opracowanie.kolokwium.2

http://mtr.freakone.pl

Strona 1

37. Przedstaw: symbol, strukturę w przekroju ( konstrukcję) oraz ogólna zasadę polaryzacji
tranzystora bipolarnego w zakresie aktywnym normalnym dla obydwu podstawowych typów
tranzystorów.

pnp

npn

W normalnych warunkach pracy złącze kolektora jest spolaryzowane zaporowo. Napięcie przyłożone
do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia powoduje przepływ prądu przez to złącze – nośniki z
emitera (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w tranzystorach pnp) przechodzą do obszaru bazy
(stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośników przechodzących w przeciwną stronę,
od bazy do emitera jest niewiele, ze względu na słabe domieszkowanie bazy. Nośniki wprowadzone z
emitera do obszaru bazy dyfundują w stronę mniejszej ich koncentracji - do kolektora. Dzięki
niewielkiej grubości obszaru bazy trafiają do obszaru drugiego złącza, a tu na skutek pola
elektrycznego w obszarze zubożonym są przyciągane do kolektora.

38. Podaj zasadę polaryzacji by tranzystor bipolarny pracował w zakresie aktywnym
normalnym . Narysuj układy pracy WBaza (OB.), WEmiter (OE).

npn w zakresie aktywnym normalnym:

UBE > 0, UBC < 0, prądy zaś: IE < 0, IC > 0, IB> 0

http://mtr.freakone.pl

Strona 2

pnp w zakresie aktywnym normalnym:
UEB>O, UCB<0 oraz IE>0, IC<0, IB<0

39. Dlaczego tranzystor wzmacnia?

Po przyłożeniu do złącza emiterowego napięcia w kierunku przewodzenia, popłynie niewielki prąd
między bazą a emiterem. To spowoduje przepływ dużego prądu między bazą, a emiterem. Gdy
elektrony znajdą się w bazie pole elektryczne zacznie wyciągać je w kierunku kolektora. Wartość
prądu kolektora jest sterowana napięciem baza-emiter. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy
nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznacza się grecką literą β.

40. Dlaczego tranzystor nazywany jest transformatorem rezystancji?

Nazywamy go tak, dlatego że umożliwia sterowanie prądem za pomocą napięcia przy użyciu zmiany
rezystancji. Innymi słowy napięcie przyłożone do tranzystora powoduje odpowiednią co do wartości
tego napięcia zmianę rezystancji między jego nóżkami.

http://mtr.freakone.pl

Strona 3

41. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej npn w układzie
WEmiter (OE).

•

stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB
zaporowo,

42. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej pnp w układzie
WEmiter (OE).

•

stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB
zaporowo,

43. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej npn w układzie WBaza
(OB).

•

stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB
zaporowo,

http://mtr.freakone.pl

Strona 4

44. Spolaryzuj na WE i WY tranzystor bipolarny dla pracy aktywnej pnp w układzie WBaza
(OB).

•

stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB
zaporowo,

45. Narysuj charakterystyki statyczne WY tranzystora bipolarnego w układzie WEmitera
(OE) ( Zaznaczyd odcięcie i nasycenie tranzystora).

46. Wyprowadź zależnośd między współczynnikami wzmocnienia w układzie OB i OE

http://mtr.freakone.pl

Strona 5

47. Narysuj charakterystyki statyczne WY tranzystora bipolarnego w układzie WBazy (OB)
( Zaznacz odcięcie i nasycenie tranzystora).

48. Narysuj charakterystyki statyczne WY tranzystora bipolarnego w układzie WEmitera
(OE) ( Zaznacz odcięcie i nasycenie tranzystora).

Było, patrz 45.

49. Przedstaw model czwórnikowy z macierzą „h” opisujący pracę tranzystora bipolarnego
z małymi sygnałami.

Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym.
Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu
i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech
wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych
uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych
układów równań.

http://mtr.freakone.pl

Strona 7

52. Przedstaw wykres wzmocnienia prądowego w układzie WEmitera (OE) od
częstotliwości (β =f(f)).

53. Narysuj charakterystykę częstotliwościową układu wzmacniacza małej mocy, małej
częstotliwości zbudowanego z wykorzystaniem tranzystora bipolarnego pracującego w
układzie Wspólnego Emitera (WE). Przedstaw na niej jak definiuje sie 3dB pasmo
przenoszenia takiego układu. Jakim pasmem przenoszenia charakteryzuje się taki układ?

Górny wykres.

