Dioda i zjawisko Zenera
Dioda Zenera – dioda ta zachowuje się w
kierunku przewodzenia jak zwykła dioda
półprzewodnikowa,ale ma bardzo dokładnie
określone napięcie przebicia w kierunku
zaporowym.Diod tych używa się do pracy w
kierunku zaporowym i wykorzystuje się tzw.
napięcie Zenera Uz(napięcie, przy którym prąd
wsteczny diody gwałtownie rośnie). Dlatego
szeregowo z diodą Zenera należy łączyć
opornik lub inny element ograniczający prąd.

Dopuszczalne napięcie wsteczne diody

jest ograniczone przez napięcie przebicia,
zwane napięciem Zenera (UZ). Dla wysokich
napięć zaporowych natężenie pola
elektrycznego jest tak duże, że generowane w
złączu nośniki są przyspieszane do energii, przy
których zderzając się z siecią krystaliczną
powodują generację wtórnych par elektron-
dziura, które są dalej powielane itd. W
rezultacie w złączu powstaje lawina nośników i
złącze przewodzi. Dla bardzo silnych pól w
złączu dodatkowo zachodzi efekt uwalniania
nośników z sieci krystalicznej w wyniku
odkształcenia pola wiążącego jony. Po
przekroczeniu napięcia przebicia prąd diody
gwałtownie zwiększa się. Dzielnik napięcia z
diodą Zenera wykorzystuje się do stabilizacji
napięć.
Przebicie Zenera występuje w złączach silnie
domieszkowanych, tzn. takich w których
koncentracja domieszek (akceptorów i
donorów) jest bardzo duża i zachodzi dla
napięć wstecznych mnieszych od 5-6V.

Dioda LED

Dioda zaliczana do półprzewodnikowych

przyrządów optoelektronicznych, emitujących
promieniowanie w zakresie światła widzialnego,
jak i podczerwieni.
Działanie diody LED opiera się na zjawisku
rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja
promienista). Zjawisko to zachodzi w
półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony
przechodząc z wyższego poziomu
energetycznego na niższy zachowują swój
pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste.
Podczas tego przejścia energia elektronu
zostaje zamieniona na kwant promieniowania
elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju
dominują w półprzewodnikach z prostym
układem pasmowym, w którym minimum
pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma
walencyjnego odpowiada ta sama wartość
pędu.

Dioda pojemnościowa

Dioda pojemnościowa - dioda

półprzewodnikowa, w której wykorzystuje się
zjawisko zmiany pojemności złącz P-N pod
wpływem zmiany napięcia przyłożonego w
kierunku zaporowym. Konstrukcja złącz
stosowanych w diodach pojemnościowych jest
specjalnie przystosowane do wykorzystania tej
właściwości; półprzewodnik z jakiego
wykonywane są diody to zazwyczaj krzem lub
arsenek galu.
Wyróżnia się dwa rodzaje diod
pojemnościowych:
- Warikapy (od variable capacitance, zmienna
pojemność) są używane głównie w układach
automatycznego strojenia, jako elementy
obwodów rezonansowych. Pojemności rzędu 10
- 500pF.
- Waraktory (od variable reactor, zmienna
reaktancja (elektryczność)), pojemności rzędu
0,2 - 20pF. Używane głównie w zakresie
wysokich częstotliwości, jak również
mikrofalowym (5 - 200 GHz). Znajdują
zastosowanie np. w powielaczach częstotliwości

Dioda tunelowa

Dioda tunelowa, rzadziej dioda Esakiego -

dioda półprzewodnikowa, która dla pewnego
zakresu napięć polaryzujących charakteryzuje
się ujemną rezystancją dynamiczną.
Charakterystka prądowo-napięciowa diody
tunelowej
Taką charakterystykę uzyskuje się w złączach
silnie domieszkowanych, wówczas możliwe jest
przejście tunelowe nośników z pasma
walencyjnego do pasma przewodzenia zarówno
z obszaru półprzewodnika typu p+ do n+, jak i
z obszaru n+ do p+, także przy polaryzacji
złącza w kierunku przewodzenia (porównaj ze

zjawiskiem Zenera). Czas tunelowego przejścia
nośników jest rzędu 10 − 13s dlatego diody
tego typu wykorzystuje się do wytwarzania,
wzmacniania i detekcji słabych drgań wysokich
częstości (rzędu kilkuset gigaherców), w
układach impulsowych (np. cyfrowych) oraz
jako elementy aktywne generatorów.
Diody tunelowe wykonywane są z krzemu,
arsenku galu, antymonku galu, oraz obecnie
już niezbyt często z germanu.

