. Velika otro{ja struje, a samim tim i zagrevaje, jeda je od ajve- }ih edostataka savremee elektroike, jer ostavlja odre ee graice u brzii i broju matemati~kih oeracija. Pored toga, trazistori daa{jice, remda aometarskih dimezija, i dalje su mamutski veliki u odosu a same atome, a osebo elektroe. Stoga odavo ostoji ideja o izradi "si trazistora" koji bi za ule i jediice koristili osobiu elektroa da se okre}e oko svoje ose jegov si. Otuda je ova tehologija azvaa "sitroika". Aorgaski si trazistori su ve} isrobai (r. sitroi~ki memorijski ~iovi ve} su u uotrebi u ekim ure ajima, kao {to su MP3 lejeri), ali bi orgaski ili lasti~i si trazistori bili ekoomi~iji za izradu, a omogu}ili bi stvaraje ra~uara jeftiijih i za red veli~ie brìh od daa{jih. 162

Jeda od ajaktuelijih tema u fizici i ra~uarskim aukama osledjih desetak-etaest godia jeste sku itaja i roblema vezaih za ojam "kvatog ra~uara". îtav iz ovih termia, out "kvate iformatike", "kvatog ra~uaja", "kubita", "kvatih ièjera" i sli~o kojima obiluje savremea stru~a literatura svedo~i o velikoj aktivosti a ovom lau. Mada se materijalizovaje ovakvih ra~uara e o~ekuje skoro, ojedii rakti~i koraci iak su aravljei. Uglavom, sve {to su za sada ekserimeti okazali svodi se a ostojaje mogu}osti ostvareja kvatog ra~uara. Za sada je au~icima o{lo za rukom da oveù dve kvate ta~ke, kotroli{u}i broj elektroa u ta~ki, kao i da su roa{li a~i da se o~itavaju vredosti siova elektroa. Prvi "reala" kvati ra~uar a~iili su istraìva~i BM-a kori{}ejem ukleare magete rezoace (sl. 7.19) za mereje i maiulaciju siom elektroa ekoliko ojedia~ih atoma. Me utim, ihereta estabilost sistema od ekoliko atoma u~iila je da "hardver" ovog ra~uara otraje svega ekoliko aosekudi. Za sada je kvati ra~uar, iak, samo teorija, a jegova fizi~ka realizacija oteàa je emogu}o{}u odràvaja atoma i joa u jedom ~istom staju. Sl. 7.19. Ure aj u kojem je ostvarea mageta rezoca kojom se uravljalo siom elektroa ekoliko ojedia~ih atoma. Svakako aj{okatije dostigu}e kvate fizike, koja je ostavila i moga filozofska itaja, bila je teorija o kojoj se atomi ili elektroi mogu a}i a dva mesta u isto vreme ili mogu ostojati u dva staja u isto vreme 4. Naime, 1985. godie David Deutsch, u ~uveom radu u "teratioal Joural of Theoretical Physics", koriste}i zakoe kvate fizike koji dozvoljavaju kvatim ~esticama da istovremeo budu u vi{e staja, ukazao je da ti zakoi dou{taju da eka ~estica u hioteti~kom kvatom ra~uaru osi vi{e od jedog bita iformacija. Kako sama re~ "bit" (skra}eica izraza biary digit biari broj) oza~ava broj u biarom zaisu (0 ili 1), koji ak odgovara jedoj iformaciji, za oisivaje staja sa vi{e iformacija uvede je "kvati bit", od. kubit (egl. qubit od quatum bit), kao osova jede ro{iree biare logike. 4 Subatomski svet kvate mehaike u kojem ~estice isu samo ~vrsta tela ego efizi~arima te{ko shvatljivi "oblaci verovato}e" moè izgledati eituitiva, ~ak i elogi~a. Stoga je jeda od ajve}ih fizi~ara XX veka, obelovac Richard Feyma, ia~e ideji tvorac kvatog ra~uara, rekao kako smatra da iko e razume kvatu mehaiku, te da se o toj teoriji jedio moè re}i da je israva (jemu se riisijue i slede}a izreka: "Svako ko tvrdi da razume kvatu teoriju, ili laè ili je lud"). 163

