Ecaterina-Liliana MIRON Mihai MIRON

Gheorghe PAN

ELECTRONIC - partea I -

Editura Academiei Forelor Aeriene Henri Coand

7

DISPOZITIVE ELECTRONICE

1. INTRODUCERE N ELECTRONIC 1.1. COMPONENTE DE CIRCUIT

n perioada actual de dezvoltare, electronica ocup un loc foarte important, fiind

prezent n toate domeniile activitii umane. Electronica a nceput ca o ramur a electrotehnicii - numindu-se electrotehnica curenilor slabi, avnd ca domeniu principal de aciune telecomunicaiile. Datorit avantajelor oferite de miniaturizare, amplificare, memorare, vitez de calcul, precum i de posibilitile de automatizare, electronica poate satisface orice cerin. Diversitatea i preteniile sunt tot mai mari, astfel c este necesar s se creeze echipamente cu funciuni specifice prin interconectarea corespunztoare a unor componente performante. Realizarea echipamentelor electronice a nceput prin utilizarea componentelor discrete, conectate n circuite care s realizeze funciile dorite. Dezvoltarea actual a electronicii a permis realizarea unor funcii, direct cu ajutorul dispozitivelor electronice speciale.

Se definesc urmtoarele noiuni: 1. Circuitul electric succesiune de medii conductoare prin care circul curent electric,

care realizeaz o anumit funcie n cadrul unui montaj complex. Este caracterizat de parametrii de circuit (rezisten, inductivitate, capacitate). Acesta conine mai multe componente discrete.

Termenul de circuit se poate asocia cu: Circuit integrat grup de elemente electronice conectate inseparabil, capabil s

ndeplineasc una sau mai multe funcii. Poate fi: analogic (mrimea de ieire variaz cu mrimea de intrare); numeric (circuitul folosete cele dou nivele, ale codului binar, 0 i 1).

Circuit activ este circuitul care conine cel puin un element activ. Circuit pasiv circuitul care nu conine nici o surs de energie. Tehnica de realizare a circuitelor electrice a evoluat, ajungndu-se de la tehnologia de

fabricare a circuitelor cu tuburi electronice la tehnologia microelectronicii (realizarea de circuite integrate monolitice), de concentrare a unui numr mare de elemente de circuit ntr-un volum redus.

Realizarea unui circuit electronic implic stabilirea funciunilor circuitului i interconectarea elementelor componente pentru realizarea acestor funciuni. De asemenea, este necesar anticiparea comportrii circuitelor obinute prin aceast interconectare, prin realizarea modelului matematic pe schemele echivalente ale componentelor fizice din cadrul circuitului, operaii obinute prin modelare i simulare.

2. Componente electronice. Clasificare n cadrul circuitelor electronice, n funcie de modul n care intervin, se deosebesc

urmtoarele tipuri de componente: Componente electronice pasive Componente electronice active 2.1. Componentele electronice pasive Sunt elemente de circuit care pot ndeplini funcii de prelucrare a semnalelor elecrice,

precum filtrare, integrare, derivare. Astfel de componente nu pot aciona asupra energiei semnalelor. Componentele pasive se mpart, la rndul lor, n:

Componente pasive de tip dipol (circuite uniport): rezistoare, bobine, condensatoare, diode semiconductoare;

Componente pasive de tip circuite diport: linia lung i linia de ntrziere; Componente pasive de tip circuite n-port: transformatoare electrice.

8

2.2. Componentele electronice active Spre deosebire de componentele pasive, acestea sunt capabile s modifice energia

semnalului. Se gsesc cel mai des n circuitele de comand, afiare, nregistrare. Se mai ntlnesc sub denumirea de dispozitive semiconductoare. Astfel de componente funcioneaz atunci cnd sunt alimentate, ele consumnd energie de la o surs electric. Un exemplu de astfel de componentel reprezint tranzistoarele.

Componentele active sunt componente neliniare de circuit. 3. Semnale electronice n circuitele electrice semnalele se manifest ca variaii ale marimilor: Tensiune u(t); Curent i(t). La rndul lor pot fi - constante;

- variabile. Cele mai des ntlnite n circuitele electrice sunt semnalele continue i alternative (figura1.1).

Pentru un semnal alternativ, x(t) se definesc urmtoarele: 1. Valoare instantanee:

( ) )tsin(2Xtx = pentru care: Xm 2X= valoarea maxim a semnalului; = 2f viteza unghiular; f frecvena semnalului; unghiul de defazaj ntre dou marimi ale aceluiai circuit. 2. Valoarea medie pe o perioad:

( )=T

0med dttxT

1X

3. Valoarea efectiv:

( )[ ]=T

0

2 dttxT1X

Fig. 1.1 Semnale electrice: a. continue; b. alternative

x(t)

t

a.

x(t)

t

b.

T

Xm

9

Aparatele de msur, n general, pun n eviden valoarea efectiv a semnalului. De asemenea, pentru un circuit electric se definesc: 4. Puterea electric: Puterea la borne (instantanee) p(t) = u(t)i(t) Puterea medie:

=T

0med dt)t(i)t(uT

1P

4. Surse de semnale Semnalele electrice sunt obinute n urma introducerii n circuit a uneia sau mai multe

surse de semnale. Sursele se clasific n: 1. Surse de tensiune 2. Surse de curent La rndul lor acestea pot fi: - ideale; - reale. n figura 1.2 se prezint cteva simboluri ale surselor. Sursele ideale sunt pri

componente ale circuitelor utilizate n modelarea matematic a acestora. n montajele practice ele nu exist. Sursele ideale de tensiune sunt elemente de circuit care au tensiunea la borne independent de curentul prin acestea. Sursele ideale de curent sunt cele la care curentul ce le strbate este independent de tensiunea la borne.

5. Caracteristicile i parametrii componentelor electronice n studiul circuitelor electronice pasive intervin termenii: Impedan (n c.a.) sau rezisten (n c.c.) raportul tensiune/curent; Admitan (n c.a.) sau conductan (n c.c.) raportul curent/tensiune. n cazul reprezentrii acestora n planurile U-I i I-I sub form liniar atunci elementele

se numesc liniare. Practic astfel de elemente nu exist.

Fig.1.2. Surse de semnal: a. surs de curent real; b. surse de curent - simbol; c. surs de tensiune real; d. surse de tensiune - simbol;

d. c.

b. a.

10

Caracteristici electrice: reprezentarea grafic a dependenei diferitelor mrimi electrice. Pot fi:

Caracteristici teoretice: aproximeaz funcionarea unei componente sau a unui circuit;

Caracteristici experimentale: reprezentarea grafic a rezultatelor experimentale. Acest tip de caracteristic poate fi: o Reprezentare prin puncte; o Reprezentare continu.

n general, funcionarea unei componente este dependent de una sau mai multe variabile electrice sau neelectrice. Aceast dependen a unei mrimi n funcie de alt mrime conduce la obinerea unei familii de caracteristici. Exist mai multe moduri i categorii de caracteristici:

o Caracteristici i parametri statici, sau de curent continuu; o Caracteristici i parametri de curent alternativ; o Caracteristici i parametri pentru regim tranzitoriu; o Caracteristici i parametri pentru influena mediului; o Caracteristici i parametri pentru puterea disipat. Caracteristicile i parametrii enumerai mai sus sunt cei care se specific n cataloagele de

specialitate. n continuare se vor prezenta principalele componente de circuit.

11

1.2. COMPONENTE PASIVE

n acest capitol se prezint cteva din componentele de circuit utilizate cel mai des n

aplicaiile electronice. 1.2.1. REZISTOARE Rezistorul este componenta de circuit cel mai des ntlnit n circuitele electrice.

Principalul parametru al rezistoarelor este rezistena electric iar unitatea de msur n sistemul internaional este ohm-ul ().

Termenul de rezisten electric este n strns legtur cu fenomenul de conducie electric (curentul electric micarea ordonat a purttorilor de sarcin). Rezistena electric este fenomenul de opunere trecerii curentului electric printr-un conductor. Mrimea prin care se poate msura fenomenul de rezisten electric, la un material conductor se numete rezistivitate electric () i se msoar n /m.

Pentru un conductor de lungime l i cu o arie a seciunii S, rezistena electric se poate exprima:

SlR =

Simbolul rezistorului este prezentat n figura 1.3. Rezistorul ideal este caracterizat printr-un singur parametru rezistena electric. n cazul rezistorului real apar inductiviti i capaciti parazite, cu schema real din

figura 1.3.b. Pentru rezistorul electric ideal sunt valabile urmtoarele: Legea lui Ohm:

Rezistena electric este raportul dintre tensiunea electric aplicat la bornele rezistorului i intensitatea curentului determinat prin rezistor.

IUR =

La trecerea curentului electric printr-un rezistor, puterea electric disipat se transform n putere caloric prin efect Joule:

IURIUIP

22 ===

Puterea disipat determin nclzirea rezistorului. Aceast nclzire conduce la stabilirea

unei temperaturi de echilibru termic, dependent de puterea disipat i de temperatura mediului ambiant. Dac temperatura de echilibru termic depete temperatura maxim admisibil prescris pentru rezistorul respectiv atunci apar modificri ale proprietilor acestuia.

Fig. 1.3 Simbolizarea rezistorului: a. ideal; b. real

U

I R

1 2

U

I R Lp

C12

1 2

a. b.

12

Rezistoarele se utilizeaz n circuitele electrice sub forma divizoarelor de tensiune i curent (figura 1.4).

Clasificarea rezistoarelor 1. Dup mrimea curentului pe care-l suport: Rezistoare pentru cureni slabi; Rezistoare pentru cureni tari. 2. Din punct de vedere constructiv: Rezistoare fixe; Rezistoare variabile:

o Reglabile; o Poteniometre.

3. Din punct de vedere al destinaiei: Rezistoare de uz general; Rezistoare profesionale. 4. n funcie de forma caracteristicii: Liniare; Neliniare.

o Termistoare (rezistena variaz cu temperatura); o Varistoare (rezistena variabil cu tensiunea); o Fotorezistoare (rezistena variabil cu iluminarea).

5. Dup elementul rezistiv utilizat: Pentru cureni slabi:

o Peliculare; o De volum.

Pentru cureni tari: o Rezistoare bobinate; o Rezistoare tanate din tabl; o Rezistoare spiralate din benzi metalice.

6. Dup posibilitatea conectrii n circuit: Cu terminale axiale; Cu terminale radiale; Circuite integrate hibride; Arii de rezistoare.

Fig.1.4. a. Divizor de tensiune; b. divizor de curent.

1

2

R1

R2

U

U1

U2

1

2

R1 R2

I1 I2

I

U

a.

21

11 RR

RUU += 212

1 RRRII +=

b.

13

Marcarea rezistoarelor Valoarea rezistoarelor se poate marca n dou moduri: n clar

Acest mod de marcare este mai rar ntlnit. Se marchez pe corpul rezistorului valoarea rezistenei nominale, inclusiv simbolul. Exemple de marcare: 0,1; 100.

Diferite coduri: Cod numeric-alfanumeric varianta 1. Pentru rezistoarele cu valori de ordinul ohmilor, se marcheaz cifrele semnificative cu virgula pus n mod corespunztor fr a se inscripiona simbolul . Pentru valori nominale mai mari de 1K, se marcheaz cifrele semnificative, iar n locul virgulei se pune simbolul de multiplicare.Acesta poate fi K, M, .a. (tabelul 1.1)

Tabelul 1.1

Marcare 2,2 62 1K2 1K 1M 1M8 RN [] 2,2 62 1200 1000 106 1,8106

Cod alfanumeric varianta 1. Este asemntor cu cel prezentat anterior, cu diferena c pentru rezisten, n locul virgulei se pune litera R (tabelul 1.2).

