Un dispozitiv activ depinde de o sursă de alimentare externă pentru a-și activa comportamentul. În această secțiune sunt luate în considerare componentele active din joncțiuni semiconductoare și componente cu efect de câmp. Diodele cu joncțiune, tranzistoarele bipolare cu joncțiune (BJT) și tranzistoarele cu efect de câmp (FET) sunt de interes special aici. Componentele active sunt utilizate pe scară largă atât în ​​forma monolitică (circuit integrat), cât și sub formă de elemente discrete. Sunt utilizate pe scară largă atât în ​​dispozitive electronice analogice, cât și digitale, inclusiv senzori, circuite de acționare, controlere, hardware de interfață și circuite de condiționare a semnalului. În special, domeniile electronice de consum și calculatoarele digitale au fost revoluționate datorită progreselor în componentele active.

2.7.1 Diode

O diodă semiconductoare se formează prin unirea unui semiconductor de tip-p cu un semiconductor de tip-n. O diodă oferă o rezistență mult mai mică la curgerea curentului într-o direcție (înainte) decât în ​​sens opus (invers). Există multe varietăți de diode. Ca exemple sunt diode Zener, diode condensator variabil de tensiune (VVC), diode tunel, diode de putere pentru microunde, diode pin, fotodiode și diode cu emisie de lumină (LED). În primul rând, trebuie să înțelegem joncțiunile pn.

2.7.1.1 Joncțiuni PN

Semiconductoarele prezintă proprietăți care sunt între conductoare și izolatoare. Un semiconductor pur poate fi „dopat” amestecând o cantitate mică de material special pentru a forma fie un semiconductor de tip-p, fie un semiconductor de tip n. O joncțiune pn este formată prin unirea unui element semiconductor de tip-p cu un element semiconductor de tip-n. Acest subiect este explorat acum.

2.7.1.2 Semiconductoare

Materialele semiconductoare au rezistivități de câteva milioane de ori mai mari decât cele ale conductoarelor și de câteva miliarde de ori mai mici decât cele ale izolatoarelor. Materialele cristaline, cum ar fi siliciu, germaniul și sulfura de cadmiu sunt semiconductoare. De exemplu, rezistivitatea siliciului pur este de aproximativ 5×10¹⁰ ori mai mare decât cea a argintului. În mod similar, rezistivitatea germaniului pur este de aproximativ 5×10⁷ ori mai mare decât cea a argintului. În mod obișnuit, semiconductoarele au rezisivități cuprinse între 10^-4 și 10⁷ Ω·m. Alte exemple de materiale semiconductoare sunt arsenura de galiu, sulfură de cadmiu și seleniu.

Un material semiconductor pur (intrinsec) are niște electroni liberi (purtători de sarcină negativă) și goluri (purtători de sarcină pozitivă). Rețineți că un gol este format într-un atom atunci când este eliminat un electron. Strict, golurile nu se pot mișca. Dar, să presupunem că un electron împărțit de doi atomi (un electron covalent) intră într-un gol existent într-un atom, lăsând în urmă un gol în punctul de origine. Mișcarea rezultată a electronului este interpretată ca o mișcare a unui gol în direcția opusă mișcării reale a electronului covalent.

Numărul de electroni liberi într-un semiconductor pur este aproximativ egal cu numărul de goluri. Numărul de electroni liberi sau goluri poate fi crescut drastic prin adăugarea de urme de impurități în mod controlat (dopaj) în semiconductor în timpul creșterii cristalului (de exemplu, prin alierea într-o formă topită și prin difuzie solidă sau gazoasă a urmei). Un atom al unui semiconductor pur care are patru electroni în stratul său exterior va avea nevoie de încă patru electroni pentru a forma o legătură covalentă stabilă. Aceste legături covalente sunt necesare pentru a forma o structură cristalină de atomi, tipică pentru materialele semiconductoare. Dacă impuritatea urmei este un material precum arsenic, fosfor sau antimoniu ai cărui atomi au cinci electroni în învelișul exterior (o impuritate donatoare), un electron liber va fi rămas după formarea unei legături cu un atom de impuritate. Rezultatul va fi un semiconductor de tip-n având un număr foarte mare de electroni liberi. Dacă, pe de altă parte, impuritatea urmei este un material precum bor, galiu, aluminiu sau indiu ai căror atomi au doar trei electroni în stratul exterior (o impuritate acceptoare), un gol va rezulta după formarea unei legături. În acest caz, va rezulta un semiconductor de tip-p, format dintr-un număr foarte mare de goluri. Semiconductoarele dopate sunt denumite extrinseci.

