22261 - Електроника

александра ристић

електроника

електроника 1

За

во д

за

уџ

бе

ни

ке

за II разред електротехничке школе

завод за уџбенике • београд

рецензенти: Проф. др ласло нађ, Факултет техничких наука у новом саду Проф. драгана Павлица, техничка школа ,,нови сад“ у београду дипл. инж. горан бајић, Минелво мди д.о.о., београд уредник гордана дугошија одговорни уредник татјана костић

ке

главни уредник драгољуб којчић

уџ

бе

ни

за издавача драгољуб којчић, директор

во д

за

Министар просвете, науке и технолошког развоја, решењем број 650-02-1047/2016-06 од 21.02.2017. године, одобрио је овај уџбеник за издавање и употребу у другом разреду средње школе.

За

CIP – каталогизација у публикацији – народна библиотека србије, београд 37.016:621.37/.38(075.3)

ристић, александра, 1975електроника 1 : за други разред електротехничке школе / александра ристић. – 1. изд. – београд : завод за уџбенике, 2017 (београд : Планета принт). – 229 стр. : илустр. ; 27 cm тираж 2.000. - библиографија: стр. 229.

ISBN 978-86-17-19643-9 COBISS.SR-ID 233057804

ISBN 978-86-17-19643-9

завод за уџбенике, београд ово дело се не сме умножавати, фотокопирати и на било који други начин репродуковати, ни у целини ни у деловима, без писменог одобрења издавача.

САДРЖАЈ

ПРЕДГОВОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. УВОД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. ОСНОВИ ФИЗИКЕ ПОЛУПРОВОДНИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 12 13 15 16 16 17 17 18 19

3.1. образовање PN споја. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2. директна поларизација PN споја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3. инверзна поларизација PN споја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.1. Пробој PN споја. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4. Полупроводничка диода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1. Диода у електричном колу. Радна права и радна тачка диоде . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.2. Еквивалентне шеме (електрични модели) полупроводничке диоде . . . . . . . . . . . . .

3.4.2.1. Идеална диода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.2.2. Диода с константним падом напона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.3. Усмерачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.3.2. Двострани (пуноталасни) усмерач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.3.3. Грецов (мосни) усмерач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.4. Врсте диода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23 25 26 29 31 32 35 35 36 38 42 45 48

4.1. Принцип рада биполарних транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2. основне компоненте струја у транзистору. коефицијенти струјног појачања . . . . . . . .

4.3. начини везивања транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4. режим засићења и режим закочења биполарних транзистора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5. еквивалентне шеме (електрични модели) биполарних транзистора у једносмерном (DC) режиму рада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58 62 65 66

уџ

бе

ни

ке

2.1. електричне особине материјала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2. електронска структура материјала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3. основне карактеристике полупроводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1. Kристална структура и ковалентне везе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2. Електрони и шупљине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.3. Провођење струје у полупроводнику . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4. Полупроводници с примесама . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.1. Полупроводник N типа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.2. Полупроводник P типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

За

во д

за

3. ДИОДЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4. БИПОЛАРНИ ТРАНЗИСТОРИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3

67

ни

ке

4.5.1. Еквивалентна шема биполарног транзистора у активном режиму рада . . . . . . .

4.5.2. Еквивалентна шема биполарног транзистора у режиму засићења . . . . . . . . . . . . .

4.6. Поларизација биполарних транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.6.1. Поларизација биполарних транзистора коришћењем 2 извора поларизације . . .

4.6.2. Поларизација биполарних транзистора коришћењем једног извора поларизације . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7. карактеристике биполарних транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7.1. Улазне карактеристике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7.2. Излазне карактеристикe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7.3. Преносне карактеристике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.8. радна права и радна тачка биполарних транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.9. узроци нестабилности и стабилизација радне тачке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.10. ограничења у раду транзистора – хипербола снаге . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.11. Хлађење полупроводничких компоненти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.11.1. Прорачун расхладног кола . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.12. означавање полупроводника. ознаке диода и транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68 68 69 69

73 76 77 78 80 81 83 85 87 88 90

бе

5. ПОЈАЧАВАЧИ С БИПОЛАРНИМ ТРАНЗИСТОРИМА . . . . . . . . . . . . . . . . 96

во д

за

уџ

5.1. основне особине појачавача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2. изобличења сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.3. Појачавач са заједничким емитoром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 5.4. еквивалентна шема појачавача са заједничким емитoром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 5.4.1. Хибридни h-параметри . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 5 .4 .2 . π-параметри и еквивалентна шема појачавача са заједничким емитoром . . . . .115 5.5. одређивање израза за појачања и отпорности појачавача са заједничким емитором коришћењем h и π-параметара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 5.6. Фреквенцијска карактеристика појачавача са заједничким емитором . . . . . . . . . . .122