Tabelul 1.2

Marcare 2R2 62R 1K2 1K0 1M0 1M8 RN [] 2,2 62 1200 1000 106 1,8106

Cod numeric-alfanumeric varianta 2, utilizat n special pentru marcarea rezistoarelor SMD sub form de chip, la care se marcheaz uneori doar rezistena nominal, (datorit dimensiunilor mici). Codul este format din cifrele semnificative ale rezistenei nominale, litera R pus n locul virgulei pentru valori mici ale rezistenei i ordinul de multiplicare (puterea lui zece) pentru valori mari ale rezistenei. Pentru tolerane de 20%, 10% i 5%, sunt necesare dou cifre semnificative. n cadrul codului se folosete: x prima cifr semnificativ; y a doua cifr semnificativ; m ordinul de multiplicare. Rxy, pentru RN < 1; xRy, pentru RN = 1... 9,1; xyR, pentru RN = 1099; xym, pentru RN > 100. Pentru tolerane mici de 2,5%, 2% i 1%, etc. sunt necesare trei cifre semnificative, codul devenind: Rxyz, pentru RN < 1; xRyz, pentru RN = 1... 9,1; xyRz, pentru RN = 1099,9; xyzR, pentru RN = 100999. xyzm,pentru RN > 1000.

Tabelul 1.3

Marcare 1R2 56R 681 913 1R62 26R7 1781 4873 RN[ ] 1,2 56 680 91103 1,62 26,7 1780 487103

Cod alfanumeric - varianta 2. Pentru rezistoare SMD de dimensiune foarte mic se utilizeaz un cod alfanumeric conform tabelelor 1.4 i 1.5

14

Tabelul 1.4 Cod Cod Cod Cod

Tabelul 1.5

Cod literal S R A B C D E F Multiplicator 10-2 10-1 10 101 102 103 104 105

Codul se utilizeaz pentru tolerane de 0,1%, 0,5%, 1%. Aceast marcare, fa de

varianta anterioar (cod alfanumeric varianta 3) reduce marcarea cu un digit. Exemplu: 10C nseamn RN=12,4 k.

Codul culorilor este prezentat n tabelul 1.6. Utiliznd codul culorilor se poate marca rezistena nominal, tolerana, coeficientul de variaie cu temperatura i uneori fiabilitatea. Pentru marcarea rezistenei nominale, n funcie de toleran sunt necesare dou sau trei cifre semnificative. Tolerana i coeficientul de variaie cu temperatura pot fi marcate sau nemarcate.

Ordinea de citire a culorilor este de la captul cel mai apropiat (figura 2.4 a i b) sau ultima culoare este de aproximativ dou ori mai lat dect celelalte (figurile 2.4 c, d, e, f).

Fig. 1.5. Marcarea rezistoarelor n codul culorilor. 1 - prima cifr semnificativ; 2 - a doua cifr semnificativ; 3 - a treia cifr semnificativ;

m multiplicator; t tolerana; - coeficient de temperatur; - fiabilitate.

15

Tabelul 1.6

Cifr semnificativ

Culoare Multiplicator

Tolerana rezistoarelor se poate marca: n procente: Pentru tolerane de 20%, se marcheaz numai rezistena nominal cu trei inele colorate

(figura 2.4. a) ; Cu codul culorilor: La rezistoare cu toleran de 10% i 5% (fr marcarea coeficientului de variaie cu

temperatura). n acest caz se marcheaz rezistena nominal (culorile C1, C2, m) i tolerana. De exemplu, fiind marcate culorile rou (C1), galben (C2), maro (m) i auriu, rezult RN = 2410 =240 cu tolerana t = 5%.

Marcarea din figura 2.4.c este utilizat pentru marcarea rezistenei nominale i a toleranei, tolerana fiind mai mic dect 2,5%. n acest caz apare ca necesar a treia cifr semnificativ C3. Coeficientul de variaie cu temperatura, atunci cnd este marcat este ultima culoare.

n cod literal conform tabelului 1.7. Tabelul 1.7

Codul literal

L P W B C D F G H J K M

t [%] 0,01 0,02 0,05 0,1 0,25 0,5 1 2 2,5 5 10 20 n cataloagele de specialitate trebuie s se regseasc: Rezistena nominal, RN, fiind valoarea rezistenei nscris pe rezistor. Domeniul de valori, fiind mulimea valorilor nominale disponibile sau realizabile

pentru un anumit tip. Tolerana, exprim procentual abaterea maxim admisibil a valorii reale de la

valoarea nominal (marcat pe corpul rezistorului):

[ ]%100R

RRmaxt n = Puterea disipat nominal, Pn [W], puterea pe care o poate dezvolta un rezistor n

timpul funcionrii la temperatura ambiant fr a-i modifica proprietile. Tensinea nominal limit, Unlim [V], tensiunea continu sau valoarea efectiv a

tensiunii alternative aplicat la bornele rezistorului: Nnn RPU =lim

16

Rezistena critic, valoarea maxim a rezistenei creia i se poate aplica tensiunea nominal limit. Coeficientul de temperatur a rezistenei, raportul dintre variaia real a rezistenei i variaia de temperatur care a determinat aceast diferen:

TRR

R

= [ oK-1] Coeficientul de variaie a rezistenei sub aciunea unui factor extern: [ ]%100

RRK0

k = De asemenea se mai pot prezenta: temperatura ambiant, domeniul nominal de

temperatur, rigiditatea dielectric, rezistena de izolaie, categoria climatic i precizia rezistoarelor.

1.2.2. BOBINE Bobina este componenta de circuit a crei principal parametru este inductana electric

[L]. n Sistemul Internaional aceasta se msoar n Henry [H]. Bobina este elementul la care curentul care strbate componenta i tensiunea la bornele

acesteia ndeplinesc relaia:

dt)t(diL)t(u LL =

Realizarea unei bobine se face prin nfurarea unui fir conductor pe carcase avnd diferite seciuni i proprieti dielectrice foarte bune. Exist mai multe tipuri de bobinaje (ntr-un singur strat, multistrat, piramidal, secionat, fagure) fiecare imprimnd anumite caracteristici bobinei.

Bobinajul poate fi realizat din fir de aluminiu sau cupru, monofilar sau multifilar (pentru frecvene mari). Pentru frecven ultranalt (datorit efectului pelicular) se folosesc conductoare de cupru argintat (curentul trecnd prin pelicula de argint) sau conductoare de aluminiu (pentru puteri mari).

Aluminiul prezint anumite dezavantaje fa de cupru, din cauza problemelor pe care le ridic lipirea sa, respectiv rezistivitatea electric mai ridicat n comparaie cu cuprul care impune mrirea seciunii conductoarelor conducnd la soluii constructive necorespunztoare. Conductoarele pentru bobine pot avea seciune circular sau dreptunghiular (ptrat) i pot fi izolate sau neizolate.

n curent alternativ bobina este caracterizat de reactana inductiv (XL) definit de relaia:

LX L = Cu ajutorul acesteia se poate defini factorul de calitate ca fiind:

RXQ LL =

Bobinele se clasific astfel: Bobine fixe (inductana constant pe timpul funcionrii), cu reprezentarea din figura

1.6.a. Dac sunt fr miez atunci sunt realizate pentru inductiviti mici. Bobine variabile (prin poziionarea unui miez magnetic), reprezentate ca n figura

1.6.b; Bobine fixe cu miez magnetic, figura 1.6.c. Miezurile magnetice ale bobinelor pot

avea diferite forme (bar, tor, oal si alte forme nchise). Bobine fixe cu miez magnetic i ntrefier, figura 1.6.d.

17

Pentru bobine, n catalog se prevd principalele caracteristici: Inductana (L) Rezistena proprie (RL); Factorul de calitate (QL) sau tangenta unghiului de pierderi (tg), reprezint raportul

dintre puterea activ disipat n bobin i puterea reactiv; Capacitatea parazit a bobinei; Coeficientul de temperatur, caracterizeaz modificarea relativ a inductanei sub

influena temperaturii; Puterea, tensiunea i curentul maxim admis pentru a nu produce transformri

ireversibile n bobin; Domeniul de ajustare a inductivitii. La bobine pot aprea cmpuri electromagnetice exterioare. Pentru aceasta este necesar

ecranarea. Aceasta se face prin ecranarea cu materiale feromagnetice pentru cmpuri perturbatoare de joas frecven i materiale bune conductoare de electricitate pentru frecvene nalte.

Un tip special de bobine sunt variometrele, ansamblu de dou bobine (una fix i alta mobil cu acelai ax) fr miez, care asigur modificarea cuplajului magnetic (inductana mutual) dintre ele. Se utilizeaz n circuitele de acord de ieire ale emitoarelor radio si cele de intrare ale radioreceptoarelor gonio.

Inductivitatea bobinei poate avea mai multe interpretri: 1. Proprietate a unui circuit de a se opune variaiei curentului electric care l parcurge.

Astfel inductivitatea bobinei este coeficientul de proporionalitate ntre fluxul magnetic i curentul electric:

)t(i)t(L =

AWbH =

2. Proprietatea bobinei de a acumula energie magnetic. La conectarea unei bobine la o surs electric apare o tensiune electromotoare care se opune creterii curentului prin bobin. Aceasta nu se realizeaz n totalitate, astfel c este necesar energie suplimentar pentru a nvinge opoziia bobinei, exprimat cu relaia:

2LIW

2

L = Inductivitatea bobinei este dependent de form, dimensiuni i structur. Exemplu: 1. Pentru o bobin fr miez, de lungime l, seciune S i numr de spire N, inductivitatea

bobinei este calculat cu relaia:

L L L L

a. b. d. c. 1.

2.

Fig.1.6: 1. Simbolurile bobinelor; 2. Simboluri tolerate: a. Bobin, inductan; b. Bobin, inductan variabil; c. Bobin, inductan cu miez magnetic;

d. Bobin, inductan cu miez magnetic i ntrefier.

18

lSN4L =

2. Pentru o bobin amplasat pe un miez magnetic nchis de seciune medie a miezului magnetic, Sm i Dm:

m

m2

D2SNL =

Comportarea n frecven a bobinei Schema echivalent a bobinei conine o rezisten de pierderi n conductor Rc, o

rezisten de pierderi n miez Rm, o rezisten de izolaie Riz i capacitatea parazit ntre dou spire alturate C. Astfel se poate obine un model cu parametri concentrai ca n figura 1.7.

n cazul real, o bobin se reprezint prin schema serie sau paralel ca n figura 1.8. Diagramele fazoriale ale celor dou metode de echivalare a bobinei arat faptul c

defazajul real ntre curentul prin bobin i tensiunea aplicat la borne nu este de 90o. De asemenea schemele pun n eviden unghiul de pierderi, pe baza cruia se calculeaz factorul de pierderi (tg) sau factorul de calitate (Q):

U

I

RI I

U jLI

Fig. 1.8. Schema echivalent a bobinei cu diagramele fazoriale: a. paralel; b. serie

U

IL

I

IR

U/R

I

U

U/(jL)

a. b.