Dioda wsteczna

Dioda wsteczna (odwrócona, zwrotna,

jednotunelowa) - dioda półprzewodnikowa,
której charakterystyka jest bardzo zbliżona do
idealnego zaworu (jeśli pracuje w kierunku
polaryzacji zaporowej). Z tego powodu jest
stosowana do detekcji i mieszania sygnałów.
Konstrukcyjnie diody wsteczne są podobne do
diod tunelowych, z tym, że z powodu słabszego
domieszkowania złącza znika
charakterystyczny punkt szczytowy.

Fotodioda

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak

zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w
obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka
płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie
jednego z obszarów złącza. Fotodiody
wykonuje się z krzemu lub arsenku galu.
Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o
wydajności zależnej od natężenia oświetlenia.
Fotodiodę polaryzuje się zaporowo
zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem
oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd
wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem
oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez
fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd
wsteczny I0 wywołany generacją termiczną
nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze
wzrostem wartości napięcia wstecznego.

Półprzewodniki

Półprzewodniki - najczęściej substancje

krystaliczne, których konduktywność (zwana
też konduktancją właściwą) jest rzędu 10-8 do
106 S/m (simensa na metr), co plasuje je
między przewodnikami a dielektrykami.
Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze
wzrostem temperatury. Półprzewodniki
posiadają pasmo wzbronione między pasmem
walencyjnym a pasmem przewodzenia w
zakresie 0 - 5 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV ,
GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV). Koncentracje
nośników ładunku w półprzewodnikach można
zmieniać w bardzo szerokich granicach,
zmieniając temperaturę półprzewodnika lub
natężenie padającego na niego światła lub
nawet przez ściskanie lub rozciąganie
półprzewodnika.
W przemyśle elektronicznym najczęściej
stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi
są pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german)
oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np.
arsenek galu, azotek galu, antymonek indu)
lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały
półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci
monokryształu, polikryształu lub proszku.

Półprzewodniki związków chemicznych
Właściwości półprzewodnikowe wykazuje
szereg materiałów w postaci podwójnych
związków typu A(x)B(8-x), gdzie x oznacza
grupę do której należą pierwiastki A, a (8-x)
grupę do której należą pierwiastki B. Związki
typu A(1)B(7) to np. CuBr, KBr, LiF ale bez
szerszego zastosowania związki A(2)B(6) to
tlenki, siarczki, selenki i tellurki metali drugiej
grupy, z których najważniejsze to: CdS, ZnS,
CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, HgTe Zwiazki
A(3)B(5), o szerokim zastosowaniu w
elektronice, takie jak azotki, fosforki, arsenki i
antymonki aluminium, galu, indu: GaAs, GaP,
GaN, InSb, InP, AlAs Zwiazki A(4)B(4), w tym
głównie SiC i SiGe Z innych związków należy
wymienić A(4)B(6): PbS, PbSe, PbTe oraz
związki bardziej złożone i roztwory stałe
GaAlAs, GaAsP, InGaSb, InCdSeTe.

Półprzewodniki typu n i typu p
Wprowadzenie domieszki produkującej
nadmiar elektronów (w stosunku do ilości
niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje
powstanie półprzewodnika typu n, zaś
domieszka taka nazywana jest domieszką

donorową. W takim półprzewodniku powstaje
dodatkowy poziom energetyczny (poziom
donorowy) położony w obszarze energii
wzbronionej bardzo blisko dna pasma
przewodnictwa, lub w samym paśmie
przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest
uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie
pustego w przypadku półprzewodników
samoistnych) w postaci elektronów
swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu.
Mówimy wtedy o przewodnictwie
elektronowym, lub przewodnictwie typu n (z
ang. negative - ujemny).
Wprowadzenie domieszki produkującej
niedobór elektronów (w stosunku do ilości
niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje
powstanie półprzewodnika typu p, zaś
domieszka taka nazywana jest domieszką
akceptorową. W takim półprzewodniku
powstaje dodatkowy poziom energetyczny
(poziom akceptorowy) położony w obszarze
energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka
pasma walencyjnego, lub w samym paśmie
walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony
znajdujące się w paśmie walencyjnym (prawie
zapełnionym w przypadku półprzewodników
samoistnych) powodując powstanie w nim
wolnych miejsc. Takie wolne miejsce nazwano
dziurą elektronową. Zachowuje się ona jak
swobodna cząstka o ładunku dodatnim i jest
zdolna do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy
o przewodnictwie dziurowym, lub
przewodnictwie typu p. Dziury, ze względu na
swoją masę efektywną, zwykle większą od
masy efektywnej elektronów, mają mniejszą
ruchliwość a przez to oporność materiałów typu
p jest z reguły większa niż materiałów typu n.

