Poluprovodnici Poluprovodnički materijali predstavljaju osnovu moderne elektronike Energetski procep predstavlja minimalnu energiju neophodnu da elektron izađe iz valentnog opsega Specifična električna otpornost poluprovodnika je u opsegu of 10-6 Ωm do 1010 Ωm Najvažniji poluprovodnički materijali su: Silicijum (Si) Germanijum (Ge) Galijum-Arsenid (GaAs) Energetski procep je za većinu materijala manji od 3 eV, premda postoje poluprovodnici i sa nešto većim procepom (do 9 eV)

Poluprovodnici Energija elektrona odgovara nekim diskretnim energetskim nivoima Izolatori imaju veoma širok zabranjeni opseg između valentnog i provodnog opsega Poluprovodnici imaju uzan zabranjeni opseg između valentnog i provodnog opsega Kod metala valentni i provodni opseg su veoma blizu

Kristalna struktura čistog silicijuma Poluprovodnici Čist kristal silicijuma ima strukturu koja se sastoji od atoma sa četiri kovalentne veze prema susednim atomima Valentne veze se mogu pokidati, odnosno pojedini elektroni mogu dobiti dovoljno energije da pobegnu iz atoma i postanu slobodni elektroni Nedostajući elektron u valentnoj vezi se zove “šupljina” i ponaša kao pozitivno naelektrisanje Elektron iz neke od susednih valentnih veza može popuniti mesto nedostajućeg elektrona u šupljini tako da atom ponovo postane neutralan. Ovo je ekvivalentno sa kretanjem šupljina Kristalna struktura čistog silicijuma

N tip poluprovodnika Provodljivost silicijuma se može povećati ukoliko se određeni materijali dodaju u kristalnu strukturu. Ovaj proces se naziva dopiranje silicijuma Materijali kao što su fosfor, arsen, kao i drugi elementi koji imaju pet valentnih electrona (elementi pete groupe), dovode do povećanja broja slobodnih elektrona ukoliko se dodaju silicijumu. Ovakve nečistoće se nazivaju donorskim nečistoćama. Dopirani silicijum se naziva n-tip silicijuma Broj slobodnih elektrona u n-tipu silicijuma je određen koncentracijom donorskih nečistoća Kristalna struktura silicijuma sa donorskim nečistoćama

Dopirani poluprovodnik ostaje električno neutralan P tip poluprovodnika Ukoliko se u kristalnu strukturu silicijuma dodaju male količine materijala sa tri valentna elektrona, kao što su na primer bor, indijum ili drugi elementi treće grupe, pojaviće se dodatne šupljine Ovakve nečistoće se nazivaju akceptorskim nečistoćama, a ovako dopirani silicijum, silicijumom p-tipa Dopirani poluprovodnik ostaje električno neutralan Kristalna struktura silicijuma sa akceptorskim nečistoćama

Električno ponašanje PN spoja Poluprovodnike P i N tipa možemo spojiti u PN spoj Pojavljuje se unutrašnje električno polje usled rekombinacije elektrona i šupljina na spoju P i N tipa poluprovodnika

Nepolarisan PN spoj potencijalna razlika zaprečnog sloja (oblasti prostornog tovara) je U0 - struja elektrona i šupljina Ii - struja sporednih nosilaca Is

Pozitivno polarisan PN spoj Ukoliko se PN spoj pozitivno polariše, dolazi do smanjenja oblasti prostornog tovara Ako je napon polarizacije veći od napona potencijalne barijere, U0, PN spoj počinje da provodi

Inverzno polarisan PN spoj Ukoliko se PN spoj inverzno polariše, dolazi do širenja oblasti prostornog tovara čime se dodatno blokira protok naelektrisanja PN spoj predstavlja najprostiji poluprovodnički element koji altenativno zovemo dioda

- karakteristika diode UT predstavlja napon potencijalne barijere Za silicijumske diode UT je u opsegu od 0,6 do 0,8 V Za germanijumske diode UT je oko 0,2 V Ukoliko se napon inverzne polarizacije dovoljno poveća, na nekom naponu Ub, doći će do proboja i dioda će početi da provodi

Posebne vrste PN spojeva termistori varistori fotodiode led diode tunelska dioda Zener dioda

Zenerove ili probojne diode Konstruišu se da rade u oblasti inverzne polarzacije Dioda može da radi i u oblasti proboja, pod uslovom da ne dolazi do pregrevanja diode (toplota je proporcionalna proizvodu struje, napona i vremena)

Usmeravanje naizmenične struje - Jedna od najvažnijih primena dioda je za usmeravanje naizmenične struje - idealni usmerač - idealni ispravljač

Jednofazno polutalasno usmeravanje - statička otpornost diode R - Karakteristika diode se linearizuje, radi lakše računice