Rc L Rm

C

Riz

1 2

Fig. 1.7. Schema echivalent cu parametri concentrai a bobinei

19

Pentru schema paralel:

Q1

RLtg ==

Pentru schema serie:

Q1

LRtg ==

Factorul de pierderi depinde de frecvena curentului prin bobin, respectiv de pierderile n conductor, n rezistena de izolaie sau prin histerezis.

n circuitele practice se utilizeaz schema echivalent serie, pentru care impedana echivalent serie se obine n urma aplicrii legii lui Ohm de forma:

Y1LjRZS =+=

unde Y se numete admintan.

1.2.3. CONDENSATOARE Condensatorul este un sistem de dou conductoare desprite de un dielectric. Cele dou

conductoare se numesc armturi. Condensatorul se caracterizeaz prin capacitate (C). Atunci cnd se aplic o tensiune (diferen de potenial) la bornele unui condensator,

acesta acumuleaz o sarcin electric (Q) proporional cu tensiunea aplicat, conform relaiei: UCQ =

Unitatea de msur a capacitii n Sistemul Internaional este faradul (F). Din punct de vedere energetic un condensator de capacitate C nmagazineaz o energie a

cmpului electric dintre armturi conform relaiei: 2CU

21W =

Energia acumulat se msoar n Joule (J). Pentru un condensator cu dou armturi cu suprafaa S, cu distana d ntre ele i constanta

dielectricului , capacitatea se poate calcula cu relaia:

dSC =

Condensatoarele pot fi clasificate: n funcie de natura dielectricului utilizat n condensatoare:

cu mic, cu hrtie; cu pelicule plastice; electrolitice.

Exist un alt tip de condensatoare, ceramice, care se realizeaz din materiale ceramice cu polarizare spontan sau temporar.

Din punct de vedere constructiv: fixe; variabile; semireglabile; de trecere.

Principalele caracteristici electrice ale condensatoarelor sunt: Capacitatea nominal (Cn) i tolerana acesteia, specificate la o anumit frecven (50,

800 sau 1000 Hz); Tensiunea nominal (Un) care reprezint valoarea maxim a tensiunii continue sau a

tensiunii efective care nu produce strpungerea condensatorului n funcionare ndelungat;

20

Rezistena de izolaie (Riz), care reprezint valoarea raportului tensiune-curent

continuu la un minut dupa aplicarea tensiunii; Tangenta unghiului de pierderi, care reprezint raportul dintre puterea activ i cea

reactiv, msurate la aceeai frecven la care a fost msurat capacitatea nominal; Tolerana, reprezint abaterea relativ maxim a capacitii de la valoarea nominal.

La fel ca la rezistoare valorile nominale sunt cuprinse n seriile de valori n funcie de tolerana condensatorului. Pentru capaciti mari (condensatoare electrolitice) se pot fabrica i n afara seriilor. La acest tip de condensatoare toleranele sunt n general nesimetrice. Ex. 20%+80% ;

Coeficientul de variaie cu temperatura [K-1]

dTdC

C= 1

Alturi de parametri enumerai mai sus, exist i ali parametri, dar nu la fel de importani. Condensatoarele variabile mai au urmtorii parametri:

Capacitatea minim (Cmin); Legea de variaie a capacitii dat de funcia:

C = f(Cmin, Cmax, ), unde este unghiul de rotaie, variabil ntre 0 si max. Astfel, legile de variaie a capacitii pot fi: legi liniare, exponeniale etc.

Comportarea condensatoarelor n c.a. n cazul ideal, un condensator este reprezentat prin capacitatea condensatorului. n caz

real schema echivalent a lui este format dintr-o capacitate i o rezistivitate, ca n figura 1.10. Pentru condensatoarele electrolitice schema echivalent se complic datorit electrolitului.

Impendana echivalent a circuitului (cu R i C rezistena i capacitatea serie a condensatorului) este:

Cj1RZs +=

Exist o valoare a frecvenei, numit frecven de rezonan r, care dac este depit, condensatorul real i pierde caracterul de condensator. Alturi de rezistoare, condensatoarele sunt cele mai folosite componente. Defecte la condensatoare apar numai n cazul folosirii incorecte a acestora.

Cele mai frecvente defecte ale condensatoarelor constau n micorarea rezistenei de izolaie, pierderea capacitii condensatorului, ruperea terminalelor, iar n cazul condensatoarelor ceramice, spargerea acestora.

a b c d e f g

Fig. 1.9. Reprezentarea condensatoarelor: a. fixe; b. variabile; c. semireglabile; d. f. g. electrolitce; e. de trecere.

21

n cazul condensatoarelor electrolitice, scderea capacitii se poate remedia printr-un

procedeu numit reformare. Acesta const n meninerea o perioad de timp a condensatorului la tensiunea nominal. Aceast meninere favorizeaz refacerea stratului de oxid.

Marcarea condensatoarelor Valoarea condensatoarelor se poate marca n urmtoarele moduri: Marcarea n clar. Este exemplificat n tabelul urmtor: Tabelul 1.8

Marcare 220pF 100nF 3,3F Cn [F] 2210-11 10-7 3,310-6

Codul alfanumeric utilizat pentru marcarea capacitii nominale este prezentat n

tabelul 1.9; n locul virgulei se utilizeaz simbolurile literale p, n, . n unele ri p este nlocuit cu U, n cu T sau K, cu M. Exemplificare se face n tabelul 1.8.

Tabelul 1.9

Marcare 3p3 100p 4n7 1M 2M2 Cn 3,3pF 100pF 4,7nF 1F 2,2F

Codul numeric pentru marcarea capacitii nominale este format din trei cifre.

Primele dou cifre reprezint cifrele semnificative a capacitii, iar a treia cifr este factorul de multiplicare. Un exemplu este prezentat n tabelul 1.10.

Tabelul 1.10

Factor de multiplicare

1 10 102 103 104

Cod 9(R) 1 2 3 4 Marcare 109 221 102 223 474 Cn 10pF 220pF 1nF 22nF 470nF

U

I

Ir

U

I

I/(jC)

Fig. 1.10. Schema echivalent a condensatorului i diagrama fazorial: a. serie; b. paralel.

IC

Ir

I

U

U Ir

I

a. b.

22

Codul culorilor. Capacitatea nominal este marcat cu trei culori, pentru seriile de

valori nominale E6, E12 i E24 i cu patru culori pentru seriile E48, E96, E192, etc. Culorile sunt inscripionate pe corpul condensatorului sub form de inele, linii sau puncte. Codul culorilor este prezentat n tabelul 1.11, iar semnificaia este dup cum urmeaz :

a - coeficientul de variaie cu temperatura; b - prima cifr semnificativ a capacitii nominale; c - a doua cifr semnificativ a capacitii nominale; d - factorul de multiplicare; e -tolerana (de fabricaie); f - tensiunea nominal; h - terminalul conectat la armtura exterioar; j - a treia cifr semnificativ a capacitii nominale; k - gama temperaturilor de lucru, folosit numai la condensatoarele cu mic: negru

pentru [-5,100]C, rou pentru [-55, -180]C i galben pentru [-55, 125]C; m - clasa condensatorului, specific fiecrei firme.

Dei prezentarea este fcut pentru 10 inele, pe corpul condensatoarelor se vor gsi, de cele mai multe ori, 5, 4 sau 3 inele. Reprezentarea este dat n figura 1.11.

n tabelul 1.11. se utilizeaz urmtoarele notaii: CC - condensatoare ceramice monostrat; CM - condensatoare cu mic; CH - condensatoare cu hrtie; CP - condensatoare cu poliester; CS - condensatoare cu stiroflex (polistiren); CTa - condesatoare electrolitice cu Tantal. Tolerana poate fi marcat : n clar, codul culorilor, cod literal.

a b c d e

b c d e

b c d

Fig. 1.11. Marcarea condensatoarelor n codul culorilor

23

La marcarea n clar a toleraei se inscripioneaz pe corpul condensatorului cifrele toleranei, cu sau fr simbolul %. La condensatoarele cu capacitatea nominal Cn < 10pF, tolerana este dat n pF.

Marcarea n codul culorilor este conform tabelului 1.11 i figurii 1.11. Marcarea n cod literal a toleranei este conform tabelului 1.12.

Linii

Tabelul 1.11.

Cifre semnifi-cative

Factor de multiplicare

Tolerana Coef. tempe-ratur

Tensiune nominal (V)

Tabelul 1.12. Partea a doua

Tabelul 1.12. Partea nti

Cn Cn

Tolerana Cod

Cn

Cn Tolerana Cod

24

1.3. COMPONENTE ACTIVE Componentele active sunt cele care contribuie la mrirea puterii semnalului (adic a

mrimii fizice care poart informaie, fr a altera informaia). Mrirea puterii semnalului se face pe seama puterii absorbite de la sursa de alimentare. Din categoria componentelor active fac parte att tuburile cu vid ct i dispozitivele semiconductoare.

1.3.1. TUBURI ELECTRONICE Tuburile electronice sunt componenete de circuit a cror funcionare se bazeaz pe fluxul

de electroni. Acesta este produs de un electrod special numit catod. Fenomenul de generare" a electronilor de ctre catod poart numele de emisie

electronic. Emisia electronic, poate fi: emisia termoelectronic - se realizeaz prin nclzirea catodului metalic la o

temperatura suficient de mare, astfel nct, energia cinetic a electronilor liberi s fie suficient pentru ca o parte dintre acetia s prseasca definitiv catodul;

emisia prin cmp electric puternic - se obine ca urmare a aplicrii unui cmp electric tubului;

emisia secundar nseamn smulgerea unui numr de electroni din catod i din ali electrozi ca urmare a bombardrii acestora cu particule sau a excitrii lor cu radiaii electromagnetice;

emisia fotoelectronic, etc. Emisia electronic se produce n vid. Nu se poate utiliza emisia electronic n aer

deoarece electronii emii nu pot parcurge distanele corespunztoare. De asemenea, n cazul tuburilor electronice trebuie s se in cont de temperaturile mari care sunt necesare pentru obinerea unei emisii electronice corespunztoare, care accelereaz reacia metalelor de a se transforma n oxizi n prezena aerului.

Dintre tuburile electronice, n acest capitol se prezint: 1.3.1.1. Dioda cu vid (kenetronul) Este un dispozitiv electronic neliniar cu doi electrozi: anod (A) i catod (K), introdui

ntr-un balon vidat. Semnul convenional este prezentat n figura 1.12. Fenomenele fizice care au loc n funcionarea diodei se evideniaz ca fenomene de baz

i pentru restul tuburilor convenionale.

A

K

IA

UA

Limitare prin sarcin spaial

Limitare prin energie

Fig. 1.12. Dioda cu vid: a. Semnul convenional; b. Caracteristica static.

a. b.

25

Presupunem c se alimenteaz anodul, n timp ce catodul este nealimentat. Prin alimentarea cu tensiune a catodului se produce o emisie termoelectric. Catodul nclzit va emite electroni care l vor nconjura sub forma unui nor de sarcin spaial negativ. Fa de norul de sarcin spaial negativ, catodul se ncarc pozitiv.

Starea de echilibru const n meninerea n preajma catodului (la o anumit temperatur a catodului) a norului de sarcin spaial (existena unei fore coulombiene care atrage norul spre catod). Starea de echilibru se meine att timp ct anodul nu este conectat la o surs de tensiune. Dac potenialul anodului n raport cu catodul este negativ, electronii din sarcina spaial sunt respini de ctre anod i se vor aduna cu densitate mare n jurul catodului.