Este clar că dopajul poate schimba caracteristicile purtătoare de curent ale unui semiconductor. Aceste caracteristici pot fi modificate, de asemenea, de temperatură (principiul unei temperaturi), de solicitare (principiul unei mărci tensometrice), de câmp magnetic (în dispozitivele cu efect-Hall, de exemplu) și de lumină (principiul unui fotosenzor).

2.7.1.3 Regiunea de epuizare (depletion)

Când un semiconductor de tip-p este unit cu un semiconductor de tip-n, se formează o joncțiune-pn. O joncțiune-pn prezintă efect de diodă; rezistență mult mai mare la curgerea curentului într-o direcție decât în ​​direcția opusă prin joncțiune. Când se formează o joncțiune-pn, electronii din materialul de tip-n din vecinătatea stratului comun vor difuza în materialul de tip-p. În mod similar, golurile din materialul de tip-p din apropierea joncțiunii vor difuza în partea opusă (strict, electronii covalenți vor difuza în direcția opusă). Difuzia va continua până când se ajunge la o stare de echilibru. Dar, ca urmare a pierderii de electroni și a câștigării golurilor pe partea-n și a procesului opus pe partea-p, o diferență de potențial este generată pe joncțiunea-pn cu un potențial negativ pe partea-p și un potențial pozitiv pe partea-n. Datorită difuziei transportatorilor de-a lungul joncțiunii, mica regiune din jurul zonei comune va fi practic lipsită de transportori (electroni și goluri libere). Prin urmare, această regiune este numită regiune de epuizare. Diferența de potențial care există în regiunea de epuizare este în principal responsabilă pentru efectul de diodă al unei joncțiuni-pn.

2.7.1.4 Polarizarea

Poalrizarea directă și polarizarea inversă a unei joncțiuni-pn sunt prezentate în figura 2.20. În cazul polarizării directe, un potențial pozitiv este conectat la partea-p a joncțiunii și un potențial negativ este conectat la partea-n. Polaritățile sunt inversate pentru polarizare inversă. Rețineți că la polarizarea directă, tensiunea externă (tensiunea de polarizare v) completează diferența de potențial a regiunii de epuizare (Fig. 2.20a). Electronii liberi care au trecut pe partea-p din partea-n vor continua să circule spre terminalul pozitiv al alimentării externe, generând astfel un curent (curent de joncțiune i). Curentul de joncțiune crește cu tensiunea de polarizare, așa cum se arată în figura 2.20c.

FIGURA 2.20 O diodă cu joncțiune-pn:
(a) Polarizare directă; (b) polarizare inversă; (c) curba caracteristică