Prąd zerowy (ruch nośników
mniejszościowych w PN)
W złączu mogą przepływać również nośniki
mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego
zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu
dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację
nośników mniejszościowych wartość prądu
unoszenia jest niewielka,rzędu mikroamperów
(10^-6), a nawet pikoamperów (10^-12).

Punkt pracy
Punkt pracy – punkt na charakterystyce
danego urządzenia lub elementu, w którym
zachodzi jego działanie i w którym mogą zostać
określone chwilowe parametry pracy takiego
urządzenia lub elementu.
Charakterystyka pracy może obejmować
dowolne wielkości fizyczne: napięcie
elektryczne, ciśnienie gazu, temperaturę itp.

Określenie punktu pracy danego urządzenia lub
elementu jest istotne z uwagi na parametry
własne urządzenia, jak również i parametry
obwodu w jaki dane urządzenie (element) jest
włączone. W przypadku parametrów własnych
istotne jest określenie optymalnego punktu
pracy, dla którego występują najlepsze
pożądane własności, lub dla którego żywotność
elementu jest najdłuższa itp.
Większość maszyn, urządzeń i elementów ma
określony (przez producenta) nominalny punkt
pracy, który gwarantuje poprawną i
bezawaryjną pracę, najdłuższą żywotność,
maksymalną sprawność itp. Określenie
nominalnego punktu pracy nie jest zawsze
zagadnieniem prostym do rozwiązania. W
przypadku złożonych i nieliniowych systemów
istnieje bardzo wiele czynników jakie należy
wziąć pod uwagę. W takim przypadku
znalezienie globalnego minimum jest bardzo
trudne, a czasami nawet niemożliwe.

Rekombinacja par dziura - elektron
W stanie równowagi termodynamicznej tj.
gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola
elektrycznego, w pobliżu styku obszarów P i N
swobodne nośniki większościowe
przemieszczają się (dyfundują), co
spowodowane jest różnicą koncentracji
nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do
obszaru typu P, natomiast dziury do obszaru
typu N (stając się wówczas nośnikami
mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z
nośnikami większościowymi, które nie przeszły
na drugą stronę złącza.Rekombinacja polega na
"połączeniu" elektronu z dziurą, a więc
powoduje "unieruchomienie" tych dwu
swobodnych nośników.

Tranzystor

Tranzystor - trójzłączowy

półprzewodnikowy element elektroniczny,
posiadający zdolność wzmacniania sygnału
elektrycznego. Według oficjalnej dokumentacji
z Laboratorium Bella nazwa urządzenia
wywodzi się od słów transkonduktancja
(transconductance) i warystor (varistor), jako
że "element logicznie należy do rodziny
warystorów i posiada transkonduktancję
typową dla elementu z współczynnikiem
wzmocnienia co czyni taką nazwę opisową".

stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane
są w kierunku przewodzenia,

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny, zwany też

warstwowym, stanowi kombinacją dwóch
półprzewodnikowych złączy PN, wytworzonych
w jednej płytce półprzewodnika. Procesy
zachodzące w jednym złączu oddziałują na
drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są
dziury i elektrony. Tranzystory bipolarne
wykonywane są najczęściej z krzemu, rzadziej
z germanu. Ze względu na kolejność ułożenia
warstw półprzewodnika rozróżniamy:
• tranzystory p-n-p
• tranzystory n-p-n
Tranzystor bipolarny składa się z trzech
obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa,
co powoduje powstanie dwóch złączy: PN i NP.
W tranzystorze bipolarnym poszczególne
obszary półprzewodnika mają swoją nazwę: B
– baza, E – emiter, C – kolektor. A złącza
nazywa się
• złączem emiterowym (złącze emiter-baza);
• złączem kolektorowym (złącze baza-
kolektor).

Tranzystor unipolarny
Tranzystor, w którym sterowanie prądem
odbywa się za pomocą pola
elektrycznego.Tranzystory polowe w skrócie
FET (Field Effect Transistor), są również
nazywane unipolarnymi. Działanie tych
tranzystorów polega na sterowanym
transporcie jednego rodzaju nośników, czyli
albo elektronów albo dziur. Sterowanie
transportem tych nośników, odbywającym się
w części tranzystora zwanej kanałem, odbywa
się za pośrednictwem zmian pola elektrycznego
przyłożonego do elektrody zwanej bramką.