54. Co to jest heterozłącze i jaka jest jego podstawowa, najchętniej wykorzystywana cecha?

Heterozłącze - złącze wytworzone z dwóch typów półprzewodników (typu n i typu p) o różnych
szerokościach warstwy zaporowej. Szeroko wykorzystywane w laserach półprzewodnikowych (diody
laserowe) i LED (diody elektroluminescencyjne).

http://mtr.freakone.pl

Strona 8

Heterozłącze jest to granica rozdziału (ewentualny obszar przejściowy) między dwoma różnymi
półprzewodnikami tworzącymi strukturę monokrystaliczną. Powstało ono na skutek potrzeby
opanowania coraz większych częstotliwości. Zastosowanie heterozłącza umożliwia zmniejszenie
czasu przelotu i rezystancji bazy oraz zwiększenie wzmocnienia prądowego. Najchętniej
wykorzystywaną cechą jest to, że heterozłącze pozwala na lokalizację obszaru rekombinacji.

55. Co to jest tranzystor dryftowy; opisz zasadę jego działania, na czym polega jego zaleta?

Tranzystor dryftowy posiada bazę, która jest słabiej domieszkowana od emitera. Jego nazwa
pochodzi od prądu unoszenia, który powstaje dzięki owej różnicy domieszek (powstaje pole
elektryczne, które powoduje dryf nośników). Skutkiem jest skrócenie czasu transportu przez bazę co
pozwala na pracę z większymi częstotliwościami.

56. Objaśnij zasadę działania złącza Schottky’ego

Łącznie możliwe są cztery przypadki typu półprzewodnika oraz zależności
pomiędzy Φm i Φs:
1) półprzewodnik typu n oraz Φm < Φs
2) półprzewodnik typu n oraz Φm > Φs
3) półprzewodnik typu p oraz Φm < Φs
4) półprzewodnik typu p oraz Φm > Φs
W przypadkach 1) i 4) złącze metal-półprzewodnik
jest kontaktem omowym,
natomiast w przypadku 2) oraz 3) jest kontaktem prostującym.

Złączem Schottky’ego nazywamy przypadek 2) oraz 3).

Po zetknięciu się metalu i półprzewodnika układ dąży do równowagi termodynamicznej poprzez
przegrupowanie elektronów. Po stronie metalu pojawia się cienka warstwa ładunku ujemnego, a po
stronie półprzewodnika znacznie szersza wwarstwa ładunku dodatniego. Bariera potencjału jest
równa różnicy potencjałów wyjścia elektronów.

Wysokość bariery może być zmieniana przez polaryzację: ujemne napięcie zwiększa, dodatnie
zmniejsza.

Elektrony, które przeszły z półprzewodnika do metalu w pierwszej chwili obsadzają poziomy wysoko
nad poziomami Fermiego - bardzo szybko oddają swoją energię i stają się cześcią swobodnych
elektronów w metalu.

http://mtr.freakone.pl

Strona 9

57. Wyjaśnij określenie „ tranzystory polowe "( unipolarne).Określ podstawowe parametry
opisujące ich właściwości.

W tranzystorze unipolarnym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.
Mechanizm przewodzenia jest oparty na jednym rodzaju nośników – dziurach lub elektronach.

Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego
półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od ang. source, odpowiednik emitera w
tranzystorze bipolarnym) i drenem (D, drain, odpowiednik kolektora). Pomiędzy nimi tworzy się tzw.
kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate,
odpowiednik bazy). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w
których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą
elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża.

W zależności od typu półprzewodnika, w którym tworzony jest kanał, rozróżnia się:

•

tranzystory z kanałem typu p, w którym prąd płynie od źródła do drenu

•

tranzystory z kanałem typu n, w którym prąd płynie od drenu do źródła

Parametry:

napięcie bramka – źródło

Jest to napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy

ustalonym napięciu dren-źródło (

nie płynął prąd drenu

Prąd nasycenia

Jest to prąd płynący przy napięciu

0 i określonym napięciu

Prąd wyłączenia -

Rezystancja statyczna włączenia -

Rezystancja wyłączenia -

Prądy upływu

58. Opisz zasadę działania, narysuj przekrój przez strukturę rzeczywistą, symbol ogólny i
spolaryzuj tranzystor JFET z kanałem typu n.

Jednorodny obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który
płynie prąd nośników większościowych (elektrony) i którego rezystancję można zmieniać poprzez
zmianę jego przekroju. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzanie lub zwężanie
warstwy zaporowej złącza p–n, powodowane zmianą wartości napięcia UGS, polaryzującego złącze
bramka – kanał w kierunku zaporowym. Na skutek bardzo dużej różnicy koncentracji domieszek w
złączu p+–n obszar bariery potencjału wnika głównie do półprzewodnika typu n.

http://mtr.freakone.pl

Strona 10

Pod wpływem wzrostu napięcia UGS, polaryzującego złącze p+–n zaporowo, obszar zubożony
rozszerzy się, powierzchnia przekroju kanału tym samym zmniejszy się, więc jego rezystancja
wzrośnie. Dalsze zwiększanie wartości napięcia UGS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwa
zaporowa całkowicie zamknie kanał, a jego rezystancja będzie bardzo duża.