În polarizarea directă, potențialul în regiunea de epuizare este opus față de tensiunea de polarizare (figura 2.20b). Prin urmare, difuzia electronilor liberi din partea-n în partea-p se opune. Deoarece există câțiva (foarte puțini) electroni liberi în partea-p și unele goluri în partea-n, polarizarea inversă va consolida fluxul acestor electroni și goluri minoritare. Acest lucru va crea un curent foarte mic (aproximativ 10^-9 A pentru siliciu și 10^-6 A pentru germaniu la temperatura camerei), cunoscut sub numele de curent de scurgere, în direcția opusă curentului de polarizare directă. Dacă polarizarea inversă este crescută, la o anumită tensiune (tensiunea de străpungere vb din figura 2.20c) joncțiunea va fi străpunsă generând o creștere bruscă a curentului invers. Există două cauze principale ale acestei străpungeri. Primul, câmpul electric intens al tensiunii externe poate determina electronii să se despartă de atomii neutri în număr mare. Aceasta este cunoscută sub denumirea de străpungere zener. În al doilea rând, tensiunea externă va accelera electronii liberi minoritari pe partea-p (și golurile minoritare pe partea-n) creând coliziuni care vor determina electronii de pe straturile exterioare ale atomilor neutri să se despartă în număr mare. Aceasta este cunoscută sub numele de străpungere în avalanșă. În unele aplicații (de exemplu, circuite redresoare), străpungerea joncțiunii este dăunătoare. În alte tipuri de aplicații (de exemplu, surse de tensiune constantă și în unele circuite digitale), starea de străpungere a diodelor special concepute este utilizată practic. Tensiunile de străpungere tipice ale joncțiunilor-pn realizate din trei materiale semiconductoare comune sunt prezentate în tabelul 2.13. Rețineți că tensiunea de străpungere scade odată cu concentrația materialului de dopare.

Curentul printr-o joncțiune-pn cu polarizare inversă va crește exponențial cu temperatura. Pentru o joncțiune-pn polarizată direct, curentul va crește cu temperatura la tensiuni joase până la moderate și va scădea cu temperatura la nivele ridicate de tensiune.

TABEL 2.13 Tensiunea tipică de străpungere a joncțiunii-pn la temperatura camerei

2.7.1.5 Diode Zener

Diodele Zener sunt un tip particular de diode care sunt proiectate să funcționeze în vecinătatea străpungerii inverse (ambele străpungeri zener și avalanșă). În acest mod, poate fi generată o ieșire de tensiune oarecum constantă (tensiunea de străpungere). Această tensiune depinde de concentrația urmei de impurități. Prin variația concentrației de impuritate, tensiunile de ieșire în gama 2-200 V pot fi realizate dintr-o diodă zener. Ar fi necesare circuite speciale pentru a devia curenții mari care sunt generați la punctul de străpungere a diodei. Disiparea puterii nominale a unei diode zener ar trebui să ia în considerare nivelele de curent care ar fi posibile în regiunea de străpungere. Aplicațiile diodelor zener includ surse de tensiune constantă, circuite de tăiere a tensiunii, circuite de filtrare pentru tranziții de tensiune, circuite digitale și dispozitive cu două stări.

Exemplul 2.6

În figura 2.21 este prezentat un circuit simplu pentru alimentarea cu tensiune reglată. O sursă de tensiune continuă nereglată vs este conectată printr-un rezistor serie R la o diodă zener în polarizare inversă. Presupunând că v_s este mai mare decât tensiunea de străpungere a diodei, tensiunea de ieșire a circuitului v_o este menținută destul de constantă, așa cum rezultă din curba caracteristică prezentată în figura 2.20c. Obțineți o expresie pentru fluctuația în tensiunea de ieșire în raport cu fluctuațiile în sursa de tensiune v_s.

FIGURA 2.21 Un regulator de tensiune folosind o diodă zener

Soluţie

Însumarea tensiunii în bucla de circuit dă

unde i este curentul prin R, care este același cu curentul prin diodă, presupunând că ieșirea este în circuit deschis (sau rezistența de sarcină este destul de mare). Fluctuațiile semnalului sunt exprimate ca diferențiale în această ecuație; prin urmare

De asemenea, pentru diodă avem

unde R_z este rezistența oferită de dioda zener. Înlocuiți (iii) în (ii) pentru a obține

Deoarece R_z este destul de mic în comparație cu R, în urma străpungerii diodei, așa cum este clar din panta curbei din stânga din figura 2.20c dincolo de străpungere, este clar că Δv_o va fi destul de mic în comparație cu Δv_s.

