Elektronika | Felsőoktatás » Visontay Péter - Elektronika összefoglaló

Elektronika összefoglaló Visontay Péter (sentinel@sch.bmehu) 2001. június Alapfogalmak Az áramvezetésben kétfajta részecske vesz részt, a vezetési elektronok és a lyukak. Vezetési elektronok: Azok az elektronok, amik az áramvezetésben részt vesznek (ezek a vezetési energiasáv ban vannak) Lyukak: Ha egy elektron átkerül a vegyértéksáv ból az vezetési sávba, a helyén egy lyuk keletkezik. Tiltott sáv: A vegyértek- és a vezetési sávok között lévő sáv. Generáció: Ha egy elektron vezetővé válik, és a helyén lyuk keletkezik. Rekombináció: Ha egy elektron találkozik egy lyukkal, és megszünteti azt. Adalékolt félvezetők: az adalékolás célja, hogy a töltéshordozók számát megnöveljük. Az n-tı́pusú anyag: elektronokat ”adunk hozzá” az anyaghoz, ı́gy az elektron lesz a többségi, a lyuk pedig a kisebbségi hordozó (donor adalékolás). A p-tı́pusú anyag:

lyukakat ”adunk hozzá” az anyaghoz, ı́gy a lyuk lesz a többségi, az elektron pedig a kisebbségi hordozó (akceptor adalékolás). Termikus egyensúly: − A rekombináció megegyezik a generációval. − A Fermi szint állandó. − Az elektron vagy lyukkoncentráció a tömeghatásból számı́tható. − Nincs elektronáram és lyukáram (csak rendezetlen termikus mozgás). Áramok félvezetőkben: Sodródási áram: a töltéshordozók elektromos erőtér hatására történő mozgása. Diffúziós áram: a részecskék a térbeli koncentrációkülönbség megszüntetésére irányuló mozgása. A pn átmenet A pn átmenet: egy félvezető olyan része, ahol egymás közvetlen szomszédságában egy p és egy n adalékolású zóna helyezkedik el. Kiürı́tett réteg (tértöltésréteg): A pn átmenet két oldalán (közel az átmenethez) olyan réteg áll elő, ahol a

töltéshordozók száma nagyon kicsi − ez a kiürı́tett réteg. A pn átmenet mint egyenirányı́tó: Nyitófeszültség: ha a p oldalra pozitı́v potenciált kapcsolunk az n oldalhoz képest. Ilyenkor a feszültségtől exponenciálisan függő áramok folynak. Ilyenkor mindkét oldal többségi hordozói haladnak a másik oldal felé (tehát elektronok a p oldal felé, lyukak az n oldal felé), és a kiürı́tett réteg szélessége csökken. Zárófeszültség: az előbbivel ellentétes feszültség. Ilyenkor nagy feszültségekig alig folyik áram, de a letörési feszültség (VDR ) elérésekor hirtelen megnövekszik. Ilyenkor mindkét oldal kisebbségi hordozói haladnak a másik oldal felé (fordı́tva, mint a nyitófesznél), és a kiürı́tett réteg szélessége nő. Dióda hőmérsékletfüggése: nagyon erős a hőmérsékletfüggése. Nyitófesz: 1C növekedés hatására 2mV

-tal csökken. Zárófesz: az adott feszhez tartozó záróáram fokonként 7-10 százalékkal nő. 1 Dióda: egy darab pn átmenetből áll. A dióda nagyjelű modelljei: − Egyenáramú viselkedést modellezik. − Általában nemlineárisak, tartalmaznak egyszerűsı́tést. A dióda kisjelű modelljei: − Adott munkapontban a kis megváltozásokat ı́rják le. − Általában lineáris modellek, a munkapontban a karakterisztikát érintővel helyettesı́tik. Rekombinációs áram: nyitófeszültség hatására megnövekszik a rekombináció a diódában és növekszik az áram. Generációs áram: zárófeszültségnél megnő a generáció. Diódás feladat megoldása: Ha egy bipoláris tranzisztoros feladatban dióda van, akkor úgy kell számolni, hogy a diódán áramtól függetlenül mindig ugyanakkora feszültség esik (ez a diódafeszültség, és általában meg van adva).

Teljesı́tmény: (dióda vagy ellenállás esetén) P = U I = I 2R A bipoláris tranzisztor A bipoláris tranzisztor: két darab egymáshoz közel lévő pn átmenetből áll (általában npn szerkezetű, de lehet pnp is) Struktúrája: egy n-adalékolt alaplemez (kollektor) tetején egy kisebb részt p-adalékolnak (bázis), majd ennek tetején egy még kisebb részt n-adalékolnak (emitter). Jelölése: egy szakasz, aből három egyenes jön ki: merőlegesen rá a bázis, és 45-45 fokban az emitter és a kollektor. Az emittert mindig egy nyı́llal jelöljük, ez npn struktúránál kifelé, pnp-nél befelé mutat. Átmenetek: a kimenetek közötti átmenetek jelölése: EB (emitter-bázis), EC (emitterkollektor), CB (kollektor-bázis). Ezek mindegyikéhez tartozik áram és feszültség Vezérlés: a bipoláris tranzisztort árammal vezéreljük. Tranzisztorműködés feltételei: (mi kell ahhoz, hogy 2 pn

