ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY FyS-Pn-P020-Polovodicove_soucastky ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 1. BEZ PN PŘECHODU Termistor Pod pojmem termistor se rozumí rezistor, jehož odpor je značně závislý na teplotě. Podle toho, zda teplotní součinitel odporu je záporný nebo kladný, se rozlišují termistory NTC nebo PTC. NTC – funguje na principu vlastní vodivosti PTC – silná závislost permitivity  na teplotě u feroelektrických látek Termistory se používají zejména v měřicí nebo kompenzační technice – měření či regulace teploty. Charakteristika a schematická značka termistoru NTC Charakteristika a schematická značka termistoru PTC

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 1. BEZ PN PŘECHODU Fotorezistor Mění svůj odpor pod vlivem světelného záření vzhledem k existenci vnitřního fotoelektrického jevu: Světlo, podobně jako tepelné záření, je elektromagnetické vlnění, jehož frekvence je jen o něco vyšší. Vstoupí-li fotony do polovodiče, který je citlivý na světlo, budou v krystalové struktuře vytvořeny vlivem přírůstku jejich energie další volné nosiče náboje. Fotorezistory se mnohostranně využívají v měřicí a regulační technice – měření či reakce na změnu osvětlení Charakteristika a schematická značka fotorezistoru

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 1. BEZ PN PŘECHODU Varistor Rezistor s velmi nelineárním průběhem odporu (viz obr.). Varistor je nejčastěji vytvářen zrny karbidu křemíku, které v těle součástky vytvářejí „síť“ antiparalelně zapojených diod. Tak dostaneme charakteristiku, která má v obou polaritách podobný charakter jako dioda polovaná v přímém směru. Varistory se používají k omezování nebo stabilizaci napětí – otevření až při určitém napětí (užití např. jako přepěťová ochrana spotřebičů –> zásuvka se zelenou kontrolkou) Charakteristika a schematická značka varistoru

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 1. BEZ PN PŘECHODU Magnetorezistor Rezistor, jehož odpor je závislý na magnetické indukci. Nejčastěji obsahuje antimonid india s jehličkami antimonidu niklu, které se dostanou do látky při výrobě speciálním teplotním programem tuhnutí. Vlivem magn. pole se nosiče náboje pohybují podélně či příčně přes jehličky –> rozdílní dráha –> různý odpor. Magnetorezistor se často používá jako snímač u různých čítacích zařízení (magnet probíhá okolo magnetorezistoru, není třeba mechanický spínač, který by se „ocvakal“ – např. lepší tachometry na kole, zapalování u automobilu –> cca 6000 sepnutí za minutu) Charakteristika a schematická značka magnetorezistoru

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 1. BEZ PN PŘECHODU Hallova sonda Hallův jev - vznik příčného elektrického napětí UH v polovodičové destičce, protéká-li jí v podélném směru elektrický proud I a je-li destička v magnetickém poli o indukci B, orientovaném kolmo k ploše destičky (viz obr.). Vzniklé napětí je přímo úměrné magnetické indukci –> Hallova sonda = měřicí sonda magnetismu. Užití jako snímač u různých čítacích bezkontaktní zařízení. Např. zapalování u automobilů (jako magnetorezistor), též určení natočení motorů (např. plotny harddisku)… Hlavní funkce: měřič magnetické indukce. Geometrické uspořádání měření

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 1 PN PŘECHODEM Polovodičová dioda Polovodičová dioda je nelineární součástka s usměrňovacím účinkem. Polovodičová dioda je vytvořena polovodičovým krystalem, který je na jedné straně dotován P a na druhé N. Princip založen na základní vlastnosti PN přechodu – hradlové vrstvě. Užití: ochrana proti přepolování, usměrnění (jednocestné, dvojcestné), násobič napětí (tvorba vysokého napětí důmyslně zapojenými diodami a kondenzátory –> televize s CRT obrazovkou), logický člen (dvě diody zapojené do stejného uzlu –> slučuje jako logická spojka OR)… Teoretická a skutečná charakteristika polovodičové diody, schematická značka