2.7.1.6 Diode VVC

Diodele VVC folosesc proprietatea unei diode în care, la polarizare inversă, capacitatea diodei scade (neliniar) cu tensiunea de polarizare. Regiunea de epuizare a unei joncțiuni-pn este practic lipsită de purtători (electroni și găuri libere) și, prin urmare, se comportă ca mediul dielectric al unui condensator. Regiunea-p și regiunea-n unite servesc drept plăci ale condensatorului. Lățimea regiunii de epuizare crește odată cu tensiunea de polarizare. În consecință, capacitatea unei joncțiuni-pn polarizate invers scade odată cu creșterea tensiunii. Gama de capacități obținute poate fi variată prin schimbarea concentrației dopajului și, de asemenea, prin distribuirea neuniformă a concentrației de dopaj de-a lungul diodei. De exemplu, o variație a capacității de 5–500 pF poate fi obținută în acest mod (Notă: 1 pF = 1 × 10^-12 F). Diodele VVC sunt cunoscute și ca diode varicap și sunt utile în acordoare și oscilatoare controlate în tensiune.

2.7.1.7 Diode tunel

Epuizarea unei joncțiuni-pn poate fi făcută foarte subțire prin utilizarea de concentrații de dopaj foarte mari (atât pe partea de p cât și pe n). Rezultatul este o diodă tunel. Întrucât regiunea de epuizare este foarte îngustă, purtătorii de sarcină (electroni liberi și goluri) în părțile n și p ale diodei pot străpunge prin regiune în partea opusă, la aplicarea unei tensiuni relativ mici. Caracteristica tensiune-curent a unei diode tunel este destul de liniară la tensiuni joase (directă și inversă). Dar, dacă polarizarea directă este în continuare crescută, comportamentul devine destul de neliniar; curentul de joncțiune atinge un vârf, apoi scade (o conductanță negativă) la un minim (vale) și, în sfârșit, crește din nou pe măsură ce tensiunea este crescută. Datorită comportamentului liniar al diodei tunel la tensiuni mici, inversarea curentului aproape instantaneu (adică, timp de recuperare invers foarte scăzut) poate fi obținută prin comutarea tensiunii de polarizare. Diodele tunel sunt utile în dispozitive de comutare de frecvență înaltă, senzori și circuite de condiționare a semnalului.

2.7.1.8 Diode PIN

Lățimea regiunii de epuizare a unei joncțiuni-pn convenționale variază cu mulți factori, în primul rând tensiunea aplicată (polarizare). Capacitatea unei joncțiuni depinde de această lățime și variază datorită unor astfel de factori. O diodă cu o capacitate practic constantă este obținută prin adăugarea unui strat de siliciu între elementele p și n. Stratul de siliciu sandwich se numește strat intrinsec și dioda se numește diodă pin. Rezistența unei diode pin variază invers cu curentul joncțiunii. Diodele pin sunt utile ca rezistoare controlate în curent la capacitate constantă.

2.7.1.9 Diode cu barieră Schottky

Majoritatea diodelor constau din joncțiuni semiconductor-semiconductor. O excepție este dioda cu barieră Schottky care constă dintr-o joncțiune metal-semiconductor (de tip-n). În construcție poate fi utilizat un metal precum aur, argint, platină sau paladiu și un semiconductor, cum ar fi siliciu sau arsenura de galiu. Deoarece nu există goluri în metal, nu se poate forma o regiune de epuizare la joncțiunea metal-semiconductor. În schimb, o barieră de electroni este formată de electronii liberi din semiconductorul de tip-n. În consecință, capacitatea joncțiunii va fi neglijabilă, iar timpul de recuperare inversă va fi foarte mic. Din acest motiv, diodele Schottky pot gestiona frecvențe de comutare foarte mari (gama 10⁹ Hz). Întrucât folosind o polarizare inversă, bariera de electroni este mai ușor de pătruns decât o regiune de epuizare, diodele Schottky prezintă tensiuni de străpungere mult mai mici. Zgomotul de operare este, de asemenea, mai redus decât la diodele semiconductor-semiconductor.