Dac anodul va avea un potenial pozitiv fa de catod, electronii din sarcina spaial sunt atrai de anod i intr n circuitul exterior anod-catod, dnd natere unui curent anodic. Numrul de electroni care strbat spaiul dintre electrozi n unitatea de timp depinde de diferena de potenial dintre anod i catod.

Funcionarea diodei cu vid este caracterizat de dou mrimi: Tensiunea anodic - tensiunea anod-catod (UA); Curentul anodic - curentul din circuitul exterior tubului (IA). Dependena ntre aceste dou mrimi se numete legea 3/2 avnd expresia analitic (n

funcionare ideal) de forma: 2/3

AA UKI = K se numete pervean, avnd valoarea dependet de geometria electrozilor.

Caracteristica static ideal a diodei cu vid este prezentat n figura 1.13. La valori diferite de nclzire se obin valori diferite ale tensiunii, respectiv caracteristici diferite.

n vecintatea originii variaia curentului anodic respect o lege exponenial i nu legea

3/2. La o anumit tensiune anodic, apare limitarea prin emisie, astfel curentul anodic corespunde valorii curentului de emisie, care are o valoare limitat pentru o temperatur de nclzire dat. Zona caracteristicii aproximativ orizontal, care se abate total de la legea 3/2, se numete zon de saturaie. Chiar i n zona de saturaie, curentul crete usor cu creterea tensiunii anodice datorit intensificrii cmpului electric ntre cei doi electrozi, favorizndu-se apariia unei emisii prin cmp electric (efect Schottky).

Dioda cu vid se utilizeaz n scheme de redresare, limitare, detecie. Diodele prezint anumite proprieti, a cror apreciere se face pe baza parametrilor i valorilor caracteristice. Parametrii diodei rezult din legea real de variaie a curentului anodic n raport cu tensiunea anodic:

IA

UA I0

UF1

UF2

Fig. 1.13. Caracteristica tensiune-curent (UF2 > UF1).

Fig.1.14. Caracteristica invers tensiune-curent.

Uinv

Iinv

0 Ustr

26

parametri difereniali specifici fiecrui punct de pe caracteristica IA = f(UA), numii i parametri statici;

parametri difereniali medii, care indic proprietile globale ale diodei i nu pe cele punctuale, numii i parametri de curent continuu.

Dintre parametrii se amintesc: Rezistenta interna Ri, - raportul dintre variaia tensiunii anodice i variaia

corespunztoare a curentului anodic; Puterea de disipaie anodic - puterea rezultat din cedarea energiei cinetice de ctre

electronii ajuni la anod care se transform n energie caloric i puterea provenit din cldura filamentului sau catodului i radiat de acesta.

Curentul invers (Iinv). Legea curentului anodic corespunde regimului direct de funcionare a diodei (unei tensiuni cu plusul pe anod i minusul pe catod). Exist ns un regim invers de funcionare cu plusul la catod i minusul la anod, situaie intlnit cnd dioda ndeplinete funcia de redresare, n cazul alternanei negative a tensiunii. Acest regim este caracterizat prin aceea c tensiunea aplicat ntre anod si catod ntrerupe conducia n tub. Aceasta nseamn apariia unei rezistene interne numit rezistena invers, Rinv de ordinul zecilor de M. n consecin exist un curent invers Iinv, (foarte mic). Pe msur ce tensiunea invers Uinv crete, rezistena invers scade. Crescnd tensiunea invers, la atingerea tensiunii de strpungere a spaiului anod-catod curentul invers prin diod crete foarte mult, ceea ce produce distrugerea tubului.

1.3.1.2. Trioda

Trioda este un tub electronic n care exist un al treilea electrod, grila, plasat ntre anod i catod. Rolul grilei este unul de comand. In figura 1.15. este prezentat simbolul triodei.

Spre deosebire de dioda cu vid, la triode se pot pune n eviden dou circuite: Circuitul anodic ntre anod i catod (caracterizat de tensiunea UA); Circutul de gril ntre gril i catod (caracterizat de tensiunea de gril UG. Cnd

aceast tensiune este pozitiv, o parte din electronii din sarcina spaial sunt atrai de gril, deci apare un curent de gril IG).

Grila, prin potenialul ei, controleaz circulaia electronilor n tub. Exist urmtoarele situaii: 1. UG > 0. n acest caz electronii sunt accelerai spre anod ntr-o msura mai mare, deci

curentul anodic crete. 2. UG = 0. Atragerea electronilor din sarcina spaiala de ctre gril dispare. Curentul de

gril IG continu s existe datorit captrii de ctre gril a electronilor emii cu energie cinetic ridicat i a celor provenii din respingerile de electroni care au loc n norul sarcinii spaiale.

A

K

G

Fig. 1.15. Semnul convenional al triodei.

Fig. 1.16. Circuitele triodei.

A

K

G UA

IA

IG

UG IC

27

3. UG < 0. Grila are rol de frn fa de electronii din sarcina spaial, precum i fa de cei emii de catod, respingndu-i napoi ctre catod.

Trioda este asociat cu proprietatea de amplificare (produce o tensiune anodic de valoare mare pentru tensiuni de gril reduse). Aceasta duce la concluzia c trioda poate fi considerat att amplificator de putere ct i de tensiune.

Cmpul electric n triod este influenat mai puternic de potenialul grilei dect de cel anodic.

Se definete efectul de ecranare al anodului de ctre gril. Acesta se caracterizeaz prin factorul de ptrundere D, al grilei (o tensiune UA aplicat ntre anod i catod produce n tub acelai efect ca i o tensiune DUA aplicat ntre gril i catod). Inversul factorului de ptrundere se numete factor de amplificare n tensiune, .

D1=

Curentul total din tub este: AGC III +=

Legea de variaie a curentului este: ( ) 2/3AGC DUUKI +=

Dac tensiunea de gril este negativ, se poate aproxima IG 0. Legea devine: ( ) 2/3AGA DUUKI +=

pentru care K este perveana triodei, dependent de forma i dimensiunile electrozilor. Pentru triod se pot determina urmtoarele caracteristici: caracteristica anodic sau de ieire ctUAA G)U(fI == caracteristica de transfer ctUGA A)U(fI == caracteristica de intrare ctUGG A)U(fI == caracteristica de reacie ctUAG G)U(fI == Proprietile triodelor se apreciaz prin valorile parametrilor lor. Plecnd de la funcia IA = f(VG, VA) se pot defini urmtorii parametri: Panta (static) triodei, denumit conductaa mutual sau transconductana - variaia

curentului anodic raportat la variaia corespunztoare a tensiunii de gril n jurul unui punct de funcionare M, la tensiune anodic constant.

IA(mA) UG(V)=+8V

UA(V)

+4V

0V

-8V

-4V

200 100 300

Fig. 1.17. Carcteristica static de ieire.

IA(mA)

UA(V)=400

UG(V)

300

100

200

-8V -6V -2V -4V

Fig. 1.18. Caracteristica static de transfer.

28

Factorul de amplificare (static) - raportul dintre variaia tensiunii anodice i variaia corespunztoare a tensiunii de gril n jurul unui punct de funcionare M, meninnd curentul anodic constant.

Rezistena intern (static) - raportul dintre variaia tensiunii anodice i variaia corespunztoare a tensiunii de gril n jurul punctului M, meninnd constant tensiunea de gril.

Clasificarea triodelor 1. n funcie de valorile factorului de amplificare static: triode de mic amplificare, cu < 20; triode de amplificare medie, cu = 30 60; triode de amplificare mare, cu > 60, dar nu mai mare de aproximativ 100. 2. n raport cu rezistena intern: triode de putere, cu Ri < 2 k; triode amplificatoare de tensiune, cu Ri = 2 5 k; triode amplificatoare de tensiune, cu Ri = 5 50 k. 1.3.1.3. Tetroda Tetroda este tubul cu patru electrozi, dintre care dou grile aflate ntre anod i catod.

Acestea se numesc: gril de comand (grila) i gril ecran (ecranul). Ecranul reduce distana dintre cei doi electrozi. Grila ecran se face cu att mai deas, cu

ct ecranarea trebuie s fie mai complet. Tensiunea (continu i pozitiv) care se aplic ntre ecran i catod se numete tensiune de

ecran, i n general este mai mic sau cel mult egal cu tensiunea anodic. O parte din electronii plecai de la catod sunt atrai de ecran, formndu-se un curent de ecran (de cteva ori mai mic dect curentul anodic).

Fig. 1.19. Semnul convenional al tetrodei.

A

K

G E

Fig. 1.20. Circuitele tetrodei.

UE

UA

IA

IG

UG

A

K

G E

IC

Fig. 1.21. Tetroda cu fascicul dirijat.

A

K

G

E

Fig. 1.22. Semnul convenional al pentodei.

A

K

G

E S

29

Un caz particular al tetrodei este tetroda cu fascicul dirijat. Proprietatea acesteia const n nlturarea efectului deranjant dintre ecran i anod (el dispare i dac distana dintre ecran i anod este de 8-10 ori mai mare dect distana dintre catod i ecran). Pentru a mri densitatea de sarcin n spaiul ecran-anod, electronii care circul de la catod la anod sunt dirijai n fascicule nguste, de unde i denumirea tubului.

Pentru a realiza concentrarea electronilor n fascicule i pentru ca acetia s nu treac spre pantele marginale ale anodului, tubul se prevede cu dou plci de deflexie, diametral opuse, situate n spaiul dintre anod i catod (figura 1.21). Plcile au acelai potenial cu catodul.

1.3.1.4. Pentoda Este un tub electronic cu 5 electrozi. n plus fa de tetrod, se introduce un electrod numit gril de oprire (supresare), cu rol de a opri schimbul de electroni secundari ntre anod i ecran.

Supresorul poate fi polarizat: negativ n raport cu catodul; la acelai potenial cu el. Polarizarea se face astfel nct electronii de emisie secundar anodic s fie respini de

cmpul de frnare dintre anod i supresor i ntori spre anod. Prin urmare curentul anodic nu mai scade, iar curentul de ecran nu mai crete.

Pentoda se utilizeaz n circuitele de amplificare.

1.3.1.5. Tuburi schimbtoare de frecven Au rolul de a schimba frecvena unui semnal. Acest fenomen de schimbare de frecven

este folosit ntr-o serie de echipamente radioelectronice (receptoare superheterodin). Exist dou tipuri de schimbatoare a frecvenei:

multiplicativ; aditiv. 1. Schimbtor multiplicativ Semnalul util vs de frecven fs (la care se dorete schimbarea frecvenei) se aplic

schimbtorului de frecven pe un electrod, iar semnalul auxiliar va de frecven fa, provenind de la un oscilator local pe alt electrod. Tubul schimbtor de frecven este polarizat astfel nct s funcioneze neliniar. La ieirea din schimbtor se obine un semnal vi cu frecvena fi (frecven intermediar, mai mic dect frecvena fs). Acest dispozitiv se folosete la frecvene obinuite.

Pentru funcia de schimbare de frecven se utilizeaz pentodele, dar fr rezultate foarte bune. De aceea, s-au construit tuburi electronice speciale multigril (hexoda, heptoda, octoda).

2. Schimbtor aditiv Semnalul vs i semnalul va se aplic la acelai electrod al tubului. Schimbarea de

frecven aditiv poate fi realizat cu triode sau pentode la care ambele semnale vs i va se aplic pe grila de comand. Acest tip de schimbare de frecven se folosete n domeniul frecvenelor ultranalte.

Schimbtor de frecven

va (fa)

vi (fi) vs (fs)

Fig. 1.23. Schema bloc a schimbtorului de frecven.