За

6. ТРАНЗИСТОРИ С ЕФЕКТОМ ПОЉА (FET-ОВИ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6.1. спојни транзистори с ефектом поља – јFET-ови . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 6.1.1. Физички изглед и принцип рада ЈFET-ова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 6.1.2. Статичке карактеристике ЈFET-ова. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 6.1.3. Параметри ЈFET-ова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.2. Tранзистори с ефектом поља с изолованим гејтом – МOSFET-ови . . . . . . . . . 140 6.2.1. Изглед и принцип рада МOSFET-а с индукованим каналом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.2.2. Статичке карактеристике МOSFET-а с индукованим каналом . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 6.2.3. Изглед и принцип рада МOSFET-а с уграђеним каналом. Излазне и преносне карактеристике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7. ПОЈАЧАВАЧИ С ТРАНЗИСТОРИМА С ЕФЕКТОМ ПОЉА (FET-ОВИМА) 150

7.1. Поларизација FET-а (конфигурација са заједничким сорсом) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 7.1.1. Поларизација N-каналног JFET-а са заједничким сорсом. Радна права и радна тачка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4

ЕЛЕКТРОНИКА 1

7.1.2. Поларизација N-каналног MOSFET-а са заједничким сорсом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157 7.2. еквивалентна шема FET-ова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.3. Пројектовање основног појачавача са FET-ом у споју са заједничким сорсом. . . . . . . . .160 7.3.1. Одређивање израза за појачања и отпорности појачавача са заједничким сорсом . . 160

8. СЛОЖЕНИ ПОЈАЧАВАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

ке

8.1. каскадно повезани вишестепени појачавачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165 8.2. Повратна спрега . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.2.1. Негативна повратна спрега. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 8.3. дарлингтонов спој. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 8.4. класе рада појачавача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 8.5. Појачавач с комплементарним паром транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177

ни

9. ОСЦИЛАТОРИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

уџ

бе

9.1. Позитивна повратна спрега. баркхаузенов услов осциловања. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 9.2. RC осцилатори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 9.2.1. Осцилатор с Виновим мостом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 9.3. LC осцилатори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 9.3.1. Колпицов осцилатор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

за

10. ТРАНЗИСТОР КАО ПРЕКИДАЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

во д

10.1. биполарни транзистор као прекидач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196 10.2. FET као прекидач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

11. ТИРИСТОРИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

За

11.1. триодни тиристор (SCR ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 11.2. двосмерни тиристори – тријак и дијак . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210

12. ОПТОЕЛЕКТРОНИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

12.1. Фотодетектори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 12.2. светлосни извори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

РЕШЕЊА ТЕСТОВА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

5

во д

За за ке

ни

бе

уџ

ПРЕДГОВОР

За

во д

за

уџ

бе

ни

ке

уџбеник електроника 1 писан је према наставном плану и програму објављеном у „службеном гласнику републике србије” (бр. 3 од 17. априла 2013), као и према Стандардима квалитета уџбеника усклађеним са Законом о уџбеницима и другим наставним средствима и Законом о основама система образовања и васпитања. иако је писан по плану и програму за образовни профил електротехничар електронике, намењен је свим ученицима средњих електротехничких школа који изучавају електронику, и то било да су трећег или четвртог степена стручне спреме. уџбеник је подељен на дванаест тематских целина и, поред градива предвиђеног планом и програмом, садржи и додатне лекције за напредне ученике и оне који желе да науче више, и то било на додатној настави, било на секцији или самостално код куће. такође садржи и неки вид подсетника на градиво из претходних година, пре свега из основа електротехнике, а које би требало да се мало више ослони на електронику, али и обрнуто. у уџбенику има више задатака, пројеката и тестова него раније, што би требало да олакша и наставницима и ученицима приступ електроници и природним наукама које су с њом повезане. аутор је покушао да на мало другачији начин приступи озбиљности материје као што је електроника, да је прикаже у облику који је јаснији ученицима који су на прелазу између основног знања наученог у основној школи и инжењерског начина размишљања које им предстоји на факултетима. такође је покушао да их приволи да заволе електронику, да размишљају „електронски” и да, оно што им може бити љубав за цео живот, крену да изучавају управо из овог уџбеника. на крају овог почетка аутор би искористио прилику да захвали својим родитељима и сестри, богоротки, Момчилу и јелени, који су увек били она стабилна тачка ослонца и вечити референтни потенцијал у животу, свом стрпљивом супругу душану и генераторима једносмерне и непроменљиве снаге и љубави иви, елени, Милици и нини, својим средњошколским и факултетским професорима због увођења у ову огромну, тешку и зачуђујућу област која никог не оставља равнодушним, коју или обожавате или је се страшно плашите. будите храбри, „загризите” већ сада и отвориће вам се чудесна врата технике која су од нашег света направила оно што данас имамо.