2.7.1.10 Tiristoare

Tiristorul, cunoscut și sub numele de redresor controlat cu siliciu, redresor controlat solid-state, redresor controlat cu semiconductor sau pur și simplu SCR, posedă unele caracteristici ale unei diode semiconductoare. Este format din patru straturi (pnpn) de semiconductor și are trei terminale - anodul, catodul și poarta - așa cum se arată în figura 2.22a. Simbolul circuitului pentru tiristor este prezentat în figura 2.22b. Curentul tiristorului este notat de i, tensiunea externă este v, iar potențialul porții este v_g. Curba caracteristică a tiristorului este prezentată în figura 2.22c. Rețineți că tiristorul nu poate conduce în nici o direcție (i aproape zero) decât dacă tensiunea inversă ajunge la tensiunea de străpungere inversă (v_b) sau tensiunea directă atinge tensiunea de amorsare directă (v_fb). Amorsarea directă este o stare bistabilă și odată ce această tensiune este atinsă, tensiunea scade semnificativ și tiristorul începe să conducă ca o diodă polarizată direct. Când v_g este mai mic sau egal cu zero față de catod, v_fb devine destul de mare. Când v_g se face pozitiv, v_fb devine mic și va scădea odată cu creșterea curentului de poartă (i_g). O mică v_g pozitivă poate face ca v_fb să fie foarte mică, iar tiristorul va conduce de la anod la catod, dar nu în sens invers (adică se comportă ca o diodă). Rezultă că un tiristor se comportă ca un comutator declanșat de tensiune; un semnal de aprindere pozitiv (un v_g pozitiv) va închide comutatorul. Comutatorul va fi deschis când ambele i și v_g sunt făcute zero. Când tensiunea de alimentare v este DC și nenulă, tiristorul nu va putea să comute OFF singur. În acest caz, trebuie folosit un circuit de comutare care poate face ca tensiunea de declanșare v_g să fie ușor negativă. Tiristoarele sunt frecvent folosite în circuite de control pentru motoare DC și AC.

Valorile parametrilor pentru diode sunt date în fișele tehnice furnizate de producător. Variabilele utilizate frecvent și parametrii caracteristici în asociere cu diodele sunt descriși în tabelul 2.14. Pentru tiristoare, așa cum am menționat anterior, mai multe alte cantități, cum ar fi ca v_fb, v_g și i_g ar trebui să fie incluse. Timpul necesar pentru ca un tiristor să fie comutat ON de semnalul de declanșare (timpul de comutare ON) și timpul pentru care acesta poate fi comutat OFF prin comutare (timpul de comutare OFF) determină frecvența maximă de comutare (lățime de bandă) pentru un tiristor. O altă variabilă importantă este curentul de menținere sau curentul de blocare, care este micul curent direct care există la tensiunea de amorsare.

FIGURA 2.22 Tiristorul: (a) reprezentarea schematică;
(b) simbolul circuitului; (c) curba caracteristică

TABEL 2.14 Variabile și parametri caracteristice pentru Diode

2.7.2 Tranzistoare

2.7.2.1 Tranzistoare cu joncțiuni bipolare

Un BJT are două joncțiuni care se formează prin unirea regiunilor p și regiunilor n. Două tipuri de tranzistoare, npn și pnp, sunt posibile cu această structură. Un BJT are trei terminale, așa cum este indicat în figura 2.23a. Regiunea de mijloc (sandwich) a unui BJT este mai subțire decât regiunile de capăt, iar această regiune este cunoscută sub numele de bază. Regiunile de capăt sunt denumite emitor și colector. În condiții normale, joncțiunea emitor-bază este polarizată direct și joncțiunea colector-bază este polarizată invers, așa cum se arată în figura 2.23b.

Pentru a explica comportamentul unui BJT, considerați un tranzistor npn sub polarizare normală. Polarizarea directă la joncțiunea emitor-bază va face ca electronii liberi din emițător să circule în regiunea bazei, creând astfel curentul de emitor (i_e). Polarizarea inversă la joncțiunea colector-bază va crește regiunea de epuizare acolo. Diferența de potențial asociată la joncțiunea colector-bază va accelera electronii liberi din bază în colector și va forma curentul de colector (i_c). Golurile care sunt create în bază, pentru recombinare cu niște electroni liberi care au intrat în bază, vor forma curentul de bază (i_b). De obicei, i_c este puțin mai mic decât i_e. Mai mult, i_b este mult mai mic decât i_c.

