Dispozitive electronice de circuit - semiconductoare

INTRODUCERE IN ELECTRONICA

In acest capitol se va prezenta principalele dispozitive electronice de circuit (diode, tranzistoare, tiristoare, circuite integrate etc.) precum si schemele electronice realizate cu aceste elemente, insistand in special asupra functionarii principalelor circuite electronice intalnite mai frecvent in instalatii electronice industriale.

In prezent, in tara noastra, industria electrotehnica si ramura ei, electronica, are un ritm de dezvoltare mai inalt fata de alte ramuri industriale. Dezvoltarea cu precadere a industriei electronice in tara noastra cat si cresterea ponderii electronicii industriale in raport cu electronica bunurilor de larg consum, reclama o atentie sporita pregatirii specialistilor din alte domenii de activitate, inclusiv cei din industria alimentara, pentru a utiliza si exploata in cele mai bune conditii instalatiile si aparatura electronica.

1. Dispozitive electronice de circuit

1.1. Tuburi electronice cu vid

Intrucat in prezent, tuburile cu vid si cu gaz sunt intalnite doar in unele cazuri particulare, ne vom ocupa doar de tubul catodic, care este un tip special de tub cu vid si este intalnit in special in constructia aparatelor de vizualizat si oscilografiat. In cazul tubului catodic fasciculul de electroni emis de catod loveste un ecran fluorescent (ecran prevazut cu o substanta numita luminofor), care, are proprietatea de a emite radiatii luminoase la lovirea de catre electroni. In locul de incidenta al fascicolului apare, pe ecran, un punct sau spot luminos. Pozitia si luminozitatea spotului pe ecran pot fi comandate electric.

Tubul catodic este alcatuit din urmatoarele parti principale:

1. balonul de sticla in care are loc deplasarea electronilor;
2. sistemul electrono-optic sau tunul electronic care accelereaza electronii si ii strange in fascicul;
3. ecranul fluorescent;
4. dispozitivul de deviere sau deflectie, prin intermediul caruia se poate comanda traiectoria electronilor si pozitia punctului luminos pe ecran.

Exista doua tipuri de tuburi catodice:

-tubul catodic cu comanda electrostatica;

-tubul catodic cu comanda magnetica.

Tubul catodic cu comanda electrostatica: este reprezentat schematic in fig.1

Modulatorul M si anozii A₁,A₂ au forma unor cilindri metalici de diferite diametre, prevazuti cu diafragme circulare interioare(discuri plane cu un orificiu central).

Modulatorul M, care are rol de grila de comanda, functioneaza la un potential negativ de ordinul zecilor de volti. Prin variatia acestui potential se controleaza intensitatea curentului in fasciculul de electroni si deci se realizeaza comanda luminozitatii spotului pe ecranul fluorescent E. Pentru o anumita tensiune negativa, numita tensiune de taiere, toti electronii emisi de catodul K sunt respinsi si spotul luminos se stinge.

Anodul A₁ , numit anod de focalizare, functioneaza la un potential pozitiv de ordinul sutelor de volti, iar anodul A₂ , functioneaza la un potential pozitiv mai mare, de ordinul 0,55 Kv. Campul electric produs de anozii A₁ si A₂ accelereaza electronii spre ecranul fluorescent si totodata formeaza un sistem de lentile electrostatice convergente, care concentreaza electronii intr-un fascicul ingust.

Potentialul anodului A₁ este variabil, pentru a se putea regla focalizarea spotului luminos, care trebuie sa aiba o suprafata cat mai mica si o stralucire cat mai mare.

Dispozitivul de deviere a fasciculului de electroni este alcatuit din doua perechi de placi metalice, fixate in interiorul tubului. Campurile electrice dintre placi pot devia fasciculul pe cele doua directii perpendiculare, deplasand spotul luminos pe intreaga suprafata a ecranului.

Un fascicul de electroni dirijat printr-un cilindru metalic prevazut cu diafragma circulara poate fi comparat cu un fascicul de raze luminoase ce strabate o lentila dupa cum vom vedea.

Daca se reprezinta un fascicul de raze luminoase care strabat o lentila convergenta, divergenta sau o prisma optica si un fascicul de electroni care strabat spatiul dintre doua placi supuse la diferite potentiale

(fig.2) se constata ca:

- in cazul placilor incarcate cu sarcini negative electronii sunt respinsi pe directia axei orizontale, iar sistemul electric este analog cu o lentila optica convergenta (fig.2a);

- in cazul placilor incarcate cu sarcini pozitive electronii se departeaza, iar sistemul actioneaza ca o lentila divergenta (fig.2.b);

- in cazul cand placile sunt incarcate cu sarcini diferite, fasciculul de electroni deviaza spre placa incarcata cu sarcini pozitive, actiunea unui astfel de sistem fiind echivalenta cu actiunea unei prisme optice (fig.2c).

Cu cat este mai mic timpul in care electronii sunt supusi actiunii campului electric, cu atat mai redusa va fi actiunea de deviere a lor fata de directia orizontala.

Deplasarea spotului luminos pe ecranul fluorescent corespunzatoare unei tensiuni deflectoare de 1V, defineste sensibilitatea tubului. Tuburile catodice de tensiune joasa sau medie au sensibilitatea de 0,20,5 mm/V. Daca semnalul aplicat dispozitivului de deviere este mic, el este in prealabil amplificat.

De obicei fata interioara a balonului se acopera cu un strat subtire de grafit coloidal care este supus la acelasi potential ca si anodul A₂ . Acest strat colecteaza electronii secundari si ecraneaza tubul fata de campurile electrice si magnetice exterioare.