30

2. NOIUNI DE FIZICA SEMICONDUCTORILOR

Semiconductorii sunt materiale cu proprieti plasate ntre proprietile izolatorilor i cele ale conductorilor. Dei tuburile electronice sunt de foart mult vreme utilizate, n ultimul timp cele mai des ntlnite dispozitive sunt diodele semiconductoare i tranzistoarele, cunoscute n sens larg sub denumirea de dispozitive semiconductoare.

Dispozitivele semiconductoare funcioneaz pe principiul micrii electronilor n interiorul cristalului descris de legile mecanicii cuantice.

Deoarece tehnica semiconductorilor se dezvolt rapid i se pare c nu exist limite n n aceast direcie, se dezvolt proporional i dispozitivele care au la baz materiale semiconductoare cu proprieti ca: eficien, caracter compact i adaptabilitate. Dezvoltarea tehnicii semiconductorilor a nsemnat apariia, pe baza structurii diodelor semiconductoare, de noi dispozitive ca diodele Zener, fotodiodele, tranzistoarele cu efect de cmp, ajungndu-se la circuitele integrate, la rndul lor cu form din ce n ce mai miniaturizat. Circuitul integrat este o bucat de material semiconductor cu posibilitatea de a realiza funciile unui ntreg circuit electronic.

nceputul dispozitivelor semiconductoare se poate considera a fi n anii 1800, cnd M. Faraday a descoperit coeficientul de temperatur negativ al sulfurii de argint. Aceasta nseamn c rezistena la trecerea curentului electric scade cu creterea temperaturii. n opoziie exist termenul de coeficient de temperatur pozitiv, acesta, n cazul materialelor conductoare. Civa ani mai trziu s-au descoperit proprietile de redresare (Munk Rosenshold) ale materialelor semiconductoare, proprieti redescoperite civa ani mai trziu de F. Braun. Urmtoarea descoperire a fost proprietatea pelicular a seleniului (sensibilitatea la lumin rezistena scade odat cu creterea intensitii luminii).

Aceast desoperire i-a permis lui Alexander Graham Bell s inventeze telefonul fotografic (convertirea variaiei luminii n sunet), predecesorul receptorului radio.

Alturi de seleniu, siliciul s-a dovedit un al doilea material semiconductor, considerat a fi cel mai stabil. De asemenea, germaniul (descoperit de Carl Beredicks) este materialul semiconductor utilizat n electronica de mic putere i aplicaiile ei la frecvene joase.

Dei descoperite, materialele semiconductoare nu au fost utilizate pn n timpul celui de-al doilea rzboi mondial, cnd a fost necesar un dispozitiv care s lucreze la frecvenele ultra-nalte ale radarului (tuburile electronice puteau s amplifice, s redreseze dar nu lucrau la frecvene ultra-nalte). Utilizarea dispozitivelor semiconductoare a luat amploare odat cu descoperirea funciei de amplificare a semnalului (realizat de tranzistor).

Descoperirile au continuat prin realizarea diodei Zener (Carl Zener), a diodei tunel (Leo Esaki) i mai trziu a circuitelor integrate.

Dezavantajele dispozitivelor semiconductoare constau n dependena proprietilor lor de temperatur, umiditate i iradiere mai mult dect proprietile tuburilor.

Pentru a nelege funcionarea dispozitivelor semiconductoare este necesar s se cunoasc structura i natura materialelor semiconductoare. Dup cum se tie universul se mparte n materie i energie.

Materia este ceea ce ocup spaiu i are o greutate. Materia se poate mpri n trei forme de existen: solid, lichid i gaz. Cnd vorbim de materie ne referim la un element chimic sau la o combinaie de elemente. n studiu, se consider ca baz atomul. Este cea mai mic particul care pstreaz proprietile originale. Un atom se compune din electroni, protoni i neutroni. Numrul i aranjamentul electronilor i protonilor fac diferena dintre diferitele elemente chimice. Electronii sunt purttorii de sarcini electrice negative, n timp ce protonii sunt purttori de sarcini pozitive. Calea pe care merge electronul se numete orbit. Pentru a extrage electronul este necesar o cantitate de energie (nivel energetic). Pentru a menine electronul pe orbita sa

31

este necesar un echilibru energetic (s nu se piard i s nu se ctige energie). Pentru o clasificare a materialelor se ine seama de nivelele energetice. Astfel materialele se mpart n:

Izolatoare; Semiconductoare; Conductoare. Activitatea unui atom este determinat de numrul de electroni din nveliul de valen.

Dac nveliul de valen este complet, atomul este stabil i nu are tendine de combinare cu ali atomi. Un atom este stabil dac are pe nveliul de valen 8 electroni (atomi inactivi). Dac este necesar un anumit numr de electroni pentru a completa nveliul de valen, activitatea atomului crete (este cazul siliciului i germaniului).

Fig. 2.1. Diagrama nivelelor energetice pentru: a. izolator; b. semiconductor; c. conductor.

Band interzis

Band de conducie (permis)

Band de valen

Energia electronului

Band interzis

Band de conducie (permis)

Band de valen

Energia electronului

Band de conducie (permis)

Band de valen

Energia electronului

c. b. a.

In

Fig. 2.2. Tipuri de semiconductoare: a. intrinseci; b. extrinseci tip P; c. extrinseci tip N.

a.

c. b.

32

Pentru descrierea fenomenelor macroscopice de conducie s-au realizat modele care folosesc particule fictive.

Micarea acestor particule este caracterizat astfel: micarea electronului din banda de conducie este descris de o particul fictiv,

numit tot electron, cu aceeai sarcin ca i particula real (-q); micarea electronului din banda de valen care se desprinde dintr-o legtur covalent

spre a ocupa un loc liber din alt legtur covalent rupt, este descris de o alt particul fictiv, numit gol, cu sarcin electric egal cu cea a electronului dar de sens opus +q.

n concluzie, n semiconductoare conducia curentului electric este asigurat de dou tipuri de purttori de sarcin mobili, electroni i goluri.

Electronii de conducie i golurile apar n perechi, proces numit generare de perechi electron-gol. Concentraia [cm-3] electronilor se noteaz cu n, iar a golurilor cu p. n condiii de echilibru termic, concentraiile n0 i p0, la semiconductorul fr impuriti, sunt egale. Valoarea lor comun se noteaz cu ni i se numete concentraie intrinsec de purttori.

Realizarea dispozitivelor electronice semiconductoare impune obinerea unor semiconductoare extrinseci (figura 2.2):

Cu exces de electroni (n > p), numit semiconductor de tip N (folosesc impuritati pentavalente, numite impuriti donoare). Un atom de impuritate donoare substituie un atom de semiconductor din reea. Patru dintre electronii de valen formeaz legturile covalente cu atomii vecini, iar al cincilea este slab legat. Acesta la temperatura ambiant primete suficient energie pentru a se desprinde de atomul donor devenind electron de conducie. Electronii de conducie sunt purttori de sarcin (negativ) majoritari, iar golurile sunt purttori de sarcin (pozitiv) minoritari.

Cu exces de goluri (p > n), numit semiconductor de tip P (folosesc impuritati trivalente, impuriti acceptoare). Atomul de impuritate trivalent satisface trei din cele patru legturi covalente cu atomii vecini. Legtura rmas liber se poate completa cu un electron dintr-o legtur covalent vecin, lsnd n urma sa un gol. Golurile sunt purttori de sarcin (pozitiv) majoritari i electronii de conducie sunt purttori de sarcin (negativ) minoritari.

2.1. JONCIUNEA PN Dac la un material semiconductor de tip N se alipete un material semiconductor de tip

P se obine un dispozitiv numit jonciunea pn. Suprafaa unde regiunea tip P se ntlnete cu regiunea tip N se numete jonciune. Acest dispozitiv este cunoscut n practic ca dioda redresoare.

Deoarece, dioda permite trecerea curentului electric ntr-un singur sens, ea este utilizat n redresarea curentului alternativ n curent continuu.

Reprezentarea diodei este dat n figura 2.3. Dioda are dou terminale: anodul (A, material de tip P) i catodul (K, material de tip N).

Pentru a nelege funcionarea jonciunii pn trebuie s se studieze trecerea curentului prin

cele dou tipuri de material.

a.

b.

Fig. 2.3. Simbolul grafic al diodei cu jonciune pn.

33

Pentru semiconductorul de tip N, prin aplicarea unei tensiuni la capete, electronii vor avea direcia indicat n figura 2.4. Potenialul pozitiv va atrage electronii liberi. Electronii vor prsi cristalul i vor ajunge la terminalul pozitiv al sursei. n timp ce un electron prsete cristalul, un alt electron (de la terminalul negativ al sursei) va intra n cristal, dnd natere unei ci de curent. Purttorii majoritari n regiunea de tip N (electroni) sunt respini de terminalul negativ i atrai de terminalul pozitiv al sursei.

Pentru semiconductorul de tip P, purttorii majoritari (golurile) sunt respini de

terminalul pozitiv al sursei i mpini spre terminalul negativ. Electronii din circuitul extern ntlnesc, n apropierea terminalului negativ al materialului, golurile din vecintatea acestui terminal, formnd legturi covalente. n apropierea terminalului pozitiv electronii sunt desprini din legturile covalente, formnd noi goluri. Procesul continu ct timp exist curent de goluri.

n materialul de tip N electronii sunt n exces, dar pentru fiecare exist un atom cu sarcin pozitiv care s-l compenseze din punct de vedere electric. Din acest motiv regiunea de tip N este neutr din punct de vedere electric. Asemntor, n cazul materialului de tip P golurile care sunt n exces se combin cu electronii, regiunea P devenind de asemenea neutr.

Micarea particulelor n cele dou regiuni poate fi descris prin dou fenomene: Generarea: fenomenul de trecere a unui electron al reelei cristaline n banda de conducie -

duce la generarea de electroni de conductie; prsirea benzii de valen - generarea de goluri.

Recombinarea: procesul prin care un electron al reelei cristaline prsete banda de conducie -

dispare un electron de conducie; trecerea n banda de valen - dispare un gol.

Dac printr-un proces unim cele dou regiuni, electronii din regiunea N difuzeaz spre regiunea P (unde se ntlnesc cu golurile din aceast regiune). Limita de demarcaie dintre cele dou regiuni se numete jonciune metalurgic de interfa.

Pierderea de electroni din regiunea N i de goluri din regiunea P creeaz ioni pozitivi n regiunea N i ioni negativi n regiunea P. Aceti ioni sunt fici i sunt plasai n apropierea limitei de demarcaie. Prin formarea a dou tipuri de sarcini se produce un cmp electrostatic (reprezentat sub forma unei baterii), figura 2.5. Difuzia electronilor i golurilor continu pn cnd amplitudinea cmpului electrostatic crete suficient de mult, astfel nct electronii i golurile nu mai au energie pentru a-l depi. n acest moment se stabilete punctul de echilibru. Din acest motiv cmpul electrostatic se numete barier de potenial.

- +

electroni

goluri a. b.

- +

electroni

goluri

Fig. 2.4. Sensul curentului prin: a. material tip N; b. material tip P.

34

Formarea de ioni pozitivi i negativi nu afecteaz existena golurilor i electronilor din cele dou regiuni. Dac se aplic o tensiune extern jonciunii pn atunci nseamn c putem discuta despre polarizarea diodei. Aceasta poate fi:

Direct; Invers. 2.1.1. TIPURI DE POLARIZARE A JONCIUNII PN 2.1.1.1. Polarizarea direct Se consider o jonciune la care se aplic o tensiune care se opune cmpului electrostatic,

care va reduce bariera de potenial i va mri curentul prin barier. Figura 2.6 prezint polarizarea direct.