átmenet tranzisztorként működjön?) 1) Az emitter nagyságrendekkel jobban adalékolt legyen, mint a bázis. 2) A bázis nagyon vékony legyen. Tranzisztor működési módjai: 1) Normál aktı́v: az EB átmeneten nyitófeszültség, a CB-n zárófeszültség. 2) Inverz aktı́v: az EB átmeneten zárófeszültség, a CB-n nyitófeszültség. 3) Telı́tés: az EB és CB átmenet is nyitófeszültséget kap. 3) Lezárás: az EB és CB átmenet is zárófeszültséget kap. Ebers-Moll modell: − A tranzisztor helyettesı́tése áramgenerátorokkal és diódákkal. − Teljesen szimmetrikus, a tranzisztor minden működési módját leı́rja. − A leggyakrabban használt nagyjelű modell. − Annyira pontos, amennyire a benne használt pn átmenet modell. Tranzisztor karakterisztikája: az áram a feszültség függvényében (diagram). Tranzisztor egyenletei: (itt B az erősı́tési tényező, IX pedig a

tranzisztor X lábán folyó áram.) 2 IC = IB B IE = IB (1 + B) = IB + IC (Ezek telı́tési üzemmódban nem érvényesek!) Telı́tési állapot: Ha egy tranzisztoros feladatban meg van adva UCES , az azt jelenti, hogy a kollektor és emitter közti feszültség legfeljebb ennyi (azaz UCE maximum UCES lehet). Ilyenkor ki kell számolni a feladat alapján kijövő UCE -t, és ha ez nagyobb UCES -nél, akkor a tranzisztor telı́tési állapotban van, és UCES lesz a jó eredmény. Térvezérelt tranzisztorok Térvezérelt tranzisztor: olyan ellenállás, melyek értékét a rajta átfolyó áramra merőleges feszültséggel vezéreljük. Tulajdonságok: − Bemenő áramuk kb. 0 − Kis teljesı́tmény és helyigény. − Csak a többségi töltéshordozók vesznek részt a műkodtetésében (unipoláris) kisebb hőmérsékletfüggés. − 3 kimenet, nevük: Source (forrás), Drain (nyelő) és Gate (kapu).

JFET (Junction Field Effect Transistor): Egy n adalékolt téglatest (ezen folyik át az áram, két végen vannak a Source és Drain kimenetek), amelynek egy részén felül és alul van egy-egy vékony p adalékolt réteg. Ez a két réteg a Gate bemeneten keresztül feszültséggel van vezérelve. A működésének lényege, hogy minél nagyobb zárófeszültség jut a Gate-re, annál nagyobb kiürı́tett réteg jön létre a két pn átmenetnél. Minél nagyobb a kiürı́tett réteg, annál kisebb keresztmetszeten tud átfolyni áram, ı́gy kevesebb áram folyik át az egész ellenálláson (olyan, mint amikor egy slagot elszorı́tunk és kevesebb vı́z folyik át rajta). JFET tranzisztor egyenletei: ’ ID = IS = IDSS 1 − VGS VP “2 IG = 0 Itt VP (elzáródási feszültség) és IDSS meg vannak adva (ezek a tranzisztor adatai). A VGS a Gate és Source közti feszültség, IX pedig az X lábon folyó áram.

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor): Olyan, mint a JFET, de az np struktúra helyett egy fém-oxid félvezető van (és csak egy van, nem kettő). Kiürı́téses MOSFET: kiűrı́tett réteget hoz létre MOS, és elzárja a csatornát. Növekményes MOSFET: alapból nincs csatorna, de feszültség hatására vezető elektronok jelennek meg az anyagban, ı́gy az vezetni fog. MOS tranzisztor egyenletei: ID = IS = KW (UGS − VT )2 2 L IG = 0 Itt K és VT (küszöbfeszültség) a tranzisztor paramétere, W a Gate szélessége és L a hosszúsága. Áramkörök tervezése nMOS tranzisztorral: 3 Az ea15.pdf -ben le van ı́rva példákkal együtt (16-28 ábra) Áramkörök tervezése CMOS (Complementary MOS) tranzisztorral: Hasonló az nMOS-os tervezéshez, de két (egymással duális) hálózatot kell megvalósı́tani p (felső hálózat) ill. n (alsó hálózat) növekményes tranzisztorokkal Aktı́v terhelés, és

mindig csak az egyik hálózat vezet, a másik zár. (Lásd ea16pdf, 4 és 16-18 ábra) Tulajdonságok: tiszta logikai szintek (0V és UCC ), statikus áramfelvétel 0, gyors működés, tápfeszre érzéketlen. Vegyes Bode diagram: A bemenet és kimenet közti amplitúdó-, illetve fáziseltolási diagram. Műveleti erősı́tő: − A bemeneti jelet erősı́ti a kimeneten (frekvenciafüggő erősı́tés). − A műkodést egy külső visszacsatolás határozza meg. − Közel ideális tulajdonságok. Műveleti erősı́tős feladat: Itt feltételezzük, hogy az erősı́tő ideális, és ı́gy a két bemenetén (+ és −) azonos feszültség van. A feszültségerősı́tés a kimeneti és a bemeneti feszültség aránya. Az anyag végét elég nehéz összefoglalni, úgyhogy azt nézzétek meg a slide-okon. Sajnos szeretnek ebből a részből is elég nehéz elméleti kérdéseket feltenni. 4