Parametrii principali ai tubului catodic sunt:

diametrul ecranului fluorescent;

tensiune de lucru a electrozilor;

sensibilitatea ;

culoarea radiatiei;

persistenta.

Tuburile catodice se construiesc si cu doua, patru sau mai multe sisteme electro-optice, adica se formeaza mai multe fascicule de electroni fiecare putand fi comandat in mod independent. Aceste tuburi se folosesc la constructia osciloscoapelor cu destinatie speciala.

Tubul catodic este folosit la constructia osciloscoapelor catodice.

1.2. Elemente semiconductoare

Materialele a caror rezistivitate este cuprinsa in ordinul de marime constituie grupa semiconductoarelor. Dintre acestea se disting: germaniul, seleniul , siliciul, casiul, arseniul, fosforul, borul, telurul, precum si o serie de compusi chimici.

Conductivitatea electrica a semiconductoarelor se explica pe baza teoriei zonale, unde se inlocuieste teoria clasica aproximativa a conductivitatii electrice, bazata pe modelul atomic a lui Bohr, prin mecanica cuantica, unde electronii nu mai sunt acceptati ca simple corpuscule ce graviteaza in jurul nucleului, ci, sunt luate in considerare proprietatile lor ondulatorii. Astfel, starea unui electron in atom este caracterizata prin patru "numere cuantice", dintre care unul se refera la nivelul energetic continut de electron in stare considerata. In cazul unui atom izolat, teoria stabileste ca electronii nu pot avea orice nivel energetic, ci un numar discret si finit de stari compatibile cu echilibrul lor si ca in starile de echilibru posibile se poate gasi cel mult un electron, conform principiului de excluziune a lui Pauli. Teoria zonala inlocuieste ipoteza electronilor liberi, proveniti din electronii periferici, in formatia unui gaz electronic ipotetic, cu posibilitatea pe care o au electronii de a ocupa anumite nivele energetice "permise", numite benzi sau zone permise. Astfel electronii tind sa ocupe nivelul energetic corespunzator zonei de valenta si de indata ce se transmite metalului o forma de energie, electronii pot trece pe nivelele energetice superioare, formand zona de conductie, devenind electroni de conductie sau electroni liberi, capabili de a se deplasa prin reteaua cristalina (fig.3a). In cazul conductoarelor, zona de conductie se intrepatrunde cu zona de valenta sau se invecineaza direct. Numarul electronilor liberi in aceasta situatie fiind foarte mare, un camp electric oricat de slab orienteaza miscarea electronilor in sens invers liniilor de camp electric, formand ceea ce se numeste curent electric de conductie.

La izolanti si semiconductoare, intre banda de valenta si banda de conductie se afla o banda ( zona ) interzisa (fig.13.3.b si c). La izolanti latimea zonei interzise W este de 510 eV si conductia electrica apare numai daca unii electroni din banda ocupata (de valenta ) capata, datorita agitatiei termice sau datorita unui camp electric intens, energie suficient de mare pentru a deveni liberi, deci pentru a trece din banda de valenta in banda de conductie prin banda interzisa. Numarul acestor electroni liberi este in general mic si deci asemenea corpuri nu conduc. In locul unui electron care trece din zona ocupata in zona libera ramane un gol de nivel energetic, care poate fi ocupat de un alt electron situat pe un nivel energetic mai apropiat de nucleu. Prin cresterea temperaturii unui izolant, energia pe care o capata electronii nu este suficienta pentru a le permite sa treaca din banda de valenta in cea de conductie.

La izolanti si semiconductoare, intre banda de valenta si banda de conductie se afla o banda ( zona ) interzisa (fig.3.b si c). La izolanti latimea zonei interzise W este de 510 eV si conductia electrica apare numai daca unii electroni din banda ocupata (de valenta ) capata, datorita agitatiei termice sau datorita unui camp electric intens, energie suficient de mare pentru a deveni liberi, deci pentru a trece din banda de valenta in banda de conductie prin banda interzisa. Numarul acestor electroni liberi este in general mic si deci, asemenea corpuri nu conduc. In locul unui electron care trece din zona ocupata in zona libera, ramane un gol de nivel energetic care poate fi ocupat de un alt electron situat pe un nivel energetic mai apropiat de nucleu. Prin cresterea temperaturii unui izolant, energia pe care o capata electronii nu este suficienta pentru a le permite sa treaca din banda de valenta in cea de conductie.

Semiconductoarele pure sau intrinseci se comporta ca izolanti dar au o banda interzisa relativ ingusta ( latimea benzii este aproximativ un electron-volt; de exemplu la germaniu la siliciu , la seleniu etc). In practica semiconductoarele au impuritati care influenteaza conductivitatea lor electrica si la temperatura obisnuita, unii electroni reusesc sa treaca in banda de conductie formandu-se astfel perechi de electroni liber-gol energetic. Totodata alte perechi se recombina prin intoarcerea electronilor in banda ocupata, stabilindu-se un echilibru functie de temperatura.

Conductivitatea semiconductoarelor intrinsece se explica prin deplasarea golurilor, care se comporta ca sarcini pozitive, in sensul campului electric si a electronilor in sens invers. La temperatura de 0⁰K electronii nu dispun de energii suficiente pentru saltul zonei interzise, dar, de indata ce temperatura creste, densitatea volumica de electroni din zona de conductie creste, primind valoarea:

. (1)

unde: - este latimea zonei interzise in electron-volti;

- K=8,62.10^-5 eV/⁰K - constanta lui Boltzmann; - T-temperatura in ⁰K.