Jedo od kvatih staja je i si elektroa. Uravo se ravac sia koristi kao mera kvatog bita. Da bi se lak{e razumelo {ta je to kvati bit, odoso kubit, rvo }e se defiisati osovi ili jedii~i ravci sia, tj. osovi ili jedii~i kubit. Usvojeo je da se sa 1 oza~ava osovo (jedii~o) staje sia usmereog rema "gore", a sa 0 oog rema "dole" (sl. 7.20). Ozaka " " aziva se Dirakova ozaka. Tako e, usvojeo je da se smer kubita 1 oklaa sa smerom referetog magetog olja idukcije B, tako da kubit 0 ima smer surota od tog olja, sl. 7.21a. Ova staja se redstavljaju kao vr{e ta~ke tzv. Blohove sfere (sl. 7.21b, sl. 7.22 i sl. 7.23); severi ol je ekvivaleta kubitu 1, a ju`i ol kubitu 0. Sl. 7.20. Uz defiiciju kvatih brojeva. Sl. 7.21. Polo`aji jedii~og (osovog) kubita. 164

Sl. 7.22. Kubit iformacije ije biara osim staja 0 i 1, o moè odgovarati staju koje ije i staje 0 i 1, ali je suerozicija ovih dvaju staja, tj. moè biti omalo i 0 i 1, sa odre eom verovato}om za svako staje. Oo o ~emu se kvati bit razlikuje od "obi~og" bita ogleda se u slede em: u klasi~oj fizici bit moè ostojati u samo jedom od dva staja staju logi~ke ule (0) ili staju logi~ke jediice (1), dok kvati bit moè ostojati u oba staja istovremeo. Razlog tome je {to su kubitovi zasovai a osobii kvatomehai~kih objekata da im staje e moè biti ekslicito odre eo, s obzirom da se u kvatoj mehaici e govori o ta~om oloàju i staju ~estice kako je to uobi~ajeo u klasi~oj fizici, ve} se moè razmatrati samo verovato}a da se eka ~estica alazi u odre eom staju ili oloàju. Zato, ako je jeda bit kod klasi~ih ra~uara mogao uzimati vredosti 1 ili 0, jeda kubit iformacije ije biara osim staja 0 i 1, o moè odgovarati staju koje ije i staje 0 i 1, ali je suerozicija (zbir) ovih dvaju staja, tj. mo- è biti omalo i 0 i 1, sa odre eom verovato}om za svako staje (sl. 7.22). Drugim re~ima, u kubitu ima vi{e iformacija ego u klasi~om bitu. Dakle, kubit je kvata verzija bita koja moè da ima vi{e mogu}ih staja. Staja mogu biti redstavljea vrhom radijus vektora a Blohovoj sferi, sl. 7.22 i sl. 7.23. Ostale lokacije su kvate suerozicije od 0 do 1. Kubit moè u sebi da sadrì beskoa~o mogo iformacija, s obzirom da jegove koordiate mogu kodirati beskoa~u seriju brojeva, ali uvek izme u 0 i 1. Bilo koje drugo staje kubita se moè isati kao ψ = α 0 + β 1, (7.1) gde su α i β amlitude (komleksi brojevi), a ψ talasa fukcija. α i β su komleksi brojevi, takvi da im je zbir kvadrata modula jedak jediici. Kvadrati asolutih vredosti α i β redstavljaju verovato}u ojavljivaja ojediih staja rilikom mereja kvatog bita, odoso verovato}a da se merejem sueroiraog kvatog bita dobije 0 je α 2 (tada je β = 0), a verovato}a da se dobije 1 je β 2 (uz rimedbu da je tada α = 0). 165

Sl. 7.23. Blohova sfera (a) i rerezetacija kubita, fudametalog bloka kvatih ra~uara (b). Prema ared re~eom, kvati ra~uari bi se kocetualo razlikovali od svih ostalih. Umesto bitova, osovih jediica iformacije, oi bi koristili kvate bitove kubitove. Drugim re~ima, dok tradicioali ra~uari revode iformaciju u bitove koriste}i biare brojke 0 i 1, kvati ra~uari bi revodili iformaciju kao seriju kvatomehai~kih staja sia elektroa. Me utim, da bi takav ra~uar radio, eohoda je veliki broj kubitova koji su u me usoboj korelaciji, a tada se situacija veoma komlikuje. To je zbog toga {to je elektro osilac dve iformacije ( 0 i 1 istovremeo), tako da se sabirajem iterakcija elektroa dobija 2 mogu}ih vredosti za maiulaciju, koji su osledica komleksih amlituda α i β u (7.1), {to se vidi iz slede}eg: 1 kubit ima 2 komlekse amlitude (za 0 i 1 ); 2 kubita imaju 4 komlekse amlitude (za 0 0, 0 1, 1 0 i 1 1 ); 3 kubita imaju 8 komleksih amlituta (za 0 0 0, 0 0 1, 0 1 0, 0 1 1, 1 0 0, 1 0 1, 1 1 0 i 1 1 1 ); kubitova imaju 2 komleksih amlituda (za 0 0... 