FIGURA 2.23 BJT-uri: (a) tranzistoare npn și pnp; (b) simbolurile circuitului și polarizarea

2.7.2.1.1 Caracteristici ale tranzistorului

Conexiunea emitor-comun este utilizată pe scară largă pentru tranzistoare în aplicații de amplificare. În această configurație, terminalul emitor va fi comun cu partea de intrare și partea de ieșire a circuitului. Caracteristicile tranzistorului sunt de obicei specificate pentru această configurație. Figura 2.24 prezintă curbe caracteristice tipice pentru un tranzistor cu joncțiuni în conexiune emitor-comun. În această configurație, atât câștigul de tensiune (tensiune de ieșire/tensiune de intrare) cât și câștigul de curent (curent de colector/curent de bază) vor fi mai mari decât unitatea, oferind astfel o amplificare a tensiunii, precum și o amplificare a curentului. Rețineți că din figura 2.24 semnalul de control este curentul de bază (i_b), iar caracteristica tranzistorului depinde de i_b. Acest lucru este valabil în general pentru orice BJT; un BJT este un tranzistor controlat de curent. În configurația bază-comună, terminalul bazei este comun atât la intrare cât și la ieșire.

FIGURA 2.24 Curbe caracteristice ale unui BJT cu emitor comun

Frecvența maximă de operare și rata de comutare permisă pentru un tranzistor sunt determinate de parametri precum timpul de creștere, timpul de stocare și timpul de cădere. Acestea și alte câteva evaluări utile și parametri caracteristici pentru BJT-uri sunt definite în tabelul 2.15. Valorile acestor parametri sunt, de regulă, date în fișa de date a producătorului pentru un anumit tranzistor.

TABEL 2.15 Parametri nominali pentru tranzistoare

2.7.2.1.2 Procesul de fabricație a tranzistoarelor

Procesul efectiv de fabricație pentru un tranzistor este complex și delicat. De exemplu, un tranzistor npn poate fi fabricat începând cu un cristal de siliciu de tip-n. Acest element de pornire se numește wafer sau substrat. Se formează un tranzistor npn în jumătatea superioară a substratului prin utilizarea metodei de difuzie planară, după cum urmează: Substratul este încălzit la aprox. 1000°C. Pe suprafața cristalului este interferat un flux de gaz care conține o impuritate de tip-donor (care formează regiuni de tip-n). Aceasta produce un strat de tip-n pe cristal. În continuare, cristalul este oxidat prin încălzire la o temperatură ridicată. Stratul rezultat de dioxid de siliciu acționează ca o suprafață izolatoare. O mică suprafață a acestui strat este apoi dizolvată pentru a forma o fereastră folosind acid fluorhidric. Cristalul este din nou încălzit la 1000°C și un gaz care conține o impuritate de tip-acceptor (care formează regiuni de tip-p) este interferat pe fereastră. Acesta produce o regiune-p sub fereastră, în partea de sus a regiunii n, care a fost formată anterior.

Oxidarea se repetă pentru a acoperi regiunea p nou formată. Folosind acidul fluorhidric, o fereastră mai mică este tăiată pe ultimul strat de dioxid de siliciu și se formează o nouă regiune n, deasupra regiunii p. Întregul proces de fabricație trebuie controlat în mod corespunzător pentru a controla proprietățile tranzistorului rezultat. Contactele de aluminiu trebuie depuse pe regiunea n cea mai superioară, a doua regiune p (într-o fereastră circulară adecvată tăiată pe stratul de dioxid de siliciu) și pe regiunea n de sub ea sau pe substratul de cristal. O reprezentare picturală a unui tranzistor npn fabricat în acest mod este prezentată în figura 2.25.