Semiconductoarele intrinsece dispun deci de o conductivitate mixta ( electronica si prin goluri ), dand o densitate de curent:

J=()n_e.e.E =, (2)

unde: si sunt mobilitatile golurilor, respectiv ale electronilor, date de raportul dintre viteza si intensitate camp ( la germaniu si )

n_e - densitatea purtatorilor ( electronilor ) pe 1 cm³;

e - sarcina electronului, 1,6.10^-19C,

E - intensitatea campului electric, in V/cm;

- conductivitatea electrica, in [. cm]^-1 ;

Conductibilitatea semiconductoarelor rezulta din (2) si (1)

e(+)e. (3)

Densitatea electronilor in zona de conductie pentru germaniu la T=300⁰K este n_e=2,5.10¹³ [1/cm³], ceea ce corespunde unei rezistivitati de 50( densitatea electronilor liberi creste cu 5% pentru fiecare ⁰C). Comparand cu valorile corespunzatoare la cupru, si , se observa ca rezistivitatea cuprului este de cca. 10⁸ ori mai mica decat cea a semiconductorului pur.

Semiconductoarele de conductivitate intrinseca se mai numesc semiconductoare de tip i. Functionarea unor dispozitive semiconductoare simple, cum sunt: termistoarele, fotorezistentele, varistoarele se bazeaza pe proprietatile semiconductoarelor de tip i.

Termistorul - este dispozitivul semiconductor a carui rezistenta variaza in mod substantial cu temperatura( rezistenta scade mult cu cresterea temperaturii, dupa o curba exponentiala). In fabricarea termistoarelor se intrebuinteaza oxidul cupric, sulfura de argint, oxizi de nichel, mangan sau cobalt etc.. Materialul semiconductor, sub forma unei pastile sinterizate, se monteaza intr-un balon de sticla cu vid sau cu gaz inert (azot). In fig.4 se reprezinta variatia rezistivitatii unui termistor in functie de temperatura: curba 1 pentru oxid de uraniu si curba 2 pentru oxid de nichel si mangan. Termistoarele se folosesc ca traductoare si ca elemente de reglare in circuitele electronice sau electrice pentru a mentinerea constanta a unor tensiuni, a unor temperaturi, ca relee de intarziere etc.

Fotorezistenta este dispozitivul semiconductor la care rezistenta variaza cu fluxul luminos incident. Energia primita de semiconductor, pentru formarea perechilor electron-gol, este in acest caz energia unei radiatii in spectrul infrarosu. Corespunzator spectrului radiatiilor incidente, in care variatia rezistentei cu fluxul luminos este insemnata, fotorezistentele pot fi: pentru spectrul vizibil si pentru spectrul infrarosu.

Varistorul: este dispozitivul semiconductor la care formarea perechilor electron-gol se realizeaza pe seama energiei unui camp electric in care este plasat semiconductorul. Aceste elemente semiconductoare au caracteristica aproximativ de forma I=KU , de unde are valori diferite, functie de material si tehnologie.

Procesul conductivitatii se schimba cand in semiconductor apar impuritati, chiar in proportie foarte mica 1/10⁸. Se stie ca germaniu si siliciu sunt tetravalente. In reteaua cristalina fiecare atom de germaniu, de exemplu, care are patru electroni de valenta, este asezat la distanta egala de patru atomi invecinati, impartind cu fiecare din acestia cate unul dintre cei patru electroni de valenta. In fig.5.a este indicat modul retelei cristaline a germaniului, in reprezentare plana.

  Sa presupunem ca s-a introdus ca impuritate arseniul sau fosforul, care sunt pentavalente. Intrand in retea, fiecare nucleu al impuritatii se cupleaza cu patru nuclee vecine de germaniu si introduce cate un electron liber (fig.5.b). Aceste elemente se numesc donore. In reprezentarea zonala, impuritatile donore, care in retea intervin ca sarcini pozitive fixe, introduc noi nivele energetice asezate la distantamicsorand latimea benzii

interzise (fig.5.c). Electronii suplimentari ai impuritatilor pentavalente se plaseaza pe aceste nivele energetice si trec cu usurinta in banda de conductie. In acest caz avem un semiconductor de tip "n", in care conductia este datorita sarcinilor negative (electronilor). Cei mai multi din acesti electroni sunt pusi in libertate de atomii donori, totusi in banda de conductie mai exista un anumit numar de electroni corespunzand conductivitatii semiconductorului pur.

Daca impuritatea este trivalenta ( bor, indiu, taliu, aluminiu), atomii respectivi intra in retea numai cu trei electroni de valenta. Legatura a patra, ramasa neocupata, poate fi completata cu un electron de la un atom vecin de germaniu (fig.6) ; acest atom devenind ion pozitiv, atrage la randul lui un alt electron. Astfel se formeaza un "gol" de nivel energetic, care se deplaseaza in mod dezordonat in retea, ca si electronii liberi. Daca insa exista un camp electric aplicat, golurile se vor deplasa in sensul campului electric si se vor comporta ca sarcini pozitive. Impuritatile de acest tip se numesc acceptoare si dau nastere in retea la sarcini negative fixe. Potrivit teoriei zonale, atomii acceptori introduc nivele suplimentare, asezate la distanta deasupra limitei de sus a benzii de valenta (fig.7). Pe aceste nivele trec, din banda de valenta, electronii captati de atomii impuritatii. Semiconductoarele de tipul acesta se numesc de tip "p", iar conductia se realizeaza prin deplasarea golurilor, in calitate de purtatori majoritari, in banda de valenta. Conductia determinata de electronii din banda libera (de purtatorii minoritari) este neglijabila.