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 1 PN PŘECHODEM Zenerova dioda U stabilizační Zenerovy diody se v oblasti kolem závěrného napětí až 1000 V (podle typu) objevuje náhle průběh se značně malým odporem. Tento průraz je vratný a nezničí diodu (na rozdíl od diody klasické – usměrňovací) Užití: stabilizace napětí (díky prudkému nárůstu proudu s téměř zanedbatelným nárůstem napětí), referenční zdroje napětí, napěťový spínač. Charakteristika Zenerovy diody v závěrném směru, srovnání křemíkové a germaniové, schematická značka

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 1 PN PŘECHODEM Fotodioda Závěrný proud je závislý na osvětlení, tj. fotodioda mění závěrný proud úměrně k osvětlení. Na obrázku dole je znázorněna soustava charakteristik s parametrem osvětlení E, v luxech (lx). Osvětlení emituje v PN přechodu nosiče, které rekombinují v oblastech dotování –> vznik iontů příměsí na PN přechodu. Těžiště použití je v oblasti světelných čidel a přenosu informace (světelné kabely), v případě velkých rozměrů PN přechodu jsou fotodiody použity jako fotovoltaické články. Charakteristika fotodiody v závěrném směru v závislosti na osvětlení, schematická značka

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 1 PN PŘECHODEM Světelná emisní dioda (LED) LED emituje světlo, jestliže je provozována v přímém směru. V propustném směru vzniká poměrně velký tok majoritních nosičů a v závěrné vrstvě dochází ke zvýšené rekombinaci. Nosiče náboje při rekombinaci přecházejí z vodivostního pásu do energeticky nižšího valenčního pásu, což probíhá ve formě světelné emise. Elektrická energie se přímo mění ve světelnou. LED se používá v oblasti zobrazování dat - zobrazované symboly jsou vytvářeny ze světelných segmentů uspořádaných ve formě matice. Dále slouží jako nízko příkonové světelné zdroje, nebo jako součást optických oddělovačů (jeden blok „bliká“ informaci na druhý, který ji přijímá – vše v jediném integrovaném obvodu, díky tomu jsou oba elektrické okruhy zcela galvanicky oddělené –typicky některé vstupy a výstupy PC s okolím) Technické řešení čipu LED, schematická značka

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 1 PN PŘECHODEM Kapacitní dioda (Varicap) Přechod pólovaný v závěrném směru představuje dielektrikum (chybí v něm nosiče nábojů). Na obou stranách závěrné vrstvy jsou poměrně vysoce vodivé polovodičové oblasti P a N, působí toto uspořádání - dielektrikum mezi dvěma vodivými vrstvami (deskami) - jako kondenzátor s určitou kapacitou. Tuto kapacitu lze měnit velikostí připojeného závěrného napětí.  Běžné kapacitní diody mají rozsah kapacit od jednoho do několika set pF a používají se místo běžných otočných kondenzátorů v rozhlasových nebo televizních přijímačích. Také se používají k automatickému dolaďování nebo regulaci vysokofrekvenčních obvodů. Díky určité kapacitě trvá při přepólování této diodě než se otevře či zavře (dáno kapacitou) –> tvarování, zpožďování nebo násobení impulsů. Závislost kapacity na závěrném napětí, schematická značka

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 2 PN PŘECHODY TRANZISTOR Tranzistor je polovodičová zesilovací součástka, která je často zhotovena z germania nebo křemíku. Můžeme jej řídit nízkým signálovým výkonem a na výstupu dostaneme větší signálový výkon (řízený vstupním signálem). K tomuto účelu musí být k dispozici zdroj stejnosměrného napětí. Tranzistor se od svého předchůdce tzv. elektronky liší tím, že nemá žhavení, vyznačuje se velkou strmostí charakteristik při malých zbytkových napětích, předností je i malý+kompaktní tvar a odolnost proti mechanickým otřesům. B E C Typ NPN („šipka ven“) Typ PNP B – báze E – emitor C - kolektor

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 2 PN PŘECHODY TRANZISTOR Přechod B-E (báze-emitor) je zapojen v propustném směru. Naopak přechod C-E (kolektor-emitor) je nepropustný. Průchod proudu v obvodu B-E způsobí „vstříknutí“ elektronů z emitoru do báze. Ta je však velmi slabá a tak nedojde k výrazné rekombinaci. „Zasycení“ báze způsobí průchod proudu mezi C-E. Malý proud do báze jen doplňuje zrekombinované nosiče náboje v bázi, velký proud přes kolektor do emitoru je bázovým proudem ovlivňován: Základní zapojení tranzistoru tzv. zapojení se společným emitorem Zesilovací činitel:

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 2 PN PŘECHODY TRANZISTOR-ový zesilovač Kondenzátor CB nechá „projít“ pouze střídavý signál (např. muziku). Rezistor RB společně s odporem PN přechodu (B-E) určuje tzv. pracovní bod tranzistoru (bází musí procházet proud jen jedním směrem – jen se zvětšovat či zmenšovat) Jednostupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem Kondenzátor CK nechá „odejít“ pouze střídavý signál (stejnosměrný proud by jen zbytečně zahříval cívku připojeného reproduktoru, ale netvoří muziku). Rezistor Rk chrání PN přechod C-E před velkým proudem a též procházející proud na něm vytváří napětí, které je doplňkem Uvýstupní do napájení +E. Všimněte si, že zvětšení vstupního napětí na bázi znamená „otevření“ tranzistoru, tj. větší proud mezi C-E, tím větší napětí na Rk, tedy zmenšení výstupního napětí Uvýstupní. Tento zesilovač tedy vstupní signál na výstupu invertuje.

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 2 PN PŘECHODY charateristiky TRANZISTORu Čtyři základní charakteristiky jsou vyneseny v obrázku vpravo (bázový proud je brán jako parametr). Pozor na orientaci os, včetně veličin na nich vynesených! V každém z kvadrantům je jedna z charakteristik, které by normálně mohly být čtyřmi samostatnými grafy. Ic na Uce = V-A charakteristika tranzistoru (přechodu C-E); tzv. výstupní charakteristiky naprázdno Ic na IB = proudové zesílení, sklon lineární oblasti je zesilovací činitel; tzv. proudové převodní charakteristiky nakrátko Charakteristiky bipolárního tranzistoru v zapojení se společným emitorem UBE na IB = V-A charakteristika přechodu (diody) B-E; tzv. vstupní charakteristika nakrátko UBE na UCE = závislost vstupního napětí na výstupním; tzv. zpětné napěťové převodní charakteristiky naprázdno

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 2 PN PŘECHODY TRANZISTOR Použití: 1. Jako zesilovač signálu - na bázi se přivádí malý řídící proud, kterým se ovládá velký proud v kolektorovém obvodu - viz zesilovač. 2. Jako spínač - neprochází-li proud bází, je tranzistor zavřený a funguje jako rozepnutý spínač. Při průchodu určitého proudu bází se tranzistor otevírá a funguje jako sepnutý spínač. 3. V logických obvodech a některých pamětích. TRANZISTOR JE ZÁKLADNÍM STAVEBNÍM KAMENEM SLOŽITĚJŠÍCH OBVODŮ A INTEGROVANÝCH OBVODŮ (ANALOGOVÝCH I DIGITÁLNÍCH)

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 2. S 2 PN PŘECHODY FOTOTRANZISTOR Jestliže tranzistor vyřešíme konstrukčně tak, že přechod báze-emitor bude možné využít jako fotodiodu, vznikne kromě vnitřního fotoelektrického jevu také zesilovací jev. Mluvíme pak o fototranzistoru. Trigistor (diak) Je to tranzistor bez vyvedené báze, který bývá používán jako spouštěcí dioda. Má obdobnou charakteristiku jako varistor, pouze přechody ze závěrného do propustného stavu (které jsou zde však způsobeny Zenerovým jevem) se vyznačují krátkodobě oblastí záporného odporu (záporný sklon charakteristiky). Často je tato součástka nazývána diak, avšak nejčastěji pod označením diak rozumíme obousměrný diodový tyristor (viz dále).