7

во д

За за ке

ни

бе

уџ

1. УВОД

во д

за

уџ

бе

ни

ке

Електроника је наука која проучава законитости и ефекте контролисаног протицања носилаца електрицитета (не искључиво електрона) кроз проводнике, полупроводнике, гасове и вакуум. Електронски уређаји и системи састоје се од електричних компоненти које сте већ проучили (као што су отпорници, кондензатори, калемови...) и од електронских, полупроводничких компоненти које ћемо тек проучити (диоде, транзистори, тиристори...). основу за развој елeктронике свет је добио открићем усмерачких својстава појединих материјала (тзв. диодног ефекта) 1874. године. у првом периоду развоја електронике основни елементи у електронским колима биле су вакуумске или гасне електронске цеви (диоде, триоде, тетроде, пентоде...).

слика 1.1 – Године 1904. Флеминг је направио вакуумску диоду.

За

унутар цеви од стакла je вакуум да би се спречила оксидација катоде. кроз једну електроду (катоду) пропушта се струја, која се због тога загрева а електрони добијају довољну енергију да напусте електроду и нађу се у вакууму (термоелектронска емисија). друга електрода (анода) је позитивно наелектрисана и она привлачи емитоване електроне, чиме се остварује струјни ток унутар вакуумске цеви. на први поглед то изгледа бесмислено јер је проток електрона могуће добити и обичном проводном жицом. Међутим, ствар је у следећем: електрони могу да иду само у једном смеру, од катоде ка аноди, јер је анода хладна и нема емисије електрона с ње. то је као да имамо једну врсту вентила за електроне, који пропушта струју само у једном смеру. видећемо касније какве све улоге таква компонента може да има у електроници и електронским колима. коришћењем електронских цеви 1947. године направљен је први електронски рачунар ENIAC. основни, машински циклус му је био Т=200μs (значи да му је радна учестаност била 3 f = 1 T = 1 200⋅10−6 = 5 ⋅ 10 Hz = 5kHz ). ENIAC је био направљен од 17.468 вакуумских цеви, 7.200 кристалних диода, 1.500 релеја, 70.000 отпорника, 10.000 кондензатора и око 5.000000 ручно рађених спојева. био је тежак око 27 t и заузимао је 167 m2. трошио је 150 kW снаге. данашњи рачунари имају радни такт реда неколико GHz и масу мању од векне хлеба (чак <1 kg), као, нпр., на слици 1.3.

9

1. Увод

слика 1.3. – савремени рачунари

ке

слика 1.2. – ENIAC

бе

ни

Занимљиво! на следећем линку https://www.youtube.com/watch?v=cooQ25mk_nU можете погледати стари, црно-бели филм о принципу рада вакуумских цеви и њиховој примени у првим рачунарима. слика вреди хиљаду речи...

За

во д

за

уџ

данас, захваљујући развоју технологије, такве компоненте су скоро потпуно уступиле место полупроводничким компонентама и уређајима. ипак, још увек су у примени у области великих снага, при високим учестаностима (радио дифузија, радари, вФ загревање...). најзначајнији тренутак у развоју полупроводничке електронике био је откриће два типа полупроводничких транзистора у беловим телефонским лабораторијама 1948. године, а за које су научници братин, бардин и шокли 1956. године добили нобелову награду за физику.