Daca doua semiconductoare de tip p si n sunt aduse in contact direct se formeaza o jonctiune p-n. Notand cu N_a concentratia atomilor acceptori si cu N_d concentratia atomilor donori, se constata ca in vecinatatea suprafetei de separatiei a celor doua zone exista o variatie puternica a concentratiei purtatorilor majoritari. Datorita acestei variatii a concentratiei (gradient al concentratiei), se produce un fenomen de difuzie a purtatorilor majoritari dintr-o zona in alta. Golurile din zona "p", difuzand in zona "n" si se recombina cu electronii din aceasta zona, formand atomii neutri. In acelasi mod, electronii din zona "n" difuzeaza in zona "p" recombinandu-se cu golurile din aceasta zona. Ca urmare, in vecinatatea suprafetei de separatie are loc o micsorare a concentratiei purtatorilor majoritari. In consecinta, sarcina ionilor imobilizati in reteaua cristalina nu va fi compensata de sarcina purtatorilor majoritari si in vecinatatea suprafetei de separatie va apare o sarcina spatiala fixata in reteaua cristalina (negativa in zona "p" si pozitiva in zona "n" - fig.8 a).

In acest fel, in vecinatatea suprafetei de separatie se formeaza doua straturi cu sarcini egale si de semn contrar, reprezentand regiunea de trecere a jonctiunii p-n. Sarcina spatiala din regiunea de trecere produce un camp electric intern, indreptat inspre zona "p" si determina o distributie a potentialului electric ca in fig. 8 b. Campul electric intern tinde sa se opune difuziei purtatorilor majoritari dintr-o zona in alta. Va exista totusi un curent de difuzie i_d, produs de acei purtatori care au o energie suficient de mare pentru a invinge bariera de potential U₀ din regiunea de trecere. Curentul de difuzie, format prin difuzarea purtatorilor majoritari dintr-o zona in alta, depinde foarte mult de marimea barierei de potential (marimea intensitatii campului electric intern ce se opune difuziei ). La o jonctiune nealimentata , in echilibru termic, bariera de potential U₀ este mai mare si curentul de difuzie este foarte mic.

Campul intern al jonctiunii p-n se opune curentului de conductie i_c de sens opus curentului de difuzie .Curentul de purtatori minoritari i_c este foarte mic, deoarece concentratia purtatorilor minoritari este foarte mica. In regimul stationar termic al unei jonctiuni p-n nealimentate, curentul de difuzie i_d este egal si de sens contrar cu curentul de conductie i_c, astfel incat curentul rezultat prin jonctiune este egal cu zero.

Distributia sarcinii spatiale , in functie de distanta de la suprafata de contact este reprezentata in fig.8b.

Cunoscand distributia sarcinii spatiale se poate deduce variatia potentialului si a intensitatii campului electric in zona jonctiunii p-n, conform relatiei:

Pe extremitatile semiconductoarelor p si n se aplica de obicei doua contacte metalice de suprafata mare (electrozi). Daca electrozii se pun in scurtcircuit (fig a) prin jonctiune nu mai trece curent deoarece nu mai exista sursa de energie, practic diferenta de potential U_o este echilibrata de diferenta de potential de contact la suprafata electrozilor.

Daca conectam cele doua semiconductoare la o sursa de curent continuu ca in fig.9b, diferenta de potential U_o scade la valoarea U_o-u. Daca t.e.m. a sursei este mare, trecerea purtatorilor de sarcini este usurata si curentul creste ajungand sa fie limitat de rezistenta circuitului exterior (campul electric se suprapune peste campul intern E, iar electronii si golurile se vor deplasa spre suprafata de contact). In acest caz trecerea curentului se numeste directa.

Daca se inverseaza polaritatea sursei (fig.9c) electronii si golurile se departeaza mai mult de suprafata de contact si grosimea stratului de trecere(de blocare) se mareste; prin circuit va trece un curent foarte mic datorat purtatorilor minoritari.

Datorita comportarii inegale a jonctiunii p-n din punct de vedere al proprietatilor de conductivitate, circuitul electric se abate de la legea lui Ohm (rezistenta ohmica in sens direct este de cca. 1000 ori mai mica decat in sens invers) si deci jonctiunea p-n se va comporta ca o rezistenta neliniara.

Diodele semiconductoare sunt, in esenta, jonctiuni p-n. In fig.10 se reprezinta caracteristica curent-tensiune, numita si caracteristica volt-amper, a unei diode semiconductoare. Ea se traseaza luand scari diferite pentru curent si tensiune la sens direct si la sens invers. Se observa, in cazul aplicarii unei anumite tensiuni in sens invers, numita tensiune de strapungere, curentul in sens invers are o crestere brusca.

Daca in circuitul semiconductorului nu este un rezistor de protectie, valoarea curentului invers creste foarte mult, ducand prin efect termic la depasirea disipatiei de caldura admisibila. In acest caz in semiconductor au loc procese ireversibile care duc la deteriorarea jonctiuni.

Cele mai intalnite diode cu elemente semiconductoare sant cu siliciu, seleniu si cu oxid cupros. Datorita caracteristicile lor diodele semiconductoare sunt utilizate la redresare, detectie, in circuitele de comutatie, la modulatia in frecventa etc.

1.3. Diode semiconductoare

Diode cu germaniu, aceste elemente se construiesc in doua moduri distincte: cu contact punctiform (fig.11a) si cu jonctiune (fig.11b).

