Jak działają właściwości i zachowanie złącza pn w diodzie półprzewodnikowej?

Dioda złącza pn to nieliniowy element elektroniczny, którego prąd jest funkcją wykładniczą napięcia w stanie przewodzenia, a w stanie zaporowym (reverse-bias) przepływa jedynie bardzo niewielki prąd nasycenia, zwany prądem wstecznym. Typowa wartość tego prądu nasycenia, IS, może wynosić około 10⁻¹⁴ A, jednak rzeczywiste diody wykazują prądy wsteczne znacznie większe, rzędu nanamperów, ze względu na dodatkowy prąd generacyjny spowodowany powstawaniem nośników ładunku w obszarze przestrzeni ładunkowej. Prąd ten pozostaje jednak zazwyczaj na tyle mały, że można go w praktyce pominąć.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody w stanie przewodzenia jest mocno zależna od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury napięcie przewodzenia wymagane do uzyskania danego prądu maleje, około 2 mV na każdy stopień Celsjusza w przypadku diod krzemowych. Jednocześnie prąd nasycenia IS rośnie wykładniczo z temperaturą, podwajając się średnio co 5 °C. Zjawisko to jest szczególnie istotne w diodach z germanium, gdzie wysoka wartość koncentracji nośników wewnętrznych powoduje znaczny wzrost prądu wstecznego wraz z temperaturą, co czyni takie diody mniej praktycznymi dla większości zastosowań.

Przy wzroście napięcia zaporowego, pole elektryczne w obszarze złącza rośnie do wartości, przy której następuje zjawisko przebicia (breakdown). W wyniku tego, następuje gwałtowny wzrost prądu wstecznego, spowodowany generowaniem par elektron-dziura na skutek zerwania wiązań kowalencyjnych. Wzrost prądu jest ograniczony tylko przez obwód zewnętrzny, co może prowadzić do uszkodzenia diody, jeśli prąd nie zostanie odpowiednio ograniczony. Najczęściej występującym mechanizmem przebicia jest zjawisko lawinowe (avalanche breakdown), podczas którego nośniki energii kinetycznej uzyskanej w polu elektrycznym powodują kolejne zderzenia i powstawanie nowych par nośników, tworząc efekt lawinowy. Istnieje także mechanizm zwanego przebiciem Zenera, który zachodzi przy bardzo wysokich koncentracjach domieszek i jest wynikiem tunelowania nośników przez barierę potencjału. Przebicie Zenera występuje przy niskich napięciach, zwykle poniżej 5 V, i jest podstawą działania diod Zenera, które są projektowane do pracy w obszarze przebicia.

Napięcie przebicia diody zależy od stopnia domieszkowania półprzewodników w obszarach p i n. Wyższa koncentracja domieszek skutkuje niższym napięciem przebicia. Standardowo, diody posiadają tzw. wartość maksymalnego napięcia wstecznego (Peak Inverse Voltage, PIV), której nie należy przekraczać, aby uniknąć uszkodzenia elementu.

Istotnym aspektem użytkowym jest również czas przełączania diody między stanem przewodzenia a zaporowym. W stanie przewodzenia w obszarach p i n gromadzi się nadmiar nośników mniejszościowych (elektronów i dziur), które muszą zostać zneutralizowane, gdy dioda przechodzi do stanu zaporowego. Usuwanie tego ładunku powoduje, że przełączanie nie jest natychmiastowe i charakteryzuje się określonym czasem przejściowym, co wpływa na szybkość działania diody jako elementu przełączającego.

Ważne jest, by czytelnik zrozumiał, że chociaż podstawowe właściwości diody można opisać prostym modelem wykładniczego wzrostu prądu w funkcji napięcia, to w praktyce właściwości te są modyfikowane przez temperaturę, prąd generacyjny w złączu, zjawiska przebicia oraz dynamikę nośników mniejszościowych. Wszystkie te czynniki wpływają na wybór diody do konkretnych zastosowań i sposób projektowania obwodów, w których diody te są stosowane. Szczególnie istotne jest uwzględnienie wpływu temperatury oraz parametrów przebicia, gdyż ich ignorowanie może prowadzić do niewłaściwej pracy urządzenia lub jego trwałego uszkodzenia.

Jak działa źródło prądowe w układzie tranzystorowym?