слика 1.4. – Први полупроводнички транзистор

10

ЕЛЕКТРОНИКА 1

За

во д

за

уџ

бе

ни

ке

у првом поглављу детаљно ћемо проучити карактеристике полупроводника да бисмо касније боље разумели како полупроводничке компоненте раде. најједноставнија подела електротехничких материјала је подела према величини струје која кроз њих протекне кад се на њих прикључи напон. на овај начин електротехничке материјале делимо у три групе: изолаторе, проводнике и полупроводнике. изолатори (непроводници) су материјали који имају велику отпорност, па је струја која кроз њих протиче мала. Проводници имају веома малу отпорност, па је струја која кроз њих протиче већа него у изолаторима. Полупроводницима само име каже да су материјали чије особине леже између једних и других. они нису ни добри изолатори а ни добри проводници. Поставља се тада питање шта то они имају што их чини тако корисним у електроници? детаљан одговор потражићемо у наставку уџбеника, али он за почетак може да гласи да су полупроводници материјали који могу веома лако да се контролишу тако да промене своју отпорност. Њима је могуће смањити отпорност, чиме постају добри проводници, или је, пак, повећати, чиме постају добри изолатори. Полупроводнички материјали (на пример, силицијум и германијум) користе се за прављење полупроводничких компоненти као што су диоде, транзистори или интегрисана кола. од 2. светског рата до данас ниједна област науке није више допринела развоју модерног света од електронике. коришћење електронских уређаја и система у различитим сферама људског живота допринело је решавању сложених научних и техничких проблема који су узроковали невероватно унапређење у областима комуникација, телевизије, компјутера, аутоматизације и роботике. још је важније то што је електроника у сталном и све интензивнијем развоју, што узрокује појаву нових области и праваца у већ постојећим научним дисциплинама. у овом уџбенику упознаћемо се тек с основама електронике. Можда ћете се у неком тренутку запитати зашто су битне, нпр., карактеристике једног транзистора кад у микропроцесору постоје милијарде њих. да некада давно нисте научили слова, да ли бисте могли да прочитате ову књигу? да нисте научили бројеве, да ли бисте могли да решите тригонометријску или логаритамску једначину? свака наука базира се на основним законима које ћете ове године научити, што ће бити као да сте научили да читате и пишете електронским језиком. ово основно знање омогућиће вам да разумете основне концепте које ћете у наредним предметима (електроника 2, дигитална електроника...) унапредити и развити. да ли сте сада спремни да почнете да учите и „ускочите” у овај брзи, електронски воз? срећно...

11

2. ОСНОВИ ФИЗИКЕ ПОЛУПРОВОДНИКА

Да се подсетимо! Премa својој проводности, електротехнички мaтеријaли се деле нa три групе: проводнике, полупроводнике и изолaторе.

за

уџ

бе

ни

ке

Полупроводнички мaтеријaли предстaвљaју основу сaвремене електронике тaко дa ћемо у нaредним излaгaњимa укрaтко рaзмотрити њихове нaјвaжније особине, а што ће нaм помоћи дa рaзумемо рaд основних полупроводничких компоненaтa: диоде, биполaрног трaнзисторa и FET трaнзисторa. Полупроводнички материјали могу да буду чисти, појединачни елементи или могу да буду полупроводничка једињења. у прву групу тзв. елементaрних полупроводника спада 12 елеменaтa: бор (B), угљеник (C), силицијум (Si), фосфор (P), сумпор (S), гермaнијум (Gе), aрсен (As), селен (Se), кaлaј (Sn), aнтимон (Sb), телур (те) и јод (ј). дaнaс се од елементaрних полупроводникa скоро искључиво користи силицијум, док се aрсен, фосфор и бор употребљaвaју зa допирaње силицијумa, о чему ћемо причати мало касније. тaкође, некa једињењa, посебно она формирaнa између чистих полупроводника (који припадају IV групи периодног система) и елеменaтa III и V групе периодног системa, имaју особине полупроводникa. нaјпознaтије једињење међу њимa је гaлијум-aрсенид (GaAs), aли су познaтa и другa полупроводничкa једињењa: InP, InSb, GaP, AlP, AlAs, GaSb итд.

во д

2.1. Електричне особине материјала

Да се подсетимо! електрична отпорност уређаја или компоненте се дефинише коришћењем омовог закона

. отпорност се не може користити као величина која би карактерисала

За

одређени материјал и на основу које бисмо могли да класификујемо одређене материјале. l

електрична отпорност се рачуна и коришћењем израза R = ρ . из њега смо закључили да, за S

одређени материјал, отпорност зависи и од физичких димензија материјала (дужине l и површине попречног пресека S), као и од врсте материјала, карактерисане специфичном електричном отпорношћу ρ . ако, нпр., повећамо дужину компоненте, сразмерно ће се повећати и њена отпорност. ако повећамо површину, њена отпорност сразмерно ће се смањити. из тог разлога је немогуће искористити отпорност као особину материјала која ће нам показати да ли неки материјал јесте или није добар проводник.