Potenialul pozitiv aplicat pe regiunea P va fora golurile spre ionii negativi, cu care se vor combina. Potenialul negativ aplicat pe regiunea N va trimite electronii spre ionii pozitivi, cu care se vor combina. Ct timp ionii pozitivi i negativi vor fi astfel neutralizai, bariera de potenial se va micora.

n concluzie, prin aplicarea polarizrii directe se obine reducerea barierei de potenial i

se permite purttorilor majoritari s traverseze jonciunea. Conducia la acest tip de polarizare este asigurat de purttorii majoritari: golurile n regiunea de tip p i electronii n regiunea de tip n. Odat cu creterea tensiunii aplicate, crete fluxul de curent prin creterea numrului de purttori majoritari care strbat jonciunea. n cazul n care tensiunea aplicat depete valoarea admisibil, jonciunea se poate deteriora.

jonciune

Cmp electrostatic

- +----

++

++

N P

Fig. 2.5. Cmpul electrostatic la jonciune.

Bariera original

- +----

++

++

N P

Fig. 2.6. Cmpul electrostatic la polarizarea direct a jonciunii.

35

2.1.1.2. Polarizarea invers Se consider o surs de tensiune conectat cu terminalul negativ la regiunea p i

terminalul pozitiv la regiunea n, figura 2.7. Terminalul negativ atrage golurile din preajma jonciunii (pe partea regiunii p), n timp ce

terminalul pozitiv atrage electronii din preajma jonciunii, pe partea regiunii n. Prin acest tip de conectare a sursei, se obine o cretere a barierei de poltenial, care se opune fluxului de curent.

Curentul care traverseaz jonciunea nu este nul datorit purttorilor minoritari, golurile n regiunea n i electronii n regiunea p, care sunt respini spre terminalul pozitiv (golurile), respectiv spre terminalul negativ (electronii). Aceast micare a purttorilor minoritari se numete flux de curent minoritar (curent invers).

Funcionarea jonciunii pn n cele dou moduri de polarizare este reprezentat de caracteristica static a diodei, dependena curentului anodic n funcie de tensiunea anodic. Pentru jonciunea pn ideal se poate stabili o expresie analitic a curentului IA n funcie de VA. Aceast expresie, cunoscut sub numele de ecuaia jonciunii pn ideale, este:

= 1eII T

AVV

0A

pentru care

qkTVT = mV ( 26 mV la 300oC)

Ecuaia jonciunii pn ideale este o relaie fundamental pentru dispozitivele electronice cu jonciuni semiconductoare. Caracteristica din figura 2.8 reflect urmtoarele proprieti:

1) dependena neliniar ntre variabilele electrice de la terminale (IA i VA); 2) conducia unidirecional (cnd este polarizat direct, VA>0).

Bariera original

Fig. 2.7. Cmpul electrostatic la polarizarea invers a jonciunii.

-

----

+++

++

N P +++

++

-

----

Fig. 2.8. Cracteristica static real a jonciunii pn

IA [mA]

UA [V]

iA [A] 1000A

500A

30mA

50mA

10mA

3V

80V 40V

Cur

ent d

irect

Cur

ent i

nver

s

VBR

36

n rezumat, proprietatea diodei cu jonciune pn este capacitatea de a nu opune rezisten n cazul polarizrii directe i de a se opune trecerii curentului electric n cazul polarizrii inverse. Datorit acestei proprieti dioda cu jonciune pn (dioda semiconductoare) se utilizeaz n aplicaii cu circuite redresoare, circuite stabilizatoare, circuite de detecie sau de limitare (exemplificate mai jos).

Caracteristica real este caracterizat mai corect de relaia:

= 1eII T

AmVV

0A cu ( )2;1m i ia n considerare: creterea valorii curentului rezidual la valoarea IS, respectiv reducerea curentului la

polarizarea direct; La creterea curentului prin jonciunea polarizat direct se trece la regimul de nivel

mare de injectie. Creterea curentului IA cu VA nu mai este exponenial, ci cu pant mai mic, iar la cureni deosebii de mari, cnd lrgimea regiunii de trecere tinde ctre zero, caracteristica VA IA devine cvasiliniar, comportarea jonciunii apropiindu-se de cea a unei rezistene.

n cazul n care tensiunea invers aplicat este de valoare foarte mare (atinge punctul VBR de pe caracteristic), experimental se constat o cretere brusc a curentului invers, cu consencine asupra funcionrii jonciunii. Se produce fenomenul de strpungere. Exist trei mecanisme de baz responsabile pentru strpungere (figura 2.9):

Instabilitatea termic; Efectul tunel (Zener): pentru concentraii mari de impuriti (> 1018 cm-3) strpungerea

jonciunii se face prin efect Zener - apariia unui numr crescut de purttori de sarcin prin ruperea unor legturi covalente sub aciunea direct a cmpului electric. Efectul Zener apare la jonciunile cu tensiuni mici de strpungere (< 5 V).

Multiplicarea n avalan: apare la aplicarea unor tensiuni inverse ridicate, cnd cmpul electric din regiunea de sarcin spaial atinge valori mari i imprim purttorilor de sarcin care o strbat o energie crescut. n urma ciocnirii cu atomii reelei cristaline, un purttor de sarcin poate avea energie suficient pentru a forma o pereche electron-gol prin ruperea unei legturi covalente. Aceti purttori suplimentari sunt antrenai la rndul lor de cmpul electric i pot forma noi perechi electron-gol ducnd la creterea curentului. La tensiunea de strapungere, VBR, multiplicarea purttorilor de sarcin este practic infinit, ducnd la creterea nelimitat a curentului.

IA UA

Multiplicare n avalan

Efect tunel Strpungere termic

Fig. 2.9. Tipuri de strpungere ale jonciunii pn.

37

2.2. TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE 2.2.1. DIODA REDRESOARE O diod redresoare ideal are o caracteristic static ideal de forma celei din figura 2.10,

i se comport ca un scurtcircuit (rezisten nul) n sens direct i ca un ntreruptor deschis (rezisten infinit) n sens invers (figura 2.11). Simbolul (acelai cu cel al diodei semiconductoare, figura 2.3) sugereaz c dispozitivul conduce ntr-un singur sens, cel direct (de la A la K), indicat de sgeat.

Pentru verificarea diodei se utilizeaz un ohmetru ca n figura 2.11. 2.2.2. DIODA STABILIZATOARE Diodele stabilizatoare (diode Zener) sunt diode care funcioneaz normal n zona de

strpungere, deci polarizat invers. Scopul este acela ca la terminalele diodei s se menin practic constant o tensiune cnd curentul variaz n limite relativ largi. In figura 2.12 sunt date simbolurile diodei Zener, iar n figura 2.13 caracteristica diodei.

IA

UA

Fig. 2.10. Caracteristica static ideal a diodei ideale redresoare.

Fig. 2.11. Verificarea practic a diodei semiconductoare: a. polarizare invers-valoare mare a rezistenei; b. polarizare direct-valoare nul a rezistenei.

0 0

a. b.

+ + _ _

a. b.

Fig. 2.12. Simbolurile grafice ale principalelor tipuri de diode: a. dioda Zener; b. dioda tunel

38

Forma caracteristicii statice este cea a unei diode obinuite. Dac se aplic o tensiune invers, la o valoare VZ, numit tensiune Zener, apare fenomenul de strpungere, curentul invers prin diod crescnd brusc. Strpungerea este nedistructiv pentru c, datorit rezistenei din circuitul exterior, curentului nu i se permite s depeasc valoarea maxim admisibil IZM. n cazul diodei Zener nu apar efecte termice care s produc strpungerea distructiv.

Se observ c, dac punctul de funcionare al diodei Zener ramne n zona delimitat de

un punct iniial cu valoarea curentului IZ1, punct care marcheaz instalarea strpungerii i un punct cu valoarea curentului IZM, tensiunea pe dioda Zener nu se modific practic, dei curentul poate s se modifice n limite largi. Aceast zon se numete regiune Zener sau regiune de stabilizare sau regiune normal de funcionare. 2.2.3. DIODA TUNEL La baza funcionrii diodei tunel se gsete efectul tunel. Simbolul diodei este dat n figura 2.12.

n anii 1950-1960 Leo Esaki a descoperit c prin mrirea concentraiei de impuriti att n zona p ct i n zona n (jonciune de tip p+n+) se obine o regiune de trecere foarte ngust n raport cu diodele obinuite. Caracteristica diodei tunel este prezentat n figura 2.14.

Fig. 2.13. a. Polarizarea diodei Zener; b. Caracteristica static a diodei Zener.

IA

UA

Regiune de funcionare normal

UZ

IZM

IZ1

a.

N P

b.

Fig. 2.14. Caracteristica diodei tunel comparativ cu cea a diodei obinuite.

IA [mA]

UA [V] 400mV

5

4

2-IM

1

3-Im

39

Dioda tunel se caracterizeaz prin urmtoarele: Curentul direct crete pn la o valoare de vrf IM (2) dup care scade la o valoare

minim Im (pe msura creterii tensiunii de polarizare direct - 3). Caracteristica continu cu o cretere suplimentar odat cu creterea polarizrii directe (4, 5).

La polarizarea direct caracteristica are o regiune de rezisten negativ (poriunea 2-3 de pe caracteristic). La polarizarea invers dioda tunel nu are regim de saturaie, ci are o rezisten intern foarte mic, ceea ce implic distrugerea diodei n cazul aplicrii unei tensiuni inverse.

Dioda tunel se utilizeaz la construcia amplificatoarelor (n domeniul microundelor) i la construcia oscilatoarelor armonice (datorit rezistenei negative).

2.2.4. DIODA DETECTOARE Diodele detectoare se folosesc pentru demodularea semnalelor radio, video etc. Funcia

lor este asemntoare diodelor redresoare, dar semnalele prelucrate au frecvene mari (sute de kHz MHz GHz) i puteri nesemnificative.

2.2.5. DIODA DE COMUTATIE Diodele de comutaie sunt folosite n circuitele de impulsuri, principalii parametri fiind

timpii de comutaie din polarizare direct n polarizare invers i n sens contrar. Pentru mrirea vitezei de comutaie trebuie redus timpul de via al purttorilor mobili de sarcin, care se realizeaz tehnologic prin impurificarea structurii cu diverse materiale (ex. - la Si se folosete Au). Diodele de comutaie au timpii minimi de comutaie de circa 5 ns.

2.2.6. APLICAII ALE DIODELOR N MICROUNDE

n domeniul microundelor se utilizeaz o multitudine de diode ntr-o larg gam de aplicaii care se pot clasifica dup anumite criterii. n funcie de domeniul de aplicaie, diodele pot fi mprite n trei mari grupe:

conversie de frecvene control al semnalului generatoare de semnal

Din punct de vedere al principiului de funcionare, diodele pot fi clasificate n: diode varistor (cu neliniaritate rezistiv) diode varactor (cu neliniaritate reactiv) diode active (au partea real a impedanei negativ) 2.2.6.1. Dioda varicap (varactor) Diodele varicap servesc drept condensatoare cu capacitate variabil realizat pe cale

electric. Se utilizeaz n circuite acordate, oscilatoare, filtre etc. n astfel de circuite dioda varicap trebuie polarizat invers. Mrimea capacitii de barier este dependent de valoarea tensiunii inverse aplicate. Simbolul diodei varicap este cea din figura 2.15.a.