0, 0 0... 1 do 1 1... 1 ). Kao {to se vidi, sa ove}ajem broja vezaih elektroa eksoecijalo bi rasla "saga" kvatog ra~uara. Na rimer, sa 40 vezaih elektroa (40 kubitova) imalo bi se trilio istovremeih vredosti za maiulaciju. Sa 333 kubita istovremeo teorijski bi moglo da se obavlja do 10 100 oeracija u sekudi, {to je ezamisliva cifra koja revazilazi broj atoma u svemiru! (Sada- {jim suerkomjuterima bi za to bilo otrebo ekoliko kvadrilioa godia!) Uravo veliki otecijal kvatih ra~uara leì u ~ijeici da su teorijski sosobi da izvr{avaju ogroma broj istovremeih rora~ua, ali je to i eohodo, s obzirom da se u kvatim ra~uarima i{ta e}e dogoditi sa 100% ili 0% verovato}e, odoso e moè se redvideti rezultat dok se o uistiu e dogodi (stoga mora da ostoji tako ogroma broj oeracija da bi se dobio ta~a rezultat izra- ~uavaja). Prototiovi kvatih ra~uara ve} ostoje, ali rade sa samo 7 kubitova. Da bi kvati ra~uar mogao zameiti sada{ji, biari, treba raditi sa barem milio kubitova. * * * * Umesto kometara, za kraj sketi~a aomea: kad se ogleda, recimo, izuzeto veliki broj ovih radova u vode}im au~im ~asoisima, ili jedostavo izvr{i retraìvaje tereta od "quatum comutig", ~ovek bi mogao ste}i, aravo sasvim ogre{a, utisak da, eto, kvati ra~uari samo {to isu, ~ekaju iza }o{ka, jo{ koju godiu da re{imo "site tehi~ke ote{ko- }e", i eto ama uìvaja u eslu}eoj (o klasi~im digitalim merilima) ra~uarskoj mo}i. Ni{ta 166

ije dalje od toga! âk i ajubedljiviji otimisti (oi, koji sebe azivaju "kvatim ièjerima" i roklamuju da se bave "kvatim hardverom") e smatraju da }e kvati ra~uar biti kostruisa tokom aredih 10 godia. Realisti bi verovato zaklju~ili da je (u odsustvu globalih oliti~kih i ratih lomova) 50 godia bolja rocea. Osim toga, jasa slika budu}eg kvatog ra~uara jo{ e ostoji, ~ak se e moè utvrditi i da li }e o mo}i da se koristi oako kako se koriste daa{ji ra~uari. Ostalo je mogo osla oko dokazivaja ostavljeih teorija u raksi, a je staje u razvoju kvatih ra~uara ajbolje oisao sam Rejmod Laflejm, jeda od vode}ih istraìva~a a tom olju: "Kada sam otimisti~ki rasoloè, mislim da }emo imati kvati komjuter za 20, 30, mo`da 40 godia. Ali, kada me uhvati esimisti~ko rasoloèje, mislim da je kvato ra- ~uarstvo blesavo!". 7.2.6. Komoete a bazi fotoa fotoski ra~uar Naredak u elektroskom smislu, ovakav kakav daas zamo, ve} vi{e od 155 godia diktiraju elektroi. ako }e oi i ubudu}e astaviti da am sluè kao reosioci elektri~e eergije, ~ii se da }e jihovu rimeu, rvestveo u ra~uarima, a verovato i u ostalim tehi~kim ure ajima, zameiti fotoi. Razlozi za ovu "smeu geeracija" ve} sada ostaju svakim daom sve vi{e evideti. Naime, elektro je jedostavo "revelik", resor i revru}. Daas su ve} veze u rocesorima ekoliko desetia aometara. Pored ~ijeice da je roizvodja jo{ tajih veza sve skulja, bi}e gotovo emogu}e izbe}i "reskakaje" elektroa izme u susedih veza. S druge strae, foto gotovo da ema masu i moè da osi vi{e odataka u jedom sou zaviso od frekvecije, i to bez zagrevaja. Na kraju, fotoi su ajbrè ~estice ozate ~oveku, s obzirom da utuju brziom svetlosti. Najimresivija rimea fotoa umesto elektroa bila bi u rocesorima, odoso u fotoskim ra~uarima. Kod fotoskog ra~uara, ili bolje re~i "komjutera budu}osti", svaki deo koji se treuto oslaja a elektroe bi}e zameje oti~kim adaom. Naravo, elektroski rekida~i }e i dalje ostati vaà deo ra~uara. Takvi ra~uari }e biti ouzdaiji, jeftiiji i mogo maji od ra~uara koje ozajemo daas. Zaravo, dizajeri redvi aju