Jednofazno polutalasno usmeravanje - od wt=0 do wt=p

Jednofazno polutalasno usmeravanje Srednja vrednost struje Srednja snaga potrošača Efektivna vrednost struje Ukupna snaga Koeficijent korisnog dejstva Jednofaznim polutalasnim usmeravanjem je moguće postići efikasnost od 40,5% pod uslovom da je statička otpornost diode mnogo manja od otpornosti potrošača

Dvofazno polutalasno usmeravanje

Srednja vrednost struje Dvofazno polutalasno usmeravanje Srednja vrednost struje

Dvofazno polutalasno usmeravanje Srednja snaga potrošača Efektivna vrednost struje Ukupna snaga Koeficijent korisnog dejstva Dvofaznim polutalasnim usmeravanjem je moguće postići efikasnost od 81% pod uslovom da je statička otpornost diode mnogo manja od otpornosti potrošača

Jednofazno punotalasno usmeravanje Srednja vrednost struje:

Faktor talasnosti

- jednofazno polutalasno usmeravanje - dvofazno polutalasno ili jednofazno punotalasno usmeravanje

- kapacitivni filter vezan na kraj jednofaznog polutalasnog usmerača

- kapacitivni filter vezan na kraj dvofaznog polutalasnog ispravljača

LC filter

Dioda kao ograničavač napona

Višefazno usmeravanje

Srednja vrednost napona: Višefazno usmeravanje Srednja vrednost napona:

Tranzistori Primenjuju se kod: radio i televizijskih urađaja, elektronskih računara elektronskih prekidača, kola impulsne tehnike pojačavača, oscilatora, modulatora Bipolarni tranzistor se koristi kao osnovni pojačavački element u složenijim pojačavačkim kolima (operacioni pojačavači, pojačavači snage...) Tranzistori su ulogu osnovnog pojačavačkog elementa preuzeli od elektronskih cevi zbog svoje veličine, pouzdanosti i cene. U literaturi si najčešće označavaju kao BJT (Bipolar Junction Transistor)

Bipolarni tranzistori su poluprovodičke triode u kojima je sloj n-tipa poluprovodnika smešten između dva sloja p-tipa poluprovodnika (ili obrnuto p-tip između slojeva n-tipa). U prvom slučaju to je p-n-p tranzistor, a u drugom n-p-n. emitor baza kolektor E B C emitor baza kolektor E B C P N P N P N

Radna područja tranzistora Kod bipolarnih tranzistora svaki od spojeva se može direktno ili inverzno polarisati tako da postoje četiri posebne oblasti rada tranzistora: Ako su oba pn spoja inverzno polarisana tranzistor je zakočen (ne provodi struju) i ponaša se kao otvoreni prekidač. Ako su oba spoja direktno polarisana tranzistor se nalazi u oblasti zasićenja i ponaša se kao zatvoren prekidač. Ova dva područja se koriste u digitalnim logičkim kolima radi predstavljanja binarnih stanja. Ako je spoj emitor-baza direktno, a spoj kolektor baza inverzno polarisan tranzistor radi u direktnoj aktivnoj oblasti i može obezbediti veliko pojačanje struje, napona ili snage. Ukoliko je spoj emitor-baza polarizovan inverzno, a kolektor baza direktno, tranzistor radi u inverznoj aktivnoj oblasti. U ovoj oblasti je pojačanje slabo, tako da se retko koristi.

Rad tranzistora Spoj EB je direktno, a spoj BC inverzno polarisan. Polarizacijom se potencijalna berijera EB sužava, dok se potencijalna barijera BC širi. Sužavanje EB barijere omogućava prelazak šupljina iz E u B koje se difuzno šire kroz bazu dok ne stignu do BC spoja. Na BC spoju električno polje ih ubrzava, tako da sve šupljine koje stignu do barijere pokupi kolektor.

α nije konstanta već zavisi od IE , UCB i temperature Struja emitora se sastoji od šupljina koje prelaze u bazu i elektrona koji iz baze stižu u emitor. Odnos ovih struja zavisi od provodljivosti p odnosno n spoja. U komercijalnim tranzistorima je stepen dopiranja p sloja značajno veći od dopiranja n sloja čime se postiže da se praktično celokupna struja sastoji od struje šupljina. Deo šupljina se rekombinuje u bazi tranzistora, dok preostali deo formira kolektorsku struju. Bitno je napomenuti da je baza veoma uzana, uža od 10 μm, tako da se samo manji deo šupljina rekombinuje. Deo kolektorske struje čini i struja IC0 koja predstavlja inverznu struju zasićenja BC spoja. koeficijent strujnog pojačanja α nije konstanta već zavisi od IE , UCB i temperature

Veza sa zajedničkim emitorom U većini električnih kola tranzistor se koristi u obliku veze sa zajedničkim emitorom.

- β - koeficijent strujnog pojačanja Veoma mala promena parametra α uzrokuje veliku promenu parametra β β tipično ima vrednost 10-1000

- izlazna karakteristika ICE0 – struja zasićenja kolektora u kolu sa zajedničkim emitorom kada je baza slobodna - ulazna karakteristika - izlazna karakteristika - UCE - parametar - IB - parametar