Wzmacniacz elektryczny
Wzmacniacz elektryczny (wzmacniacz) to układ
elektroniczny, którego zadaniem jest
wytworzenie na wyjściu sygnału o wartości
większej, proporcjonalnej do sygnału
wejściowego. Dzieje się to kosztem energii
pobieranej z zewnętrznego źródła zasilania.
Wzmacniacze są budowane przy użyciu
elementów aktywnych (niegdyś lamp
elektronowych, obecnie tranzystorów).
Ze względu na parametr sygnału, który jest
wzmacniany, wzmiacniacze dzielone są na:

•

wzmacniacze prądu (współczynnik
wzmocnienia napięciowego równy jest 1)

•

wzmacniacze napięcia (współczynnik
wzmocnienia prądowego równy jest 1)

•

wzmacniacze mocy (wzmacniane są
równocześnie prąd i napięcie) –
najczęściej stosowane we
wzmacniaczach akustycznych

•

Ze względu na rodzaj wzmacnianego
sygnału elektrycznego stosuje się
podział:

•

wzmacniacze stałoprądowe (lub
wzmacniacze przezbiegów
wolnozmiennych)

•

wzmacniacze pasmowe – wzmacniają
sygnału z zadanego zakresu
częstotliwości

•

wzmacniacze selektywne – zakres
częstotliwości jest względnie wąski

•

wzmacniacze szerokopasowe

•

Najważniejsze parametry elektryczne
wzmacniaczy to:

•

współczynnik wzmocnienia prądowego

•

współczynnik wzmocnienia napięciowego

•

rezystancja (impedancja) wejściowa –

określa jak bardzo wzmacniacz obciąża
źródło sygnału (im większa, tym lepiej)

•

rezystancja (impedancja) wyjściowa –
określa jak duża część wzmocnionego
sygnału zostanie "stracona" w obwodach
wzmacniacza (im mniejsza, tym lepiej)

•

pasmo przenoszonych częstotliwości

•

stosunek sygnał/szum

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny to

wielostopniowy, różnicowy wzmacniacz prądu
stałego, charakteryzujący się bardzo dużym
różnicowym wzmocnieniem napięciowym rzędu
stu kilkudziesięciu decybeli i jest przeznaczony
zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem
sprzężenia zwrotnego, który decyduje o
głównych właściwościach całego układu.
Wzmacniacze operacyjne są najbardziej
rozpowszechnionym analogowym układem
elektronicznym, realizowanym obecnie w
postaci monolitycznych układów scalonych.
Wielka uniwersalność, przy jednoczesnym
wykorzystaniu istotnych właściwości układów
scalonych, daje możliwość stosowania ich w
rozmaitych układach, urządzeniach i systemach
elektronicznych, zapewniając masową
produkcję, niską cenę i bardzo dobre
parametry użytkowe.
Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia:
odwracające (oznaczane symbolem '-', napięcie
na tym wejściu U − ) i nieodwracające
(oznaczane symbolem '+', napięcie na tym
wejściu U + ), oraz jedno wyjście (napięcie
wyjściu UO); różnica napięć wejściowych
nazywa się napięciem różnicowym (Ud = U + −
U − ).
Idealny wzmacniacz charakteryzuje się:

•

nieskończenie dużym różnicowym
wzmocnieniem napięciowym,

•

zerowym wzmocnieniem sygnału
wspólnego,

•

nieskończenie dużą impedancją
wejściową,

•

zerową impedancją wyjściową,

•

nieskończenie szerokim pasmem
przenoszonych częstotliwości,

•

nieskończenie dużym zakresem
dynamicznym sygnału.

Wzmacniacz różnicowy
(dwutranzystorowy)