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 3. S více PN PŘECHODY TYRISTOR Tvořen 3 PN přechody 3 vývody: A – anoda K – katoda G - gate Pro pochopení principu použijeme tzv. náhradní schéma s dvěma tranzistory

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 3. S více PN PŘECHODY TYRISTOR Náhradní schéma s dvěma tranzistory: Pokud na G není nic připojeno obvodem od A ke K neprochází proud. Připojením napětí na G otevře proud IG tranzistor NPN, tím může procházet proud IC2, který otevře i tranzistor PNP. Po jeho otevření jím začne protékat proud IC1, který se stane „udržovacím“ proudem IG. Po sepnutí tyristoru pulzem na řídicím vývodu G se tyristor sepne a již jej nelze zavřít (není signálu na G třeba). Jak tedy tyristor opět rozepnout??? Náhradní schéma tyristoru a jeho charakteristika

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 3. S více PN PŘECHODY TYRISTOR Tyristor je typickým spínacím prvkem – buď je otevřený nebo zavřený. Není možné jím regulovat průtok proudu jako tomu bylo u tranzistoru. Zavření tyristoru je možné: záporným pulzem na G (ten odvede proud určený do báze NPN tranzistoru) rozepnutím proudu v obvodu A-K

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 3. S více PN PŘECHODY TYRISTOR - použití Tyristorová regulace výkonu – oproti dříve používané reostatové regulaci má tyristorová regulace jednu velkou přednost – úsporu elektrické energie (odpadá problém se ztrátovou přeměnou elektrické energie na teplo – spotřebič je buď sepnut nebo vypnut, nikoliv „škrcen“ regulačním prvkem) Jsou jí vybaveny např. lokomotivy, nové tramvaje, vrtačky, stmívače světel… Teoretický průběh okamžitého výkonu Okamžik sepnutí proudu skrz spotřebič Rozepnutí tyristoru nulovým proudem mezi A-K Celkový výkon za danou půlvlnu Skutečný průběh okamžitého výkonu t p 50 % 20 % 90 %

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 3. S více PN PŘECHODY* DIAK Diak je třívrstvá polovodičová součástka se dvěma přechody, které navzájem oddělují vrstvy s opačným typem vodivosti. Při své činnosti využívá vlastností nedestruktivního lavinového průrazu v závěrně polarizovaném přechodu PN. Protože v sepnutém stavu má značný úbytek nehodí se pro trvalé spínání. Výhodou je fakt, že se dá sepnout i vypnout relativně malou změnou napájecího napětí. Využívá se k vytváření proudových impulsů pro spínáni tyristorů a triaků. Schéma tyristorové regulace s použitím diaku. * Diak sice patří mezi součástky s dvěma PN přechody, ale až zde je možné se o něm zmínit.

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 3. S více PN PŘECHODY TRIAK Triak (přesnější název obousměrný triodový tyristor) je pětivrstvá součástka PNPNP, resp. NPNPN se třemi vývody. Princip činnosti pětivrstvé struktury si lze vysvětlit, představíme-li si ji jako antiparalelní zapojení dvou čtyrvrstvových struktur (tyristorů). Přivedením řídícího signálu mezi svorky G a A1 dojde k sepnutí triaku, přičemž řídicí proud může být jak kladný, tak i záporný a to při obou polaritách napětí mezi svorkami A1, A2. Triaky jsou vhodné zejména pro řízení a spínání střídavého proudu, a to zejména v aplikacích s činnou zátěží nebo tam, kde zátěž nemá velkou induktivní složku.

ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY 3. S více PN PŘECHODY INTEGROVANÝ OBVOD Pojem integrovaný obvod vznikl spojením obou pojmů z různých technických oborů — pojmů "integrace", tj. spojení několika aktivních a pasivních prvků v jeden celek a "obvod", tj. zapojení sestavené z elektrických součástek, které vykonává určitou elektrickou funkci. Hlavní výhody integrovaných obvodů jsou zejména: malý objem malá hmotnost malý příkon větší spolehlivost větší odolnost proti rušivým vnějším vlivům

Zdroje a použitá literatura: [1] TONHAUSEROVÁ, Markéta. Učební texty pro výuku předmětu mikroelektronické systémy [online]. Ostrava: VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA [cit. 2012-10-22]. Dostupné z: http://352lab.vsb.cz/ServerFinalVer/Tonhauser/index.html [2] KEKULE, Jaromír. Elektřina a magnetismus [online]. 2004, 14. 9. 2004 [cit. 2012-10-22]. Dostupné z: http://elektross.gjn.cz/ [3] Tyristorová regulace výkonu. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-10-22]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Tyristorová_regulace_výkonu [4] Polovodičová součástka. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-10-22]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Polovodičová_součástka [5] Integrovaný obvod. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-10-22]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Integrovaný_obvod