Analiza obwodu źródła prądowego z tranzystorami, jak na przykład w przypadku układu Wilsona, wymaga uwzględnienia wielu czynników, takich jak odpowiedni dobór tranzystorów i ich parametrów. Główne założenie analizy, oparte na identycznych tranzystorach, zakłada równość prądów bazy (IB1 = IB2) oraz prądów kolektora (IC1 = IC2), co pozwala na uzyskanie w przybliżeniu jednakowych poziomów prądów we wszystkich tranzystorach. Z tego powodu można przyjąć, że zyski prądowe tych tranzystorów są równe, co ułatwia dalszą analizę.

Z równania węzłowego na kolektorze tranzystora Q1 oraz emiterze tranzystora Q3 wynika, że prąd odniesienia (IREF) jest równy sumie prądów kolektora IC1 i prądu bazy IB3. Dalsza analiza pozwala wyrazić prąd kolektora IC2 w odniesieniu do prądu emiterowego IE3, przy czym stosunek tych prądów jest zależny od współczynnika β tranzystora. Równanie (10.22) daje nam możliwość zapisania prądu kolektora IC2 w postaci zależności od prądu emiterowego IE3, co następnie umożliwia wyznaczenie prądu wyjściowego w układzie. Przekształcenie równań prowadzi do wyrażenia prądu wyjściowego IC3 jako funkcji prądu odniesienia IREF, gdzie istotnym parametrem jest współczynnik β.

W układzie Wilsona, w porównaniu do innych układów trójtransystorowych, charakterystyczną cechą jest wyższa rezystancja wyjściowa, której wartość wynosi Ro ≈ βro3/2. Oznacza to, że zmiana prądu wyjściowego IO w wyniku zmiany napięcia kolektora jest znacznie mniejsza w układzie Wilsona, co czyni go bardziej odpornym na fluktuacje napięcia wyjściowego. Rezystancja wyjściowa w takim układzie jest około β/2 razy wyższa niż w układzie dwutranzystorowym, co czyni go bardziej stabilnym w kontekście zmian napięcia na wyjściu.

Jeśli chodzi o zakres wahań napięcia wyjściowego, to maksymalna zmiana napięcia w obwodzie zależy od minimalnego napięcia kolektor-emiter tranzystora Q2. Dla klasycznego układu dwutranzystorowego minimalne napięcie kolektor-emiter (VC E2) w stanie nasycenia wynosi około 0,1 do 0,3 V. W układach kaskodowych i Wilsona minimalne napięcie wyjściowe jest wyższe i wynosi około 0,7 do 0,9 V, co może stanowić problem w układach zasilanych niskimi napięciami, szczególnie w układach o niskiej mocy.

Podstawową metodą rozwiązywania problemów związanych z obwodami źródeł prądowych BJT jest analiza sumy prądów w różnych węzłach obwodu, co pozwala znaleźć zależność między prądem odniesienia a prądem biasu. Aby wyznaczyć rezystancję wyjściową, należy na wyjściu umieścić napięcie testowe i przeprowadzić analizę obwodu w małych sygnałach, uwzględniając stałość prądu odniesienia, co może powodować, że niektóre napięcia bazowe będą stałe lub będą się zmieniały tylko w małym stopniu.

Kolejnym przykładem jest źródło prądowe Widlara. W układzie tym napięcie wytwarzane na rezystorze RE powoduje, że napięcie B-E tranzystora Q2 jest mniejsze niż napięcie B-E tranzystora Q1, co skutkuje mniejszym prądem kolektora i w konsekwencji mniejszym prądem obciążenia (IO) w porównaniu do prądu odniesienia (IREF). W tym przypadku, przy β >> 1, prąd odniesienia i prąd obciążenia można opisać zależnościami eksponencjalnymi, które wyrażają zależność między napięciem B-E a prądem kolektora.

Równanie (10.30) pozwala na określenie stosunku prądów odniesienia i obciążenia w zależności od rezystora RE. Dzięki temu układ Widlara umożliwia uzyskanie prądów o bardzo małej wartości biasu, co jest szczególnie ważne w układach scalonych, gdzie rezystory muszą mieć małe wartości, aby umożliwić precyzyjne sterowanie prądem.

Ważne jest, by przy projektowaniu takich układów uwzględniać zmienność temperatury tranzystorów. Różnice w temperaturze mogą prowadzić do znacznych zmian w charakterystyce prądowo-napięciowej, co może wpłynąć na stabilność działania układu. Dlatego w praktyce projektanci starają się utrzymywać temperatury tranzystorów na podobnym poziomie, aby zminimalizować wpływ tych różnic na parametry pracy układu.