FIGURA 2.25 Un tranzistor npn fabricat prin metoda de difuzie planară

2.7.2.2 Tranzistoare cu efect de câmp

Un FET, spre deosebire de un BJT, este un tranzistor controlat de tensiune. Câmpul electrostatic generat de o tensiune aplicată pe terminalul de poartă al unui FET controlează comportamentul FET. Deoarece dispozitivul este controlat de tensiune la nivele de curent de intrare foarte mici, impedanța de intrare este foarte mare, iar puterea de intrare este foarte mică. Alte avantaje ale unui FET față de un BJT sunt că primul este mai ieftin și necesită mult mai puțin spațiu pe un cip în formă monolitică. FET-urile sunt oarecum mai lente (în ceea ce privește vitezele de comutare) și mai neliniare, totuși, decât BJT-urile.

Există două tipuri principale de FET; tranzistoare cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor (MOSFET) și tranzistoare cu efect de câmp cu joncțiune (JFET). Chiar dacă structura fizică a celor două tipuri este oarecum diferită, caracteristicile lor sunt destul de similare. FET cu poartă izolată (sau IGFET) este un nume general dat unui MOSFET.

2.7.2.3 MOSFET

Un MOSFET cu canal-n este produs folosind un substrat de siliciu de tip-p, iar un MOSFET cu canal-p este produs de un substrat de tip-n. Un MOSFET cu canal-n este prezentat în figura 2.26a. În timpul fabricației, pe substrat se formează două regiuni de tip-n puternic dopate. O regiune este denumită sursă (S), iar cealaltă regiune este denumită drenă (D). Cele două regiuni sunt conectate printr-o regiune n îngustă și dopată moderat numită canal. Un strat de metal depus peste un strat izolant de dioxid de siliciu, care este format pe canal, este poarta (G). Conectorul sursei este de obicei unit cu conectorul substratului. Acesta este un MOSFET de tip-epuizare (sau D-MOSFET). Un alt tip este MOSFET-ul de îmbunătățire (sau E-MOSFET). În acest tip, un canal care leagă drena și sursa nu este prezent fizic în substrat, ci este indus în timpul funcționării tranzistorului.

Luați în considerare funcționarea unui D-MOSFET cu canal-n prezent în figura 2.26a. În funcționare normală, drena este polarizată pozitiv în raport cu sursa. Curentul de drenă id este considerat ieșirea unui MOSFET (analog curentului de colector al unui BJT). Semnalul de control al unui MOSFET este tensiunea porții vgs în raport cu sursa (analog cu curentul de bază al unui BJT). Rezultă că un MOSFET este un dispozitiv controlat cu tensiune. Întrucât terminalul sursă este utilizat ca referință atât pentru intrare (tensiune poartă) cât și ieșire (drenă), această conexiune este denumită configurația sursă-comună. Să presupunem că tensiunea porții este negativă în raport cu sursa. Aceasta va induce goluri în canal, reducând astfel electronii liberi prin recombinare. La rândul său, aceasta va reduce concentrația electronilor liberi în regiunea de drenă și, prin urmare, va reduce curentul de drenă i_d. În mod clar, dacă magnitudinea tensiunii negative la poartă este scăzută, curentul de drenă va crește, așa cum este indicat de curbele caracteristice din figura 2.26b. O polarizare pozitivă la poartă va crește în continuare curentul de drenă al unui MOSFET cu canal-n, așa cum este arătat. Opusul va fi valabil pentru un MOSFET cu canal-p.