Fig. 2.15. Simbolurile grafice ale principalelor tipuri de diode: a. dioda varicap; b. dioda Schottky

a. b.

40

2.2.6.2. Dioda Schottky Denumit dup fizicianul Walter Schottky, dioda se caracterizeaz printr-o tensiune de polarizare direct de valori reduse i printr-o vitez mare de comutare (frecvene mari i timpi de comutaie mici). Dioda Schottky se utilizeaz n detectoarele de frecvene foarte nalte, n redresoarele de putere care lucreaz la frecvene ridicate, n circuitele integrate (TTL Schottky) pentru creterea vitezei de comutare. Simbolul diodei Schottky este prezentat n figura 2.15.b. Pentru dioda Schottky se utilizeaz contactul metal-semiconductor. Contactul metal-semiconductor este o structura care intr n componena majoritii dispozitivelor electronice. Contactul metal-semiconductor are dou forme:

Contact ohmic contactul care prezint rezisten foarte mic n ambele sensuri de polarizare. Este contactul metal-semiconductor de tip p;

Contact redresor contactul care are conducie unilateral i este contact de tipul metal-semiconductor de tip n.

Pentru dioda Schottky se utilizeaz contactul redresor.

Pentru metalizarea superioar se utilizeaz aluminiul, iar pentru metalizarea inferioar

aurul. Aluminiul mpreun cu semiconductorul de tip n realizeaz structura metal semiconductor cu caracter redresor. Contactul dintre aur i semiconductorul n+ (puternic impurificat) realizeaz contactul ohmic.

2.2.6.3. Dioda Gunn Din familia diodelor de microunde fac parte de asemenea diodele Gunn, IMPATT,

TRAPATT i BARRIT, prezentate pe scurt n continuare. Diodele Gunn se bazeaz pe fenomenul transferului de electroni care apare n anumite

semiconductoare (dintre care cel mai mare interes prezint galiul-arsen). Efectul Gunn se produce la anumite materiale semiconductoare (GaAs, InP etc.) atunci cnd, local, intensitatea cmpului electric depete o anumit valoare critic.

Teoria corpului solid arat c anumite materiale semiconductoare (cum ar fi galiul-arsen) au dou benzi de conducie i dou categorii de electroni liberi:

electroni uori (cu mobilitate mare); electroni grei (cu mobilitate mic) sunt mai energici (banda energetic respectiv

corespunde unor energii mai mari). Distribuia energetic a electronilor se modific cu intensitatea cmpului electric. La

intensiti mai mari ale cmpului, crete energia cinetic a electronilor i crete ponderea electronilor grei. Ca urmare, viteza medie de drift a electronilor liberi ncepe la un moment dat s scad cu cmpul electric. La intensiti mari ale cmpului, practic toi electronii sunt grei, iar pe de alt parte viteza lor tinde s se satureze.

Al A

K Au

SiO2

n

n+ Si

Fig. 2.16. Structura diodei Schottky.

41

Diodele Gunn se realizeaz n prezent sub form de structuri metale nn+ sau n+ nn+. Aceste dispozitive nu au jonciuni pn i la nceput au fost numite cu efect de volum.

Curentul este proporional cu viteza, iar cmpul electric (presupus uniform) este proporional cu tensiunea aplicat. Cnd intensitatea cmpului depete valoarea de vrf M (figurile 1.40 i 1.41), n semiconductor au loc ns fenomene calitativ noi. Remarcm mai nti c n structura n+ nn+, la limitele zonei n, apare o sarcin spaial datorit difuziei electronilor din zonele n+.

Astfel Dioda Gunn este un dispozitiv activ n domeniul microundelor, care funcioneaz ca un convertor a unei tensiuni continue ntr-o tensiune oscilant de nalt frecven, prin utilizarea caracteristicii de rezisten negativ de volum pe care o prezint o categorie de semiconductori compui de tipul GaAs i InP.

Dioda Gunn este una din cele mai importante surse de energie cu corp solid din domeniul microundelor, care se caracterizeaz prin nivel sczut de zgomot i un domeniu larg de frecven. Aceest tip de diod este uneori utilizat ca amplificator de microunde, dar n general este folosit n special ca oscilator de mic sau medie putere.

2.2.6.4. Dioda IMPATT Este dispozitivul care se bazeaz pe ionizarea prin oc i timp de tranzit. Ea genereaz puteri de civa wai n regim continuu de oscilaie, iar frecvenele de lucru pot ajunge la cteva sute de gigaheri.

Datorit necesitii de a fixa punctul static de funcionare al diodei n zona de avalan, polarizarea diodelor IMPATT se face cu o surs de curent constant.

Fig. 2.17. Caracteristica I-U a diodei Gunn.

I

U

Reg

iune

de

re

zist

en

neg

ativ

Prag

de

tens

iune

Fig. 2.16. Caracteristica vitez de drift-cmp electric a diodei Gunn.

v [cm/s]

[KV/cm]

M

2107

107

p+ n+ n i

Fig. 2.18. Structura diodei IMPATT. Fig. 2.19. Polarizarea static a diodei IMPATT.

i

u

Ip

Vn

42

Funcionarea dispozitivului este explicat pe o structur de tip p+nip+, unde i (de mare rezistivitate) este o zon intrinsec (concentraia efectiv de impuriti este neglijabil). Structura diodei este prezentat n figura 2.18. Se aplic o tensiune invers (cu plus pe n+) suficient de mare pentru a provoca strpungerea prin multiplicare n avalan la jonciunea p+n. Vom admite c dispozitivul este polarizat n avalan cu o surs de curent constant. Dac presupunem ca la bornele dispozitivului apare o tensiune sinusoidal de foarte nalt frecven care oscileaz n jurul tensiunii de strpungere Vn, atunci constatm generarea intern a unor pachete de purttori de sarcin care dau un curent n antifaz cu tensiunea menionat mai sus.

La dioda IMPATT efectul de rezisten dinamic negativ se obine datorit timpului de tranzit al purttorilor de sarcin, n urma ionizrii n avalan a materialului semiconductor. Efectul de rezisten dinamic negativ se manifest numai n regim dinamic i numai ntr-o anumit band de frecven, band determinat de particularitile constructive ale diodei.

Acest tip de diode au, n domeniul microundelor, un comportament similar cu acela al dispozitivelor cu rezisten negativ (de tip S).

n ceea ce privete structura diodelor IMPATT, ele pot fi realizate n multe variante, ncepnd cu structura clasic PN i pn la structuri mai puin obinuite cum ar fi: P+NIN+, P+IPNIN+. Printre materialele utilizate se enumer Si, GaAs.

Diodele IMPATT sunt folosite ca oscilatoare de mic sau medie putere, cu randament mediu (10%). Inconvenientul diodelor IMPATT este zgomotul lor, sensibil mai mare dect al diodelor Gunn.

2.2.6.5. Dioda BARITT Dioda BARITT (Barrier Injection Transit Time) are o structur P+NP+, semnnd cu

structura unui tranzistor a crui baz nu este accesibil din exterior. n funcionarea acestui dispozitiv timpul de tranzit al purttorilor de sarcin joac un rol important.

Oscilatoarele cu acest tip de diode au puteri mai mici, dar prezint avantajul unui zgomot mult mai redus dect oscilatoarele cu diode IMPATT. Diodele BARITT sunt potrivite pentru realizarea amplificatoarelor de microunde, precum i pentru realizarea oscilatoarelor cu automixare din sistemele de radiolocaie cu efect Doppler.

2.2.6.6. Dioda TRAPATT

Dioda TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggred Transit) poate funciona n regim de semnal mare n dou moduri:

modul IMPATT fundamental modul IMPATT de mare randament - denumit TRAPATT caracterizat prin

randament foarte ridicat (60%) i puteri mari de ieire. Structurile TRAPATT cele mai utilizate sunt P+NN+ sau N+PP+ cu jonciunea abrupt,

polarizate invers n care la procesele din regiunea activ particip ambele tipuri de purttori: electroni i goluri.

2.2.6.7. Dioda PIN Denumirea provine de la structura de tip PIN, regiunea intrinsec fiind ncadrat de dou

regiuni, p i n puternic dopate. Datorit prezenei regiunii intrinseci, frecvena limit de lucru - ca diod - a structurii PIN este joas. Domeniul frecvenelor de lucru la microunde este mult peste aceast frecven limit, prin urmare dioda PIN nu poate fi folosit ca redresor de microunde. La tensiune de polarizare nul, regiunea central este complet lipsit de purttori, iar n regiunile adiacente se formeaz sarcini spaiale egale dar de semn opus, la fel ca la jonciunea pn.

43

n dispozitivele reale, regiunea central nu poate fi intrinsec, ci numai slab dopat. Aici regiunea central va fi complet golit de purttori prin aplicarea unei tensiuni negative (minus pe regiunea p).

La aplicarea unei tensiuni de polarizare direct diodei pin, regiunea p+ injecteaz goluri n regiunea central, n timp ce regiunea n+ injecteaz electroni. Rezistena regiunii centrale se micoreaz foarte mult.

Dioda PIN are particularitatea c la polarizarea n sens direct este practic echivalent cu o

rezisten pur, invers proporional cu curentul continuu al diodei, iar la o polarizare n sens invers schema ei echivalent se reduce la o mic capacitate, practic independent de mrimea tensiunii de polarizare.

Dioda PIN este folosit mai ales n funcia de comutator foarte rapid i drept rezisten variabil, comandat prin polarizare. De asemenea, se utilizeaz n:

atenuatoare programabile; sisteme de control automat al nivelului generatoarelor de microunde (ALC-automatic

levelling control). 2.2.6.8. Dioda STEP-RECOVERY Dioda STEP-RECOVERY este o diod cu o structur pin optimizat n vederea

funcionrii ei ca generator de impulsuri scurte. Generarea impulsurilor este legat de fenomenele specifice ce apar n diod la comutarea

ei din starea de conducie n starea de blocare. Datorit prezenei regiunii de semiconductor intrinsec, sarcina spaial dispare dup un anumit timp astfel c dioda va conduce n sens invers un timp, pn se epuizeaz sarcina spaial, dup care curentul dispare brusc.

Dioda step-recovery este utilizat n special n: generatoare de armonici cu un foarte bogat coninut de armonici; n circuitele de multiplicare a frecvenei cu rapoarte de multiplicare de ordinul 4 10,

cu randament acceptabil.

2.2.7. DISPOZITIVE OPTOELECTRONICE Dispozitivele optoelectronice sunt dispozitive care produc sau utilizeaz lumina pentru

funcionare. n cadrul capitolului de diode, se prezint pe scurt led-ul i fotodioda.

2.2.7.1. LED Acest tip de dispozitive au fost realizate pentru a nlocui becurile (cu via de scurt

durat i relativ fragile) utilizate la panourile de comand pentru semnalizarea strilor nchis/deschis. Un LED (light-emitting diode) este o diod care n polarizare direct produce o lumin vizibil, de culoare roie, galben sau portocalie, dependent de tipul materialului din care este realizat dioda. Simbolul acestui tip de diod este prezentat n figura 2.21.

Fig. 2.20. Structura diodei PIN.

p+ n+i

44

Astfel de dispozitive se utilizeaz la fiaj, n combinaii de 7 segmente (pentru vizualizarea unui numr), figura 2.22.