Wzmacniacz różnicowy - jeden z

najbardziej powszechnie używanych
współczesnych analogowych układów
elektronicznych. Wzmacniacz różnicowy jest
układem symetrycznym. W najprostszej wersji
składa się z dwóch tranzystorów sprzężonych
ze sobą za pośrednictwem rezystora Re.
Ponadto ten rezystor stabilizuje punkty pracy
obu tranzystorów i wymusza on wartość prądu
Ie płynącego we wspólnym obwodzie. Przy
dużej wartości rezystancji Re prąd Ie nie
zmienia się.
Wzmacniacz różnicowy może być sterowany z
dwóch źródeł, które dołącza się do baz obu
tranzystorów tzw. sterowanie symetryczne,
albo z jednego źródła - asymetryczne. Wyjście
układu może być symetryczne - z kolektorów
obu tranzystorów albo asymetryczne - między
kolektorem jednego z tranzystorów a masą.
Układ umożliwia więc asymetryczne bądź
symetryczne wejście i wyjście w różnych
kombinacjach.
Głównymi zastosowaniami są wzmacnianie,
mnożenie, ograniczanie, przełączanie oraz jako
elementy niektórych układów cyfrowych.
Idealny wzmacniacz różnicowy jest układem o
dwu wejściach, który wzmacnia tylko różnicę
napięć wejściowych niezależnie od wartości
bezwzględnej tych napięć.
We wzmacniaczu różnicowym wyjście może być
symetryczne, niesymetryczne lub
asymetryczne.
Najprostszy układ wzmacniacza składa się z
dwu tranzystorów bipolarnych typu npn,
zasilania i trzech oporników. Układ może być
sterowany z jednego źródła lub dwóch.
Obciążenie może być dołączone do dowolnego
wyjścia, może znajdować się między dwoma
wyjściami. Przy każdej z możliwych kombinacji
uzyskuje się różne parametry. Przy sterowaniu

z jednego źródła mamy do czynienia ze
sterowaniem asymetrycznym, wyjście sygnału
może być symetryczne, lub asymetryczne -
między kolektorem tranzystora pierwszego lub
drugiego i wspólnym punktem wyjścia i wejścia
tj. masą.

Zjawisko tunelowe
W silnie domieszkowanym złączu p-n
szerokość obszaru ładunku przestrzennego jest
niewielka. Jeśli napięcie polaryzcji wstecznej
takiego złącza będzie większe od napięcia
Zenera, to górna krawędź pasma walencyjnego
obszaru typu P znajdzie się wyżej niż dolna
krawędź pasma przewodzenia obszaru typu N.
Dlatego jeśli elektron znajdujący się na
poziomie walencyjnym w obszarze typu P
przejdzie przez obszar ładunku przestrzennego
do obszaru typu N, to bez zmiany energii stanie
się tam swobodnym nośnikiem – elektronem
znajdującym się w paśmie przewodzenia
półprzewodnika typu N. Takie przejście
nazywane jest przejściem tunelowym.

Złącze p-n

Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch

półprzewodników niesamoistnych o różnych
typach przewodnictwa: P i N.
W obszarze typu N występują nośniki
większościowe ujemne (elektrony) oraz
unieruchomione w siatce krystalicznej atomy
domieszek (donory). Analogicznie w obszarze
typu P nośnikami większościowymi są dziury o
ładunku elektrycznym dodatnim oraz atomy
domieszek (akceptory). W półprzewodnikach
obu typów występują także nośniki
mniejszościowe przeciwnego znaku niż
większościowe; koncentracja nośników
mniejszościowych jest dużo mniejsza niż
większościowych.

PRAWDA CZY FAŁSZ??
1. Pólprzewodnik samoistny ma w
przybliżeniu taką samą koncentrację
swobodnych elektronów i dziur - P
2. Si i GaAs są półprzewodnikami prostą
przerwą energetyczną - F
3. Półprzewodniki ze skośną przerwą
energetyczną bywają stosowane do produkcji
diod LED - F
4. Krzem typu 'p' otrzymuje się dzięki
dodatkowemu wprowadzaniu atomów z V grupy
układu okresowego-F
5. Ge(x)Si(1-x) jest półprzewodnikowym
związkiem chemicznym - F
6. Przy polaryzacji złącza w kierunku
przewodzenia prąd jest sumą nośników prądu
nośników większościowych i mniejszościowych
- F
7. Przy polaryzacji słabo
domieszkowanego złącza w kierunku
zaporowym, prąd praktycznie nie zależy
od przyłożonego napięcia - P
8. Prąd płynący w złączu p-n zależy od
kwadratu temperatury i przyłożonego napięcia
- F
9. Szerokość warstwy zaporowej złącza
jest tym szersza im większy jest stopień
domieszkowania - P
10. Obszary bazy, kolektora i emitera mają
takie same rozmiary - F
11. W tranzystorze przy braku prądu bazy
(Ib=0) nie płynie również prąd kolektora
(Ic=0) - P
12. Zjawisko przejścia tunelowego nośników
przez złącze zachodzi bez zmiany ich energii - P
13. Diodę Zenera stosuje siędo stabilizacji
prądu - F
14. W tranzystorze polowym prąd drenu
tworzą tylko elektrony lub tylko dziury - P
15. Tranzystor w stanie aktywnym ma złącze
BE spolaryzowane w kierunku zaporowym, a
złącze BC w kierunku przewodzenia F