величина која се користи да би се описале одређене врсте материјала у смислу доброг или лошег провођења електричне струје зове се специфична електрична отпорност и обележава се грчким словом ρ (ро). специфична електрична отпорност изражава се у ом-метрима (Ωm). реципрочна вредност специфичне електричне отпорности је специфична проводност. логично, што је отпорност већа, проводност је мања и обрнуто. Поређењем специфичних електричних отпорности материјала долазимо до поделе материјала на проводнике, полупроводнике и изолаторе: 12

ЕЛЕКТРОНИКА 1

• проводници (ρp<10-5 Ωm), • полупроводници (10-5 Ωm < ρpp< 103 Ωm), • изолатори (ρi >103 Ωm ). сада смо схватили како се деле електротехнички материјали. да бисмо могли боље да разумемо специфичност полупроводника, ићи ћемо још „дубље” и подсетићемо се како изгледа структура атома а самим тим и „електронска” структура материјала.

2.2. Електронска структура материјала

За

во д

за

уџ

бе

ни

ке

Проводност мaтеријaлa директно је повезaнa с електронском структуром мaтеријaлa. сва материја састоји се од атома. атоми су електрично неутралне честице које се састоје од протона, неутрона и електрона. Протони су позитивно а електрони негативно наелектрисане честице, док су неутрони неутралне честице. атоми су електрично неутрални зато што је број протона једнак броју електрона. у центру атома налази слика 2.2.1. – Структура атома се језгро које је непокретно и које се састоји од протона и неутрона. атоми истог елемента могу имати различит број неутрона – изотопи. број протона представља атомски број сваког физичког елемента. електрони круже око језгра у електронским орбитама (љускама) које подсећају на орбите планета које се крећу око сунца. у свакој орбити може да буде само одређен број електрона (у к 2 електрона, у L 8...). један атом може имати највише 7 орбита око језгра (K, L, M, N, O, P и Q). електрони морају да се налазе у једној од орбита и не могу да постоје у простору између њих. свака орбита има свој енергетски ниво и електрони, који се налазе у њој, имају ту, тачно одређену, енергију. енергија се изражава у еV (електрон-волтима). енергетски нивои орбита расту што се више удаљавамо од језгра. орбите нижих енергетских нивоа морају прве да буду попуњене. Последња орбита која није попуњена зове се валентна зона а електрони, који се налазе у њој, зову се валентни електрони. ти електрони формирају валентне парове, тј. валентне везе између атома једног материјала. они су и даље везани за језгро, па зато не могу да учествују у провођењу електричне струје. на слици 2.2.2 на примеру атома бакра можемо да видимо да он има атомски број 29, да су му прве 3 орбите попуњене а да у четвртој орбити има 1 валентни електрон.

слика. 2.2.2. – Структура атома бакра

13

2. Основи физике полупроводника

електрон може да пређе с једног енергетског нивоа на други само ако прими довољну енергију која је једнака разлици енергија његовог и енергетског нивоа на који прелази или је већа од ње. објаснићемо то примером приказаним на слици 2.2.3. да би електрон, нпр., прешао с нивоа L (с енергијом е2) на ниво М (с енергијом е3), мора да прими енергију која је једнака: e3 - e2 = 1 eV - 0, 6 eV = 0, 4 eV (1 eV = 1, 602 ⋅ 10-19 J ).

За

во д

за

уџ

бе

ни

ке

електрон може да добије додатну енергију загревањем материјала, осветљавањем, довођењем електричне енергије... слика 2.2.3. – Енергетски нивои атома валентни ниво, као што смо раније споменули, чине електрони који се налазе у последњој орбити. ти електрони нису „слободни”, већ су везани за језгро атома. да би електрон постао слободан и да би се „развезао” од језгра, потребно је да добије одређену количину енергије и да пређе на проводни ниво. ако валентни електрон добије довољно енергије, он може да пређе из валентног у проводни опсег енергија. Проводни опсег је енергетски ниво у ком електрони више нису везани за сопствена језгра и могу слободно да се крећу кроз материјал. за те електроне се каже да су у побуђеном стању. та количина енергије, која је једнака разлици енергија проводног и валентног нивоа, назива се енергетски процеп Eg (индекс g потиче од енг. Energy gap што у преводу значи енергетски процеп). дакле, то је минимална енергија коју треба довести валентном електрону да би прешао на проводни ниво и постао слободан. Величина енергетског процепа одређује проводне особине материјала. Посматрањем валентне и проводне зоне енергија (сл. 2.2.4) можемо да уочимо разлике између проводника, полупроводника и изолатора.