Projektowanie źródeł prądowych, takich jak układ Widlara, może być wyzwaniem, szczególnie w kontekście integracji układów scalonych, gdzie przestrzeń na rezystory jest ograniczona, a ich precyzyjne wykonanie jest trudne. Dzięki jednak odpowiedniemu doborowi wartości rezystorów i starannej kontroli parametrów tranzystorów, możliwe jest uzyskanie źródła prądowego o stabilnych i dokładnych parametrach.

Jak działają tranzystory MOSFET typu p i n oraz jakie są ich symbole i charakterystyki?

Tranzystor MOSFET typu p pracuje w dwóch podstawowych obszarach: nasycenia oraz nienasycenia. Prąd drenu w stanie nienasycenia wyrażony jest wzorem zależnym od napięć na złączu źródło-brama i źródło-dren, a w stanie nasycenia przyjmuje postać kwadratu sumy napięcia brama-źródło i napięcia progowego. Parametr Kp, który określa przewodność kanału p, zależy od szerokości i długości kanału oraz pojemności warstwy tlenku, a także od mobilności nośników ładunku w warstwie inwersyjnej. Mobilność dziur w tranzystorze typu p jest mniejsza niż elektronów w tranzystorze typu n, co wpływa na charakterystykę prądowo-napięciową.

Dla tranzystora typu p pracującego w obszarze nasycenia napięcie między źródłem a drenem musi spełniać warunek bycia większym niż suma napięcia brama-źródło i napięcia progowego, co zapewnia stabilność pracy w tym obszarze. Przykład obliczeniowy pokazuje, jak określić minimalne napięcie źródło-dren konieczne do utrzymania pracy w stanie nasycenia przy zadanym prądzie drenu.

Symbole obwodowe tranzystorów MOSFET zarówno typu n, jak i typu p, odzwierciedlają ich strukturę i polaryzację. Tradycyjny symbol n-kanałowego tranzystora enhancement-mode przedstawia cztery terminale: bramkę, dren, źródło i podłoże. W praktyce, aby uprościć schematy, terminal podłoża jest najczęściej łączony ze źródłem i nie jest rysowany osobno, co ułatwia analizę układów. Strzałka umieszczona na terminalu źródła wskazuje kierunek przepływu prądu i jednocześnie określa typ tranzystora — dla tranzystora n-kanałowego prąd wypływa ze źródła.

Symbole tranzystora p-kanałowego są analogiczne, ale strzałka wskazuje przeciwny kierunek, a polaryzacja napięć jest odwrócona względem tranzystora n-kanałowego. W zaawansowanych opracowaniach stosuje się uproszczone symbole, które zakładają, że górny terminal to źródło lub dren, co jest oczywiste z kontekstu zastosowania. W tekstach wprowadzających używa się wersji symboli z umieszczoną strzałką na źródle, aby jasno wskazać kierunek prądu i typ tranzystora.

Poza tranzystorami enhancement-mode istnieją też tranzystory depletion-mode, które mają już utworzony kanał przy zerowym napięciu brama-źródło. Przykładem jest n-kanałowy MOSFET depletion-mode, gdzie nawet przy zerowym napięciu brama-źródło przez kanał płynie prąd. Ujemne napięcie bramy zmniejsza przewodność kanału, aż do całkowitego wyłączenia tranzystora, gdy napięcie osiąga wartość progową. Dodatnie napięcie powoduje zwiększenie gęstości nośników w kanale, co zwiększa prąd drenu.

Warto podkreślić, że różnice w budowie i zasadzie działania tranzystorów n- i p-kanałowych, jak również między trybami enhancement i depletion, wpływają na projektowanie układów scalonych i ich właściwości dynamiczne. Napięcia progowe, mobilność nośników i konfiguracja symboli to podstawowe aspekty, które należy brać pod uwagę przy analizie i symulacji obwodów MOSFET.

Zrozumienie, jak zmieniają się charakterystyki prądowo-napięciowe w zależności od polaryzacji i typu tranzystora, jest kluczowe dla właściwego doboru i sterowania elementów półprzewodnikowych w praktycznych zastosowaniach. Równie ważne jest rozpoznanie symboliki, która ułatwia czytanie schematów i rozumienie układów elektronicznych na poziomie projektowym i użytkowym.