Diodele cu contact punctiform sunt construite dintr-un tub de sticla sau bucsa ceramica (1), doua capace metalice (2), un monocristal de germaniu (3) de dimensiuni foarte mici (1,5/1,5/0,5mm), un filament de wolfram (4) cu varful ascutit in contact cu cristalul de germaniu si doua conductoare legate (5). In procesul tehnologic de fabricatie a acestor diode, dupa montare mecanica a elementelor constituente, se trece un impuls de curent prin dioda. In acest fel se formeaza contactul punctiform in jurul varfului de wolfram, care devin un semiconductor de tip"p" intr-un domeniul marginit de o suprafata de aproximativ 10^-4 mm². S-a realizat in felul acesta o jonctiune p-n (cu sensul direct la semiconductorul de wolfram catre cristalul de germaniu) cu suprafata atat de mica incat capacitatea proprie nu depaseste 1-2 pF. Din aceasta cauza, respectivele diode se utilizeaza la frecvente foarte inalte.

Diodele cu jonctiune sunt construite dintr-un monocristal de germaniu (1), o placa de baza metalica (2), un cristal de indiu (3) si un electrod de cupru (4) care strabate carcasa (5) prin corpul izolant (6). Cristalul de germaniu este initial impurificat cu substante donore (arsen,fosfor) si se prezinta deci ca un semiconductor de tip"n". Pe fata lui superioara se formeaza , datorita adaosului de indiu, un strat semiconductor de tip "p". In acest mod rezulta o jonctiune p-n cu proprietati semiconductoare exceptionale: tensiunea inversa maxima depaseste 600V, densitatea curentului in sensul direct 500A/cm², caderea de tensiune pe un element 0,2-1 V, randamentul 98%. Pentru scopuri industriale, diodele cu germaniu se fabrica pentru curentii de 0,1-200 A si tensiuni de 50-400 V. Temperatura de exploatare este cuprinsa intre 60⁰C si 80⁰C. La unitatile mari este prevazuta racirea fortata.

Diode cu siliciu. Diode semiconductoare cu siliciu au tensiunea inversa maxima in general, mai mare decat la cele cu germaniu, ajungand pana la 1000 V. Temperatura de lucru la diodele cu siliciu poate sa ajunga la 150⁰C, iar intensitatea curentului pana la 1000A.

In afara de diodele semiconductoare folosite la redresare exista si alte tipuri, cu largi aplicatii industriale, cum sunt: diodele stabilizatoare, diodele de comutatie, fotodiodele etc.

Diodele stabilizatoare mai sunt numite si diode Zener. Ele lucreaza in domeniul tensiunilor inverse, pe portiunea in care curentul are

o crestere brusca. In fig.12 se arata reprezentarea simbolica si caracteristica volt-amper a unei diode Zener. Deoarece lucreaza pe portiunea practic verticala a caracteristicii, portiune pe care tensiunea la borne variaza foarte putin (din aceasta cauza este folosita ca stabilizatoare de tensiune), este obligatoriu ca in serie cu diode Zener sa se conecteze un rezistor.

Diodele de comutatie sant de putere mica si au proprietatea ca, viteza de stabilire a curentului la schimbarea polaritatii tensiunii de alimentare este mare Aceste diode se utilizeaza frecvent in realizarea circuitelor logice de comanda , cat si in alte circuite electronice.

inv

Fotodiodele au o constructie aparte, fiind alimentate in sens invers . In fig.13 este reprezentata schematic o fotodioda si caracteristica volt-amper. Jonctiunea p-n (dioda propriu-zisa) 1, este expusa unui flux luminos incident focalizat pe jonctiune cu ajutorul lentilei 2. Curentul invers, fiind un curent de purtatori minoritari, depinde de energia primita de jonctiune, din exterior. In consecinta curentul invers depinde de fluxul luminos incident.

1.4. Tranzistoare

1.4.1. Tranzistoare bipolare

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive semiconductoare cu doua jonctiuni, in care conductia se realizeaza prin electroni si goluri. Ele se pot realiza in doua forme distincte: p-n-p (fig.14) si n-p-n (fig.16). Un tranzistor p-n-p este format dintr-un cristal de germaniu care prezinta din punct de vedere al dotarii cu impuritati ,trei regiuni distincte (fig.14 a).

Cele trei regiuni ale monocristalului sunt numite: emitor (E), baza (B) si colector (C). In functionarea normala jonctiunea p-n dintre emitor si baza lucreaza in sens direct , iar jonctiunea n-p dintre baza si colector, lucreaza in sens invers . Regiunea centrala de tip "n" este foarte ingusta, grosimea ei fiind 0,001-0,02 mm. Dotarea cu impuritati a acestei regiuni (deci, concentratia purtatorilor majoritari) este mai mica decat la regiunile laterale de tip "p". In fig.14 b este dat simbolul de reprezentare al unui tranzistor de tip p-n-p.

Jonctiunea E-B fiind alimentata in sens direct , un numar mare de goluri difuzeaza din E in B determinand un curent I_e , numit curent de goluri din emitor (fig.15.). Deoarece baza are o grosime mica, numai un numar foarte mic de goluri emise se vor recombina in baza, majoritatea insa, sunt preluate de campul electric intern si transportate in zona colectorului, ca si golurile deja existente in baza care reprezinta pentru baza purtatori minoritari de sarcina. Se noteaza cu raportul curentului de goluri, provenit din emitor, care traverseaza zona baza-colector si curentul de emitor .

La jonctiunea B-C, alimentata in sens invers, circula un curent invers notat cu I_{CB o}.