слика 2.2.4. – Дијаграм енергетских зона у проводницима, изолаторима и полупроводницима

валентна и проводна зона проводника преклопљене су и електрони се веома лако усмеравају помоћу спољашњег електричног поља. енергетски процеп изолатора веома је широк тако да електрони треба да добију веома велику енергију да би постали слободни. то може да се деси једино ако им се доведе изузетно велика енергија тако да настане пробој изолатора.

14

ЕЛЕКТРОНИКА 1

Полупроводници су на ниским температурама сличнији изолаторима него проводницима. Међутим, величина енергетског процепа се мења с променом температуре. с повећањем температуре кинетичка енергија електрона расте и врло брзо постаје већа од енергетског процепа, па електрони прелазе у проводну зону. када електрон напусти валентну зону и постане слободан, атом није више електрично неутралан, већ постаје позитиван јон (има 1 протон више од електрона). данас најчешће коришћени полупроводник, силицијум, на собној температури има енергетски процеп од 1,11 eV. ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? – ПитаЊа за ПонављаЊе градива

уџ

2.3. Основне карактеристике полупроводника

бе

ни

ке

1. шта је то енергетски процеп?

2. валентна и проводна зона _________ (изолатора, полупроводника) су преклопљене и електрони се _________ (лако, тешко) усмеравају помоћу спољашњег електричног поља.

3. Полупроводници су на ниским температурама сличнији _________ (изолаторима, проводницима) него _________ (изолаторима, проводницима).

4. колику енергију треба да добије електрон (сл. 2.2.3) с М нивоа да би прешао у проводни опсег и постао слободан?

За

во д

за

на наредној слици приказани су атоми Si (силицијум), Ge (германијум) и C (угљеник).

слика 2.3.1. – Атоми полупроводника с по 4 валентна електрона

да ли бисте могли да одговорите на питање: Шта ти атоми имају заједничко? Одговор је да сви имају по 4 валентна електрона! валентна орбита атома може имати до 8 валентних електрона и од њиховог броја такође зависи проводност материјала. добри проводници, на пример, имају само 1 валентан електрон, док добри изолатори имају попуњену валентну орбиту (тј. у њој имају свих 8 електрона). Полупроводници се налазе негде у средини и имају 4 валентна електрона (каже се да су четворовалентни елементи). силицијум је данас најчешће коришћени полупроводник, па ћемо даље структуру полупроводника објаснити на његовом моделу.

15

2. Основи физике полупроводника

2.3.1. Kристална структура и ковалентне везе до сада смо посматрали појединачне атоме полупроводника. када спојимо 2 атома полупроводника (у овом случају силицијума) или више њих, они формирају правилну структуру која се назива кри­ стална структура или кристална решетка.

во д

за

уџ

бе

ни

ке

то се догађа зато што сваки атом формира везе између своја 4 валентна електрона и 4 валентна електрона суседних атома (сваки слика 2.3.1.1. – Део кристалне атом дели 1 свој валентни електрон са једним валентним електрорешетке силицијума ном суседног атома). то би значило да је 1 атом силицијума повезан (приказан у простору) са 4 суседна атома, при чему са сваким од њих дели по 1 валентан електрон. два полупроводничка атома повезују се ковалентним везама. у овим везама 2 атома „деле” 2 електрона (другачије ћемо ове повезане електроне звати електронски пар). на следећој слици је ради лакшег разумевања структура молекула силицијума приказана у дводимензионалном простору. Повезивањем великог броја атома добијамо чврсту, кристалну структуру. сви атоми у њој су електрично неутрални и стабилни зато што су им валентни нивои попуњени (сваки садржи по 8 електрона, 4 своја и 4 дељена). ово је и разлог што су тзв. чисти полупроводници добри изолатори а лоши проводници. они као такви (чисти, без додатних елемената) не могу да служе за израду електронских слика 2.3.1.2. – Дводимензионалан приказ компонената, већ морају, на неки начин, да буду докристалне решеткe силицијума на 0 К e датно побољшани.