FIGURA 2.26 Un FET metal-oxid-semiconductor:
(a) MOSFET de tip epuizare cu canal-n; (b) Caracteristici MOSFET-D

FIGURA 2.27 Un JFET canal-n

2.7.2.4 Tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune

Un JFET este diferit în structura fizică de un MOSFET, dar similar în caracteristică. Structura unui JFET cu canal-n este prezentată în figura 2.27. Este format din două regiuni de tip-p formate în interiorul unei regiuni de tip-n. Cele două regiuni p sunt separate de o regiune îngustă numită canal. Canalul leagă două regiuni de tip-n numite sursă (S) și drenă (D). Cele două regiuni p sunt legate printr-un terminal comun și formează poarta (G). Ca și în cazul unui MOSFET, curentul de drenă id este considerat ieșirea JFET, iar tensiunea porții v_gs în raport cu sursa este considerată semnalul de control. Pentru o funcționare normală, drena este polarizată pozitiv în raport cu sursa, ca în cazul unui MOSFET cu canal-n și se utilizează configurația sursă-comună.

Pentru a explica funcționarea unui JFET, considerație JFET cu canal-n prezentat în figura 2.27. Regiunile de epuizare sunt prezente la cele două joncțiuni-pn ale JFET (ca pentru o diodă semiconductoare). Dacă tensiunea porții este negativă, câmpul rezultat va slăbi regiunile p. Drept urmare, regiunile de epuizare se vor micșora. Unii dintre electronii liberi din drenă vor difuza spre canal pentru a ocupa regiunile n în creștere din cauza regiunilor de epuizare în scădere. Acest lucru va reduce curentul de drenă. Rezultă că curentul de drenă scade odată cu creșterea magnitudinii tensiunii negative la poartă. Acest comportament este similar cu cel al unui MOSFET. Un JFET canal-p are două regiuni n reprezentând poarta și două regiuni p care formează sursa și drena, care sunt legate de un canal-p. Caracteristica sa este inversa unui JFET cu canal-n.

Tipurile obișnuite de tranzistoare sunt rezumate în tabelul 2.16. Dispozitivele semiconductoare au numeroase utilizări. O utilizare obișnuită este ca dispozitiv de comutare sau ca element cu două stări. Elementele tipice cu două stări sunt ilustrate schematic în figura 2.28.

TABEL 2.16 Tipuri comune de tranzistor

Exemplul 2.7

Dependența de temperatură a unui BJT permite utilizarea acestuia ca senzor de temperatură. Relația relevantă (model Ebers–Moll) este

unde

T este temperatura absolută (°K)
k este constanta Boltzmann (1,38 × 10^-23 J/K)
q este mărimea sarcinii electronului (1,6 × 10^-19 C)
I_s curentul de saturație

Dificultatea aici este că I_s variază și cu temperatura. Această problemă poate fi depășită prin utilizarea a două tranzistoare identice cu o bază comună și menținerea curenților lor de colector (ic) la un raport fix. În figura 2.29 este prezentat un circuit adecvat. Obțineți o expresie pentru ieșirea vo pentru circuit și arătați că aceasta variază liniar cu T.

FIGURA 2.28 Elemente de comutare (cu două stări) discrete:
(a) Releu electromagnetic; (b) dioda zener; (c) BJT (npn); (d) MOSFET canal-n

Soluţie

Pentru cele două tranzistoare, care sunt identice, avem

Scăzând a doua ecuație din prima, obținem

Rețineți că termenul I_s dependent de temperatură a fost eliminat. Prin urmare,

Se vede că tensiunea de ieșire variază liniar cu temperatura. Raportul curenților de colector (i_c2/i_c1) trebuie menținut la o constantă atunci când se efectuează citirea senzorilor.

2.7.2.4.1 Elemente de comutare

FIGURA 2.29 Un circuit pentru un senzor de temperatură semiconductor

Dispozitivele semiconductoare sunt utile în special ca elemente de comutare de înaltă frecvență în circuite. De exemplu, în modularea lățimii impulsului (PWM), tensiunea medie și puterea furnizate de un circuit de acționare (de exemplu, amplificator conectat la un motor) sunt variate prin variația factorului de umplere (duty ratio). Aici se menține constantă frecvența de comutare și nivelul tensiunii de ieșire.

Factorul de umplere este definit ca fiind

unde
t_on este timpul on de comutare
t_off este timpul off de comutare într-un ciclu de comutare

Frecvența de comutare este dată de

2.8 Emițătoare de lumină și afișaje