59. Narysuj charakterystyki wyjściowe tranzystora JFET. Zdefiniuj i przedstaw sposób
wyznaczenia z nich parametru : gds., gm

60. Narysuj charakterystyki przejściowe tranzystora JFET. Zdefiniuj i przedstaw sposób
wyznaczenia z nich parametru : gm, Up,

http://mtr.freakone.pl

Strona 11

61. Przedstaw klasyfikacje tranzystorów MOS i opisz ogólnie zasadę działania tranzystora
MOS.

Typ E – dla zerowej polaryzacji kanał nie istnieje i prąd drenu nie płynie
Typ D – wbudowany kanał przewodzący, dla zerowej polaryzacji prąd może płynąć

Dodatni ładunek bramki spowodował powstanie pod jej powierzchnią warstwy inwesyjnej złożonej z
elektronów swobodnych o dużej koncentracji oraz głębiej położonej warstwy ładunku
przestrzennego jonów akceptorowych od których odciągnięte zostąły dziury. Powstaje w ten sposób
w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źródłem. Przewodność tego
połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale czyli od napięcia Ugs.

http://mtr.freakone.pl

Strona 12

Jeżeli napięcia Uds i Ugs będą porównywalne to prąd drenu będzie zależeć liniowo od napięcia Uds –
kanał pełni wówczas funkcję rezysotra liniowego. Dalszy wzrost napięćia Uds powoduje spadek
napięcia na rezystancji kanału. W okolicy drenu następuje zmniejszenie inwersji, aż do całkowitego
jej zaniku. Mówimy wtedy o odcięciu kanału. Wartość napięcia Uds przy której następuje odcięcie
kanału nazywamy napięciem nasycenia.

Dalszy wzrost napięcia Uds nie powoduje już wzrostu prądu drenu ale wpływa na odcięcie kanału
bliżej źródła. Mówimu wówczas, że tranzystor pracuje w stanie nasycenia.

http://mtr.freakone.pl

Strona 13

62. Wymień i opisz odmiany tranzystorów MOS.

63. Przedstaw budowę struktury i układ polaryzacji tranzystora MOSFET normalnie
wyłączonego z kanałem typu n. Jak powstaje kanał w takim tranzystorze? Jak sterujemy tym
tranzystorem?

Polaryzacja drenu i bramki jest zerowa (UDS=0 i UGS=0). W takim przypadku, struktura złożona z
dwóch obszarów półprzewodnika typu n+ (dren i źródło), rozdzielonych półprzewodnikiem typu p
(podłoże), tworzy dwa złącza n+–p i p–n+ połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie. Obszar
podłoża, typu p, jest wspólną anodą dla złącz: S–podłoże i podłoże–D.

http://mtr.freakone.pl

Strona 14

65. Narysuj charakterystyki przejściowe tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z
kanałem typu n. Zdefiniuj pojęcie napięcia progowego UT .

66. Narysuj schemat małosygnałowego układu zastępczego tranzystora MOS. Wyjaśnij sens
fizyczny poszczególnych elementów.

gdzie:

K I

(

)

−

- napięcie progowe,

k W L

0 5

parametr transkonduktacyjny tranzystora MOS, W, L - wymiary geometryczne obszaru kanału
elementu,

- ruchliwość nośników w kanale.

67. Dokonaj porównania tranzystora bipolarnego z polowym.

- konstrukcja TB: (E,B,C) asymetryczna, TP: S, G, D (symetryczna),

http://mtr.freakone.pl

Strona 15

- sterowanie prądowe w tranzystorach bipolarnych,
- sterowanie napięciowe w tranzystorach polowych,
- transkonduktancja tranzystora bipolarnego (nie zależy od parametrów jego struktury) jest
kilkaset razy większa niż dla tranzystora polowego: gm=IE/T (1000 mA/V); gm=2ID/|UGS-UT|
(5 mA/V) (zależy od rozmiarów geometrycznych struktury, przenikalności elektrycznej
warstwy dielektryka i ruchliwości nośników)

- napięcie nasycenia ograniczające obszar pracy z lewej strony jest kilkanaście razy mniejsze
w tranzystorach bipolarnych (0.1V, kilka V)
- napięcie maksymalne ograniczające obszar pracy z prawej strony (2kV tr. bip., kilkaset V tr.
pol.)
-  porównanie  TB  i  TP  możliwe  przy  jednakowych  wartościach  maksymalnych  prądów
(ICmax~IDmax)
- zastosowania analogowe układy scalone – JFET (PNFET
- zastosowania cyfrowe układy scalone – IGNFET

Zalety tranzystorów polowych:
- bardzo duża impedancja wejściowa
- małe szumy (PNFET)
- kwadratowy przebieg charakterystyki przejściowej I
D(UGS)
- możliwość stosowania tranzystora jako obciążenie rezystancyjne oraz rezystor sterowany
(MIS)

http://mtr.freakone.pl

Strona 17

68. Wyjaśnij zasadę działania tranzystora jednozłączowego . Narysuj jego rodzinę
charakterystyk i zdefiniuj współczynnik doskonałości

Tranzystor jednozłączowy UJT (ang. unijunction transistor), zwany również diodą dwubazową –
półprzewodnikowy element przełączający zawierający jedno złącze p-n i 3 elektrody (Emiter, Baza 1,
Baza 2).