Din fig.15 rezulta relatiile: I_c = I_e+I_CB0, (4)

pentru curentul de colector si I_b = (l-) I_e-I_CB0, (5)

pentru curentul de baza. Evident se obtine : I_e = I_c + I_b (6)

Tinand seama ca = 0,98 0,995 si ca I_CB0 este cu mult mai mic decat curentul de colector se poate folosi relatia aproximativa: I_c=I_e

Tranzistoarele de tip n-p-n au baza un semiconductor de tip "p". Ele functioneaza in acelasi mod ca si tranzistoarele p-n-p descrise anterior, insa polaritatea tensiunilor aplicate si sensurile curentilor sunt inversate. Reprezentarea simbolica a unui tranzistor n-p-n este data in fig.16. Relatia dintre tensiunile aplicate electrozilor unui tranzistor este:

U_ce = U_cb + U_be.    (7)

Din relatiile scrise anterior se observa ca exista patru marimi distincte, care caracterizeaza functionarea unui tranzistor: I_e; I_c; U_eb (tensiunea emitorului fata de baza) si U_cb (tensiunea colectorului fata de baza ).

Relatiile dintre tensiunile si curentii unui tranzistor, necesare pentru calculul circuitelor in care este utilizat tranzistorul se determina pe baza caracteristicilor statice , care se ridica experimental (prin masuratori) . In general se folosesc doua familii de caracteristici statice. Alegerea acestor doua familii de caracteristici din multimea celor posibile se face in functie de modul cum sunt conectate si utilizate tranzistoarele in circuitele. Pentru exemplificare, in fig.17 a si b sunt indicate doua din familiile de caracteristici statice mai utilizate. In diagrama a) este prezentata familia de caracteristici I_c(U_ce), pentru diferiti curenti i_b=constant, numite si caracteristicile de iesire, iar in diagrama b) familia I_b(U_be) pentru diferite tensiuni U_ce=constant, numite si caracteristicile de intrare. Aceste caracteristici s-au trasat pentru un tranzistor p-n-p in schema cu emitorul la masa.

Tranzistoarele pot fi utilizate ca elemente amplificatoare, in schemele logice, la modulatia semnalelor, la autooscilatoare, in circuitele de comutatie etc. Printre avantajele utilizarii tranzistoarelor se citeaza: alimentarea cu tensiunea scazuta, consum mic de energie, randament ridicat, volum mic, lipsa de inertie (intrucat nu are filament), durata foarte mare de serviciu (peste 50.000 ore) etc. Ca dezavantaje, tranzistoarele au un zgomot de fond si un consum de energie la intrare (emitor) mai ridicat decat la tuburile cu vid; temperatura influenteaza defavorabil proprietatile tranzistoarelor (limita maxima admisa in explorare este de 80^oC pentru germaniu si CO₂ 120^oC pentru siliciu, iar peste aceasta limita proprietatile semiconductoare dispar si curentii cresc foarte mult).

Tranzistorul se poate conecta in trei moduri distincte, dupa cum se leaga la masa: emitorul, baza sau colectorul. Electrodul comun circuitelor de intrare si de iesire, al carui potential ramane fix in functionarea dinamica, se considera pus la masa sau la pamant.

In fig.18 s-a prezentat schema cu baza comuna. Aceasta schema produce o amplificare de tensiune in faza (semnalul la iesire este in faza cu semnalul aplicat la intrare). In fig.19 se da schema cu emitorul comun. In acest caz se produce o amplificare de tensiune in opozitie de faza. Aceasta este schema cea mai des utilizata. Cea de a treia schema, cu colectorul la masa, reprezentata in fig.20.

1.4.2. Tranzistoare unipolare

Tranzistoarele unipolare sau cu efect de camp, denumite prescurtat TEC in literatura romaneasca de specialitate , isi bazeaza functionarea pe modificarea conductiei unei cai de trecere a curentului intr-o baza semiconductoare (canal), sub efectul unui camp electric transversal de comanda. Acest efect de camp se datoreaza modificarii distributiei purtatorilor de sarcina electrica dintr-un semiconductor la aplicarea unui camp electric.

In fig.21 este reprezentata structura de principiu a unui tranzistor unipolar. La capetele canalului se gasesc doua contacte metalice: sursa (S) si drena (D), intre care se aplica tensiunea U_DS ce determina trecerea curentului I_D prin canal. Conductanta canalului este determinata de tensiunea U_GS intre electrodul de comanda, numit grila (sau poarta) si sursa. Grila poate forma o jonctiune cu baza B, tranzistorul purtand denumirea de tranzistor cu efect de camp cu jonctiune (TEC-J sau JFET), sau poate fi izolata fata de baza printr-un strat de oxid, in cazul tranzistoarelor cu efect de camp metal-oxid-semiconductor (TEC-MOS sau MOSFET). Canalul poate fi un semiconductor de tip "n" sau "p", dupa tipul purtatorilor de sarcina majoritari.

1.4.2.1. Tranzistoare unipolare cu jonctiune

In fig.22 sunt reprezentate schematic structurile tranzistoarelor TEC-J cu canal n (fig.22a) si p (22b) cat si simbolurile respective.

Tranzistorul TEC-J cu canal n este realizat dintr-un semiconductor de tip"n" la extremitatile caruia se aplica diferenta de potential U_DS prin intermediul celor doi electrozi metalici D si S. In partile laterale ale canalului se formeaza doua jonctiuni, cu ajutorul a doua zone p puternic dotate cu impuritati. Legaturile la zonele p se realizeaza prin doi electrozi legati intre ei, formand grila G sau poarta tranzistorului. Jonctiunile p-n sunt polarizate invers; grila G este polarizata la un potential negativ fata de sursa.