2.3.2. Електрони и шупљине

За

у досадашњој причи о полупроводницима још нисмо дошли до тога шта њих чини тако интересантним и посебним. чак смо у једном тренутку закључили да су на 0 к одлични изолатори. Међутим, већ на собној температури одређен број електрона добије довољну енергију да раскине ковалентну везу са својим паром, пређе у проводну зону и постане слободан електрон. ти електрони тада могу да се крећу кроз полупроводник и каже се да су у побуђеном стању. Место на ком је био електрон у ковалентној вези остало је упражњено и назива се шупљина. Пошто је електрон који је напустио ковалентну везу негативно наелектрисан, атом остаје позитивно наелектрисан. зато се може рећи да су електрони негативно а шупљине позитивно наелектрисане честице. сваки пут кад електрон пређе из валентног у проводни опсег, формира се и шупљина, односно добијамо пар електрон-шупљина. концентрација електрона (број електрона у јединици запремине) и концентрација шупљина (број шупљина у јединици запремине) у чистом полупроводнику су увек једнаке и називају се сопствене концентрације. Пошто енергија електрона у ковалентној вези веома зависи од температуре, и сопствене концентрације зависиће од температуре.

16

ЕЛЕКТРОНИКА 1

у полупроводнику на посматраној температури, осим што се ковалентне везе разграђују, оне се и попуњавају. када се енергија побуђеног електрона смањи, он ће се вратити да „попуни” шупљину и поново успостави ковалентну везу. Могуће је и да позитивно наелектрисана шупљина „ишчупа” електрон из неке суседне ковалентне везе и поново успостави ковалентну везу. ти поступци поновног „спајања” електрона и шупљине називају се рекомбинација.

2.3.3. Провођење струје у полупроводнику

слика 2.3.2.1. – Дводимензионални приказ кристалне решетке силицијума на собној температури

ке

Да се подсетимо! струја је усмерено кретање носилаца наелектрисања.

во д

за

уџ

бе

ни

Познато је од раније да у проводницима струју чини усмерено кретање електрона. у полупроводницима у провођењу струје учествују обе врсте слободних носилаца: и електрони и шупљине. уколико прикључимо једносмерни напон U на чист полупроводник, слободни електрони из проводног опсега чиниће малу електричну струју, пошто ће их привући позитиван крај извора напајања. слободни електрони, који се крећу ка позитивном крају извора напајања, остављају за собом шупљине. валентни електрони из атома поред шупљине теже да је попуне, чиме на свом месту остављају нову шупљину. значи, кретање шупљина, у ствари, представља кретање валентних електрона из суседних атома који теже да попуне настало упражњено место, тако да физичко кретање електрона изгледа (иако није стварно) као да се шупљине крећу ка негативном крају извора. то кретање шупљина чини потпуно нову појаву и кључну разлику између проводника и полупроводника. ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? – ПитаЊа за ПонављаЊе градива

За

1) електрична проводност елемената одређена је и бројем електрона у валентној орбити. Полупроводници имају _________ (1, 4, 5) валентна електрона и налазе се између проводника који имају _________ (мало, пуно) валентних електрона и изолатора који имају _________ (мало, пуно) валентних електрона.

2) сваки полупроводнички атом у кристалној решетки дели своје валентне електроне са 4 суседна електрона. таква веза електрона назива се _________(јонска, ковалентна).

3) број парова електрон-шупљина у полупроводнику рашће када температура _________(расте, опада).

4) када чист или _________ (допирани, недопирани) полупроводник прикључимо на напон, слободни електрони кретаће се ка _________ (позитивном, негативном) крају извора напајања а шупљине ка _________ (позитивном, негативном) крају.

2.4. Полупроводници с примесама Да се подсетимо! до сада смо научили да чист полупроводник на собној температури има веома малу струју која се састоји од две компоненте: струје електрона и струје шупљина.

17

2. Основи физике полупроводника

ако се у кристал чистог полупроводника (ми ћемо поново посматрати силицијум) унесу примесе других материјала (зову се још и нечистоће), проводност и струја могу се значајно повећати. Поступак додавања нечистоћа полупроводнику ради повећања његове проводности назива се допирање полупроводника. допирањем се или повећава број слободних електрона (негативно или n допирање) или се повећава број шупљина (позитивно или р допирање). Примесе се уносе у чвор кристалне решетке полупроводника уместо једног атома полупроводника. Потребно је да концентрација примеса буде веома мала, тако да један атом примесе буде са свих страна окружен атомима полупроводника. број валентних електрона примесе треба да буде за 1 мањи или за 1 већи од броја валентних електрона полупроводника. Постоје 2 типа примеса које се додају полупроводницима: • петовалентне примесе (елементи 5. групе периодног система), • тровалентне примесе (елементи 3. групе периодног система).