Podczas pracy tranzystora pomiędzy elektrodami B1 i B2 powstaje rezystancja o wartości kilku
kiloomów oraz potencjał niepodłączonego emitera, wynoszący zazwyczaj połowę napięcia pomiędzy
elektrodami bazowymi. Kiedy napięcie na emiterze jest mniejsze niż napięcie progowe, złącze p-n jest
spolaryzowane zaporowo. Gdy wartość napięcia emitera przekroczy napięcie progowe, złącze jest
spolaryzowane w kierunku przewodzenia, prąd emitera uzyskuje duże wartości, pole emitera unosi je
do B2, R2 maleje, pole E rośnie, prąd emitera zwiększa się. Jest to wewnętrzne sprzężenie zwrotne.

http://mtr.freakone.pl

Strona 18

69. Narysuj schematyczna strukturę tyrystora; wyjaśnij jego działanie posługując się
dwutranzystorowym układem zastępczym

Tyrystor - element półprzewodnikowy składający się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on
wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z
warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a
elektroda przyłączona do warstwy środkowej – bramką (G, od ang. gate – bramka).

Po lewej budowa, środek i prawa układ zastępczy.

Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest o dodatnim potencjale
względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze
środkowe n-p w kierunku zaporowym.

Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, tyrystor nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do
bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości
zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; następuje wyzwolenie tyrystora.
Moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję
tyrystorów pełniły lampy elektronowe – tyratrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem
zjonizowanego gazu).

Wyzwolony tyrystor zaczyna przewodzić prąd po ustaniu sygnału sterującego bramkę (brak
przyłożonego napięcia do bramki), co jest jego niewątpliwą zaletą (brak dodatkowych strat
sterowania). Traci on te właściwości dopiero po zaniku prądu obciążenia (poniżej wartości prądu
przewodzenia, minimalny prąd podtrzymania) lub przy odwrotnej polaryzacji elektrod. Wówczas
konieczny jest ponowny zapłon tyrystora.

70. Wyjaśnij ideę układów CMOS na przykładzie inwertera

CMOS (ang. Complementary MOS) – technologia wytwarzania układów scalonych, głównie
cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych w
taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu układ
statycznie nie pobiera żadnej mocy (pomijając niewielki prąd wyłączenia tranzystora), a prąd ze
źródła zasilania płynie tylko w momencie przełączania – gdy przez bardzo krótką chwilę przewodzą
jednocześnie oba tranzystory. Tracona w układach CMOS moc wzrasta wraz z częstotliwością
przełączania, co wiąże się z przeładowywaniem wszystkich pojemności, szczególnie pojemności
obciążających wyjścia.

http://mtr.freakone.pl

Strona 19

Podstawowym układem CMOS jest inwerter, składający sięz dwóch komplementarnych tranzystorów
polowych typu MOS, pracujących jako przełączniki a nie jako wtórniki, połączonych w sposób
pokazany na rys. 1. Włączony tranzystor polowy zachowuje się jak rezystor o małej wartości
rezystancji zwierający sygnał do właściwej szyny zasilającej. W każdym z dwóch możliwych stanów
logicznych przewodzi tylko jeden tranzystor układu. Jeśli UI≈USS= 0, to przewodzi tranzystor PMOS, a
tranzystor NMOS jest odcięty, czyli na wyjściu ustala sięnapięcie UOH=UDD. Jeśli natomiast UI≈UDD,
to przewodzi NMOS i tranzystor PMOS jest odcięty, czyli na wyjściu otrzymuje sięnapięcie UOL≈USS=
0. Pracę inwertera można wyjaśnić posługując się statycznymi charakterystykami rzejściowymi:
napięciową(zależność napięcia wyjściowego UO w funkcji napięcia wejściowego UI) i prądową
(zależność prądu IDD pobieranego przez układ ze źródła zasilania, od napięcia wejściowego).

Można w nich wyróżnić pięć obszarów określonych przez różne tryby pracy tranzystorów:
I.  T1 nienasycony,T2 odcięty;
II.  T1 nienasycony, T2 nasycony;
III.  T1 nasycony,T2 nasycony;
IV.  T1 nasycony,T2 nienasycony;
V.  T1 odcięty, T2 nienasycony.