Avand in vedere ca regiunea de sarcina spatiala (lipsita de purtatori majoritari) se extinde mai mult in zona slab dotata cu impuritati si ca latimea regiunii de sarcina spatiala creste cu tensiunea inversa aplicata jonctiunii, rezulta ca forma canalului si distributia sarcinii spatiale sunt cele din fig.23. Deoarece grila se afla la un potential negativ fata de sursa, iar in semiconductorul de tip n potentialul pozitiv creste pe masura apropierii de drena, tensiunea inversa, deci si latimea regiunii de sarcina spatiala, cresc de-a lungul jonctiunii p-n. Canalul contine purtatori de sarcina majoritari (electroni in cazul canalului de tip n), deci este un mediu conductor. La aplicarea unei tensiuni U_DS, curentul de dren I_D depinde de conductibilitatea canalului si de sectiunea lui. Sectiunea canalului depinde insa de potentialul grilei sau mai exact de tensiunea inversa a jonctiunii p-n. Variatia potentialului grilei produce modificarea sectiunii canalului, deci variatia curentului de drena I_D.

Familia caracteristicilor I_D(U_DS) pentru U_GS=const. reprezentate in fig.24 se numesc caracteristici de iesire. Caracteristicile de grila (sau de poarta) reprezinta variatiile I_D(U_GS) pentru U_DS=const. si au forma din fig.25. Din fig.24 se observa ca atunci cand U_GS=const. insa creste tensiunea U_DS, curentul I_D creste la inceput apoi ramane practic constant. Acest lucru se explica prin faptul ca marimea tensiunii U_DS duce la marirea potentialului punctelor din zona n a jonctiunilor, deci la marirea tensiunii inverse pe jonctiuni, chiar daca U_GS=const. In acest fel, la marirea tensiunii aplicate canalului, cresterea curentului prin canal nu se mai produce, intrucat este practic anulata de efetul micsorarii sectiunii canalului.

1.4.2.2. Tranzistoare cu efect de camp metal-oxid-semiconductor (TEC-MOS). In fig.26 se reprezinta structura unui tranzistor TEC- MOS avand un canal de tip n. Grila G este izolata de semiconductor printr-un strat de oxid de siliciu de grosime 10^-6-10^-5 mm. Stratul de oxid este un mediu izolator, astfel incat la aplicarea unui potential electrodului G, se formeaza un camp electric intens intre metal si semiconductor. Intre sursa S si drenul D exista un canal din semiconductor de tip n, a carui conductivitate este controlata de potentialul grilei. Daca potentialul grilei este pozitiv fata de sursa S, campul electric transversal (din Si0₂) determina o acumulare de sarcini negative (electroni), proveniti din zona sursei. Concentratia purtatorilor in canal crescand, va creste conductivitatea canalului, deci si curentul de drena I_D (pentru o tensiune de drena U_DS data). Daca potentialul grilei este negativ, campul electric transversal determina difuzia electronilor din canal in zona "p" numita substrat. In acest caz se produce micsorarea numarului de purtatori in canal si conductivitatea lui scade. De obicei electrodul B aplicat pe substrat se leaga la sursa (fig.26).

Simbolul tranzistorului TEC-MOS cu canal initial de tip n este reprezentat in fig.27.

Familia caracteristicilor pentru U_G=const., numite caracteristici de iesire, este reprezentata in fig.28.

In afara de tranzistoare TEC-MOS cu canal initial, se utilizeaza si tranzistoare MOS cu canal indus. In acest caz structura tranzistorului este prezentata in fig.29a, iar simbolizarea lui este data in fig. 29b.

Atunci cand grila este pozitiva fata de sursa, campul intens creat in stratul de oxid determina o acumulare de electroni in semiconductor. Acesti electroni sunt extrasi din regiunile "n" ale sursei S si drenului D. Ei formeaza un canal de legatura intre sursa si dren, a carui conductivitate depinde de numarul de electroni extrasi, deci de potentialul grilei. Ca la toate tranzistoarele TEC, conductivitatea canalului se controleaza deci, prin potentialul grilei. La tranzistorul examinat, canalul nu are o existenta permanenta, ci se formeaza (se induce) prin tensiunea de polarizare a grilei, din acest motiv tranzistorul se numeste TEC-MOS cu canal indus. Familia caracteristicilor de iesire I_D(U_DS) ale unui TEC-MOS cu canal indus este data in fig.30.

Principalele avantaje ale tranzistoarelor MOS in comparatie cu tranzistoarele bipolare sunt: rezistenta de intrare extrem de mare (10¹⁰-10¹⁴ ohmi) ceea ce face ca puterea de comanda sa fie nula, ca la un tub electronic; factorul de zgomot redus la frecvente inalte; posibilitatea alegerii punctului de functionare astfel incat I_D sa nu depinda de temperatura. De asemenea, faptul ca, spre deosebire de caracteristicile tranzistoarelor bipolare, caracteristicile I_D(U_DS) ale TEC trec prin origine,

este important pentru circuitele de comutatie. Dezavantajele principale ale tranzistoarelor MOS sunt: conductanta mutuala mai mica decat pentru tranzistoarele bipolare de aceeasi putere; factorul de zgomot mare la frecvente foarte joase (in domeniul frecventelor foarte joase se utilizeaza TEC-J).

1.5. Dispozitive de comutatie speciala

Cele mai importante dispozitive semiconductoare construite special pentru functionarea in calitate de intrerupator comandat sunt tiristorul si triacul.