da }e ovi ra~uari re li~iti a frizbi ego a sada{je ra~uare. Naravo, oo {to svakog korisika ajvi{e zaima, a to su erformase ra~uara, dosti}i }e ivo daa{jih suerkomjutera. Ra~uar takve sage, toliko jefti da }e svako mo}i da ga riu{ti i toliko mali da }e se mo}i ositi svuda sa sobom, osta}e ezamejiva alatka u ìvotu svakog moderog ~oveka. To za~i da a oslu e}e biti otrebe da se ima drugi komjuter, ve} }e se samo sustiti sostvei ra~uar a sto i o }e ve} biti oveza s mreòm! Uravlja~ki iterfejs ovog ra~uara bi}e glas korisika i deskto. Povr{ia samog stola (egl. deskto) bi}e veliki touch scree koji }e zameiti daa{je moitore, tastature i mi{eve. Pored toga {to }e reozavati glas, ovi ra~uari }e imati i vlastiti sitetizator glasa, tako da }e mo}i da ro~itaju ristigle oruke ili da as uozore a termie iz odsetika. Da e bismo morali da briemo za bezbedost svojih odataka, a samom ku}i{tu staja}e biometri~ki sezor za o~itavaje otisaka rstiju. Otklajajem metalih veza koji se zagrevaju i sre~avaju ove}aje takta, brzia rocesora re}i }e 100 GHz (eki redvi aju ~ak i reko THz). Za razliku od sada{jih rocesora koji su ~etvorougaoi, rocesor u ra~uaru budu}osti ima}e izgled ravilog {estougla. Dok je ~etvrtasti oblik daa{jih rocesora rezultat otrebe za miijaturizacijom i maksimalim iskori{- }ejem silicijumske lo~ice, arede geeracije bi}e {estougaoe da bi svaki deo rocesora mogao {to brè da komuicira sa ke{ memorijom koja }e ga okruìvati out rstea. Veoma roste verzije otoelektroskih itegrisaih kola ostoje ve} sada, ali su jo{ uvek daleko od steea koji 167

je otreba za roizvodju rocesora sa èljeim secifikacijama. Po treutim roceama, otoelektroski rocesori }e se ojaviti tek za deset godia. Da ova vrsta rocesora redstavlja budu}ost okazao je i tel, kada je kuio dasku komaiju GGA, jedog od ajve}ih svetskih roizvo a~a otoelektroskih kola. Ali, roizvo a~i se e}e zaustaviti samo a otoelektroskim rocesorima, ve} }e ubrzo araviti i oti~ke rekida~e, tj. otuo oti~ke rocesore. Otika }e ubrzati jo{ jedo usko grlo daa{jih ra~uara magistralu. Dok su treuto ajbrì ra~uari ve} robili barijeru od ekoliko GHz, oti~ka magistrala }e bez roblema raditi a taktu rocesora 100 GHz. Za brziu magistrale vezaa je i brzia RAM memorije. Ra~uari }e imati veliki ke{ od ultrabrzog magetog RAM-a, dok }e osova sistemska rada memorija biti oti~ki, tj. holografski RAM. Kod daa{je memorije od silicijumskih elemeata osveàvaje, zbog kostrukcije, traje redugo. S druge strae, mageti RAM ~ie mali aelektrisai molekuli. Osveàvaje ove memorije vr{i}e se jedostavim elektri~im imulsom i dostiza}e brziu od 100 GHz. Sama brzia magete memorije omogu}i}e da se u ra~uare stavlja ~ak 1 GB ke{a. Naàlost, mageta memorija je jo{ uvek u ekserimetalom stadijumu razvoja, a rocee istraìva~a iz vrhuskih laboratorija je da }e do komercijalo ristua~e magete memorije ajverovatije morati da se ~eka vi{e od deset godia. Ako }e ra~uar imati gigabajt ke{a, koliko }e imati RAM-a? O~ekuje se da }e stadarde kofiguracije imati i vi{e od 256 GB otuo oti~kog, odoso holografskog RAM-a. Po{to }e komjuteri budu}osti biti zasovai a fotoima, a e a elektroima kao daa{ji, tro{i}e mogo maje elektri~e eergije. Ovi ra~uari }e, ored kovecioalog aajaja, imati i bateriju ugra eu u obod ku}i{ta, koja }e dozvoljavati ekoliko edelja rada bez riklju~ivaja a elektri~u mreù. 7.2.7. Biokomoete DNK ra~uari Ljudski mozak je masivi araleli ra~uar sosoba da srovede 100 milioa istrukcija u sekudi. Za uore eje, otrebo je 100000 