Afiajul cu 7 segmente este disponibil n varianta catod comun, toate terminalele catod

sunt legate la acelai potenial. n cazul defectrii unui LED, pentru nlocuirea lui este necesar un acelai tip de LED. Prin combinarea a mai multor afiaje cu 7 segmente, se poate vizualiza o serie de numere, figura 2.23.

2.2.7.2. Fotodioda Spre deosebire de LED care produce lumin, fotodioda funcioneaz prin consum de

lumin. Fotodioda este de fapt un fotorezistor variabil. Dac jonciunea pn este supus aciunii unei surse de lumin extern, rezistena intern scade iar fluxul de curent crete. Acest tip de diod funcioneaz n polarizare invers.

n figura 2.24 este prezentat fotodioda i simbolul acesteia.

Fig. 2.21. a. Simbolul ledului; b. Forma fizic a LED-ului.

a. b.

Fig. 2.22. Afiaj cu 7 segmnete. Fig. 2.23. Display cu pachet de afiaje cu 7 segmente.

45

Schimbnd intensitatea luminii sursei se obine variaia fluxului de curent, proporional cu intensitatea luminoas. Pentru c fotodioda rspunde rapid la variaia luminii, este des utilizat n aplicaiile digitale sau la echipamentele de scanare optice. 2.2.7.3. Optocuplor Acest tip de dispozitiv (optocuplor cu fotodiod i LED) se utilizeaz la frecvene mici (din gama megahertzilor). n figura 2.25 este prezentat schematic un optocuplor cu diode. Optocuploarele nlocuiesc transformatoarele utilizate n aplicaiile de joas tensiune i curent mic. De asemenea, se pot utiliza n circuitele de reglare a tensiunii i curentului cu nivele logice de joas tensiune. Optocuploarele se pot realiza i n variante constructive cu fototranzistoare cu diode, sau fototranzistoare cu tiristoare, variante care vor fi prezentate n capitolele urmtoare.

Fig. 2.24. a. Semnul convenional al fotodiodei; b. Fotodioda.

a. b.

fotodiod

LED

+ +

_ _

Fig. 2.25. Structura optocuplorului cu fotodiod i LED

46

3. TRANZISTOARE BIPOLARE Din cele studiate anterior concluzionm: polarizarea direct a jonciunii pn nseamn echivalarea acesteia cu o rezisten de valoare mic (pentru o tensiune dat, circuitul este parcurs de un curent mare), n timp ce polarizarea invers a jonciunii determin echivalarea acesteia cu o rezisten de valoare mare. Folosind legea lui Ohm pentru calculul puterii (P = I2R) i presupunnd c avem curent constant, se poate concluziona c puterea dezvoltat de-a lungul unei rezistene mari este mai mare dect cea dezvoltat pe o rezisten mic. Astfel, n cazul unui cristal cu dou jonciuni pn (una n polarizare direct i una n polarizare invers), injectarea unui semnal de mic putere n jonciunea polarizat direct va conduce la un semnal de putere mare la ieirea din jonciunea polarizat invers. Acest concept este teoria de baz despre amplificarea cu ajutorul unui tranzistor. Un tranzistor bipolar este un monocristal cu dou jonciuni cuplate n opoziie. Aceast dispunere nu este echivalent cu dou jonciuni independente, montate n acelai circuit, motiv pentru care este valabil definiia:

Tranzistoarele bipolare (TB) sunt dispozitive semiconductoare alctuite dintr-o succesiune de trei regiuni realizate prin impurificarea aceluiai cristal semiconductor, regiunea central fiind mult mai ngust i de tip diferit fa de regiunile laterale.

De altfel, regiunea central este mai slab dopat cu impuriti dect celelalte regiuni i se numete baz (B). Celelalte dou regiuni, una puternic dopat cu impuriti, denumit emitor (E), iar cealalta, mai srac n impuriti dect emitorul, este colectorul (C). Direcia sgeii indic sensul curentului n emitor cnd tranzistorul conduce normal.

In figura 3.1 sunt reprezentate cele dou tipuri de TB i simbolurile acestora.

Emitorul este sursa de purttori, care determin n general curentul prin tranzistor, iar

colectorul colecteaz purttorii ajuni aici. Baza are rolul de a controla intensitatea curentului prin tranzistor n funcie de tensiunea dintre aceasta i emitor. Tranzistorul bipolar transfer curentul din circuitul de intrare de rezisten mic n circuitul de ieire de rezisten mare, de unde i denumirea de tranzistor (TRANSISTOR = TRANsfer reSISTOR).

Cele dou jonciuni ale tranzistorului sunt:

a) jonciunea de emitor sau: - emitor-baz (EB) pentru transistorul bipolar pnp; - baz-emitor (BE) pentru tranzistorul bipolar npn.

b) jonciunea de colector sau: - colector-baz (CB) pentru tranzistorul bipolar pnp; - baz-colector (BC) pentru tranzistorului bipolar npn.

Pentru tranzistorul bipolar se pot defini cureni i tensiuni ca n figura 3.2:

B

C E E C

B

Fig. 3.1. Structura i simbolul TB de tip: a) pnp; b) npn

a. b.

47

3.1. FUNCIONAREA TRANZISTORULUI npn La tranzistorul npn exist dou regiuni de tip n extreme, care conin electroni liberi, n

timp ce regiunea de tip p central, are un exces de goluri. Conform teoriei de la jonciunea pn ntre regiunile de tip n i p, se dezvolt o zon de sarcin spaial i apare o barier de potenial.

Un tranzistor este utilizat de cele mai multe ori n etajele de amplificare. Pentru a folosi un tranzistor ca amplificator, fiecare din jonciunile sale trebuie controlat (comandat) cu o tensiune extern. Astfel, prima jonciune (emitor-baz) este polarizat direct, n timp ce jonciunea baz-colector este polarizat invers (rezisten mare). Emitorul este conectat la terminalul negativ al bateriei n timp ce baza este conectat la borna pozitiv. Tensiunea pe colector trebuie s fie mai mare dect n baz. Toate acestea sunt prezentate n figura 3.3.

n concluzie, baza tranzistorului npn trebuie s respecte sensul de polarizare a emitorului, n timp ce colectorul trebuie s se afle la un potenial mai mare dect cel din baz.

Fig. 3.2. Curenii i tensiunile la tranzistorul bipolar: a) tip pnp; b) tip npn.

a. b.

n

n

p

Pola

rizar

e di

rect

emitor

Pola

rizar

e in

vers

colector

Fig. 3.3. Polarizarea tranzistorului bipolar de tip npn.

Fig. 3.4. Polarizarea direct a jonciunii emitorului. ( flux de electroni, ......

flux de goluri)

n

n

p

emitor

Jonciune

Fig. 3.5. Polarizarea invers a jonciunii colectorului.

emitor

p

n

n colector

Curent minoritar

Jonciune

48

3.1.1. Polarizarea direct a jonciunii emitorului la tranzistorul npn

Pentru c regiunea n pe una din prile jonciunii este mai puternic dopat dect pentru regiunea p, curentul produs de purttorii majoritari (electroni) n regiunea n este mai mare dect cel produs de golurile din regiunea p. Astfel, conducia prin jonciunea polarizat direct, ca n figura 3.4, este asigurat n principal de purttorii majoritari, electronii, de la materialul n (emitor). Cu polarizarea jonciunii baz-emitor din figura 3.4, electronii prsesc terminalul negativ al bateriei i ajung la materialul n (emitorul). Electronii, fiind purttorii majoritari n materialul n, trec uor prin emitor, traverseaz jonciunea i se combin cu golurile din baz (material p). Pentru fiecare electron care se combin n regiunea p, alt electron va prsi materialul p, crend un nou gol care se va deplasa ctre terminalul pozitiv al sursei.

3.1.2. Polarizarea invers a jonciunii colectorului la tranzistorul npn

A doua jonciune pn (baz-colector), polarizat invers conform figurii 3.5, se caracterizeaz printr-un curent care traverseaz jonciunea de valoare mic. Acest curent se numete curent minoritar, sau curent invers i este produs de perechile electron-gol. Purttorii minoritari pentru jonciunea polarizat invers sunt electronii n materialul p i golurile n materialul n. Observaie

A doua jonciune pn (baz-colector) nu este polarizat direct cum este prima jonciune pn (baz-emitor). Dac ambele jonciuni ar fi polarizate direct, electronii ar avea tendina s treac din fiecare regiune n a tranzistorului npn (emitor i colector) spre centru, regiune p (baz). n esen am putea avea 2 diode cu aceeai baz, astfel eliminndu-se orice amplificare i scopul tranzistorului. Dac se greete polarizarea celei de a doua jonciuni (se polarizeaz direct), se poate dezvolta un curent excesiv, suficient pentru nclzirea i distrugerea jonciunii, fcnd tranzistorul neutilizabil.

Concluzie Trebuie asigurat polarizarea corect nainte de conectarea electric a tranzistorului.

n figura 3.6 se prezint fenomenele ce apar ca urmare a alimentrii celor 2 jonciuni ale tranzistorului n acelai timp. n figur sunt reprezentate sensurile convenionale ale curenilor IC, IE, IB dei sensurile reale sunt n sensurile opuse acestora. Sursele de polarizare sunt notate VCC pentru tensiunea de alimentare a colectorului, VBB pentru tensiunea de alimentare a bazei.

Polarizare direct

IB

Ic Vcc

VBBIE

Polarizare invers

n

p

n

Fig. 3.6. Funcionarea tranzistorului npn. flux de electroni; ..........flux de goluri.

49

Exemplu: Tensiunea de alimentare a bazei este relativ mic, pn la 1V. Tensiunea de alimentare a colectorului este n general mai mare dect cea de alimentare a bazei, n general 6V. Aceast diferen de tensiune este necesar pentru a avea un flux de curent de electroni de la emitor la colector.

Fluxul de curent n circuitul extern este datorat micrii electronilor liberi, ceea ce nseamn c electronii trec dinspre terminalul negativ al sursei spre emitorul de tip n. Aceast micare combinat a electronilor este denumit curent de emitor IE.

n timp ce electronii sunt purttori majoritari n materialul n, ei se vor deplasa direct de la emitorul de tip n la jonciunea baz-emitor. Prin polarizare direct a acestei jonciuni, electronii continu s se adune n regiunea bazei. Odat ajuni n baz, aceasta fiind de tip p, electronii devin purttori minoritari. O parte din electronii ajuni n baz se recombin cu golurile. Pentru fiecare electron recombinat, un alt electron traverseaz baza (ca i curent de baz IB, crendu-se un nou gol pentru o eventual recombinare) i se rentoarce la sursa de alimentare VBB.

Pentru curentul de baz electronii recombinai sunt neimportani, ei se consider a fi pierdui. Pentru eficientizarea tranzistorului, regiunea bazei este foarte subire i slab dopat. Astfel se reduce posibilitatea ca un electron s se recombine cu un gol i s se piard. Cei mai muli electroni care se mic n regiunea bazei sunt sub influena unui colector polarizat puternic, invers. Acest mod de polarizare, ca i polarizarea direct a bazei (pentru purttorii minoritari, electroni), accelereaz electronii prin jonciunea baz-colector i i trimite spre colector. Ct timp colectorul este realizat din material de tip n, electronii care mbogesc colectorul devin purttori de curent majoritari dnd natere unui curent de colector IC.

Colectorul este realizat fizic mai mare dect baza din dou motive: 1) pentru mrirea ans