1.5.1. Tiristoare

Tiristoarele sunt dispozitive semiconductoare cu trei jonctiuni, de tip p-n-p-n. Acestea au proprietatea de comutator - de trecere brusca, la comanda printr-un impuls, din starea blocata (rezistenta interioara foarte mare, 10⁸- 10⁹ ohmi) la starea de conductie (rezistenta interioara foarte mica). In fig.31 se reprezinta structura schematica si simbolizarea unui tiristor p-n-p-n. Zonele terminale p si n se numesc anod (A) sau colector si catod (K) sau emitor, deoarece in regimul de conductie al tiristorului anodul este supus unui potential pozitiv si catodul unui potential negativ. Pe zona p centrala exista un contact chimic la care se leaga electrodul de comanda numit poarta (P) sau grila de comanda.

Tiristoarele se fabrica din cristale de siliciu, care au o stabilitate foarte buna fata de variatiile de temperatura.

In ceea ce priveste principiul de functionare al tiristorului, daca ne referim la reprezentarea schematica, constatam ca atunci cand anodul este supus la un potential pozitiv si catodul la un potential negativ, jonctiunile laterale sunt polarizate in sens direct, iar jonctiunea centrala in sens invers. In acest caz daca U_a nu este prea mare, prin tiristor va trece un curent foarte mic, determinat de curentul invers al jonctiunii centrale. Daca mentinem tensiunea intre poarta si catod U_p egala cu zero si marim tensiunea U_a, in jonctiunea centrala se injecteaza din ce in ce mai multi purtatori minoritari care lovind atomii retelei cristaline, smulg, pe masura cresterii lui U_a, din ce in ce mai multi purtatori liberi suplimentari. Din cauza acestui efect de multiplicare, curentul prin tiristor creste o data cu cresterea lui U_a. La o anumita valoare a tensiunii U_a pe care o notam cu U_am0 (numita tensiune de amorsare la U_p=0), efectul de multiplicare a curentului devine atat de intens incat, prin caderea de tensiune produsa in jonctiunile laterale, polarizarea jonctiunii centrale se inverseaza si devine directa. In acest moment, toate jonctiunile fiind polarizate in sens direct, se produce amorsarea tiristorului care incepe sa conduca brusc; tensiunea U_a scade de la valoarea U_am0 la o valoare mica (1,5-2 V), iar curentul I_a, determinat de sursa e_a, va fi limitat de rezistenta de sarcina R_s. Variatia I_a(U_a), reprezinta caracteristica anodica a tiristorului, pentru U_p=const. si este data in figura 32. Daca initial se aplica portii P un potential pozitiv fata de catod, multiplicarea putatorilor liberi in jonctiunea centrala este accelerata si amorsarea se va produce la o tensiune U_am cu atat mai mica cu cat U_p, va fi mai mare U_am2<U_am1). Dupa amorsare poarta nu mai are nici un efect de control, tiristorul revenind la starea de blocare numai atunci cand U_a se micsoreaza atat de mult incat I_a scade sub o anumita limita minima, denumita curent de mentinere. Daca t.e.m. este alternativa, rezulta ca tiristorul nu se va amorsa daca valoarea maxima E_m este mai mica decat U_am0 (pentru U_p=0). Daca insa in circuitul portii aplicam impulsuri pozitive cu o durata de cel putin 10s, atunci amorsarea va avea loc in momentul aparitiei impulsului. Regland durata dintre doua impulsuri, putem regla durata de conductie, deci putem regla componenta continua a curentului I_a. Comanda amorsarii se poate face si cu o t.e.m. e_p sinusoidala al carei defazaj fata de e_a poate fi reglat.

In fig. 33 se da caracteristica de comanda a unui tiristor, reprezentand dependenta tensiunii anodice U_am, de amorsare (de basculare) in functie de tensiunea de poarta u_p. In stare de blocare tiristorul poate fi considerat ca un contact deschis, in stare de conductie el se considera practic ca un contact inchis.

Tiristoarele se construiesc pentru valori ale tensiunilor inverse admisibile de sute sau chiar de mii de volti si curenti pana la sute de amperi. Ele sunt utilizate in schemele de redresoare comandate, care au aplicatii in actionarea motoarelor de curent continuu, la excitarea masinilor electrice de curent continuu, etc. De asemenea tiristoarele sunt folosite la constructia convertizoarelor statice de frecventa, ca relee, etc.

Tiristoarele prezinta urmatoarele avantaje: volum mic, viteza foarte mare de comutatie (de ordinul s); randament ridicat; stabilitate termica mare; siguranta ridicata in functionare; cadere de tensiune (directa) relativ mica (sub 3 volti) si tensiune inversa mare.

1.5.2. Triacul

Triacul este un dispozitiv semiconductor cu cinci straturi. Structura si simbolizarea sa este data in fig. 34.

Facand abstractie de unele particularitati constructive, in structura zonelor semiconductoare, se poate arata ca un triac este echivalent cu doua tiristoare montate in opozitie. Portile P₁ si P₂ ale acestor tiristoare sunt legate intre ele, deci tensiunea de comanda u_p poate fi pozitiva sau negativa, astfel incat caracteristica statica a triacului are forma din fig.35. Tensiunea anodica de amorsare (adica valorile pozitive sau negative ale acestei tensiuni) depinde de tensiunea de poarta U_p, la fel ca in cazul tiristorului.

Avand in vedere aceste proprietati, triacul poate fi intrebuintat ca un intreruptor de c.a. In general triacul se utilizeaza la tensiuni si curenti mai mici decat ale tiristoarelor, avand o structura mai complexa si mai delicata decat acestea.