Petiujumovih ~iova sojeih u aralelu da dostigu broj istrukcija o sekudi koje reosi ljudski mozak. Povr{ia Petijumovog rocesora je oko 1 cm 2. Molekularo-elektroski ekvivalet Petijuma bio bi veli~ie 10 μm 2. Stoga, egde jo{ dalje a utu budu}osti su i biokomoete, koje bi umesto elektroa koristile imulse koji rolaze kroz eurosku mreù, a sli~om riciu kako radi ìv~ai sistem i ~ove~ji mozak. Premda biora~uar ostoji samo a airu, ve} se daas eke orgaske materije mogu koristiti za obolj{aje karakteristika ostoje}ih ra~uara. Ve} je aravlje rototi bioeuroskog memorijskog sistema budu}osti, koji koristi digitale osobie molekula orgaske materije. U tu svrhu kori{}e je molekul roteia bakteriorodosia, koji se sa osebim gelom akuje u ure aj duguljastog oblika duìe samo 2,5 cm. Prekomlikovao je obja{javati rici a kojem ova memorija fukcioi{e, ali je eohodo aglasiti da joj je kaacitet 1 terabajt odataka, uz brziu obrade i ristua od 80 Mbit/s. ako budu}i kvati i fotoski ra~uari imresioiraju svojom brziom i veli~iom, ravi rekorderi u svetu aokomjutera bili bi DNK ra~uari. Oi bi mogli da obave vi{e stotia hiljada milijardi oeracija u sekudi i bili bi reko sto hiljada uta brì od ajbrìh ozatih silicijumskih ra~uara. Ovde bi se koristio veliki aredak koji su osledjih godia doìvela istra- ìvaja a olju geetike, aro~ito tokom rojekta de{ifrovaja ljudskog geoma. Naime, koristilo bi se sazaje da su uutar svakog }elijskog jezgra uskladi{tee ogrome koli~ie geetskih iformacija, a da je "skladi{te" ovih iformacija DNK molekul dezoksiriboukleiske kiselie, izuzeto dug molekul uvije u dvostruku zavojicu koji redstavlja osovi deo hromozoma a kome su rasore ei gei kao segmeti du` DNK laca. Ezimi, roteii koji se alaze u jezgru, izazivajem odre eih hemijskih romea i raslitajem DNK molekula, obavljaju "~itaje" i- 168

formacija zaisaih u DNK molekulu. Ovaj molekul ima everovata memorijski kaacitet u jedom kubom cetimetru zaremie, DNK moè sadràti vi{e iformacija ego milio muzi- ~kih diskova. Me utim, rirode biohemijske DNK ra~uare te{ko je kotrolisati emogu}e je isrovocirati }elijsko jezgro jedog drveta da, a rimer, re{ava itegrale. ak, rototi DNK ra~uara a~ije je jo{ 1994. godie u Kaliforiji, kada su, uotrebom DNK molekula i ezima, au~ici rvi ut useli da re{e eke jedostavije matemati~ke robleme. Od tada, vi{e istraìva~kih grua {irom sveta dizajiralo je ekoliko DNK ra~uara, koriste}i DNK kao softver, a ezime kao hardver. U tome su ajdalje oti{li istraìva~i sa Vajcma istituta u zraelu. Oi su edavo a~iili ajmaji biora~uar ikad kostruisa 15000 milijardi "elektroskih komoeata" ovog ra~uara alazi se u samo jedoj kai vode. Pri tom, ra~uar e koristi ikakav solja{ji izvor eergije sama DNK zavojica obezbe uje svu eergiju otrebu za jegov rad. * * * * * * * * * Na kraju, e moè se ouzdao re}i kada }e omeute "komoete budu}osti" u otuosti zameiti daa{je elektroske komoete, u rvom redu olorovodi~ka itegrisaa kola i rocesore. Oo {to je evideto, jeste ~ijeica da vode}e roizvo a~ke komaije rocesora (tel i AMD) i dalje ulaù zata materijala sredstva (re~ je o milioima i milioima dolara) za obolj{aje ili razvijaje ovih rocesora a bazi silicijuma, {to bi trebalo da bude sigal da }e ova tehologija i dalje biti domiata. Kao rimer, a sl. 7.24 su rikazai ~etvojezgari rocesori ove geeracije iz ovih dvaju firmi, romovisai 2008. godie. tel: 45 m-ski rocesor tel: 32 m-ski rocesor AMD: 45 m-ski rocesor Sl. 7.24. Nove geeracije (iz 2008. godie) vode}ih svetskih roizvo a~a rocesora. 169