ке

2.4.1. Полупроводник N типа

во д

за

уџ

бе

ни

као што смо већ закључили, сви полупроводници су четворовалентни. ако им се у кристалну решетку угради атом петовалентне примесе (нпр., As, P, Sb...), по 4 валентна електрона формираће ковалентне везе а пети валентни електрон примесе неће имати с ким да формира везу, па ће и врло мала количина енергије бити довољна да он постане слободан електрон (сл. 2.4.1.1). Пошто су милиони петовалентних атома примеса додати чистом полупроводнику, појавиће се бројни слободни електрони. Пошто наведене примесе дају полупроводнику слободне електроне, тај тип примеса зове се донор. тако допирани полупроводник зове се полупроводник N-типа јер има више негативних носилаца слободних наелектрисања (електрона) него шупљина. Пошто их у овом типу полупроводника има више, електрони се зову главни носиоци наелектрисања, док су шупљине мањински носиоци наелектрисања.

За

Петовалентне примесе арсен (As) фосфор (P) антимон (Sb)

слика 2.4.1.1. – Дводимензионалан приказ кристалне решетке силицијума допираног петовалентним елементом (нпр. фосфором Р)

иако овде говоримо о бројним слободним електронима, полупроводник N типа је електрично неутрална компонента (није негативно наелектрисан) јер је укупан број протона у језгру, електрона у ковалентним везама и оних који су слободни и даље једнак и они неутралишу једни друге. једино се тамо, где се налазе атоми примеса, налазе позитивно наелектрисани, непокретни јони примеса, јер су њихови атоми „изгубили” по један електрон, који није имао с ким да формира ковалентну везу (сл. 2.4.1.2). Јон је позитивно или негативно наелектрисани атом који је изгубио или примио електрон.

18

ЕЛЕКТРОНИКА 1

2.4.2. Полупроводник P типа

слика 2.4.1.2. – Полупроводник N- типа

во д

за

уџ

бе

ни

ке

ако се у кристалну решетку полупроводника угради атом тровалентне примесе (нпр. Al, в, Ga, In...), по 3 валентна електрона формираће ковалентне везе а у једној ковалентној вези електрон полупроводника неће имати с ким да формира везу, па ће на страни на којој је примеса остати једна шупљина. Пошто су милиони тровалентних атома примеса додати чистом полупроводнику, појавиће се бројне слободне шупљине. Пошто наведене примесе „дају” полупроводнику слободне шупљине, које су спремне да буду попуњене електронима, овај тип примеса зове се акцептор (назив потиче од енглеске речи accept, што у преводу значи примити, јер шупљине на неки начин „примају” електроне). тако допиран полупроводник зове се полупроводник P-типа јер има више позитивних носилаца слободних наелектрисања (шупљина) него електрона. Пошто их у овом типу полупроводника има више, шупљине се зову главни носиоци наелектрисања, док су електрони мањински носиоци наелектрисања. Тровалентне примесе

За

алуминијум (Al) индијум (In) бор (B)

слика 2.4.2.1. – Дводимензионалан приказ кристалне решетке силицијума допираног тровалентним примесом (нпр. бором В)

иако овде говоримо о великом броју слободних шупљина, полупроводник P-типа је електрично неутрална компонента (није Позитивно наелектрисан) јер је укупан број протона у језгру, електрона у ковалентним везама и оних који су слободни и даље једнак и они неутралишу једни друге. једино се на местима, на којима се налазе атоми примеса, налазе негативно наелектрисани, непокретни јони примеса, јер се за неспарен електрон силицијума може сматрати да припада и атому примесе (тај електрон силицијума креће се око оба језгра), па примеса на неки начин има један електрон вишка.

19

2. Основи физике полупроводника

слика 2.4.2.2. – Полупроводник P-типа

ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? – ПитаЊа за ПонављаЊе градива

уџ

бе

ни

ке

1) додавањем петовалентних примеса чистом полупроводнику добијамо полупроводник _________ (N, P) типа.

2) додавањем тровалентних примеса чистом полупроводнику добијамо полупроводник _________(N, P) типа.

3) у полупроводнику P-типа главни носиоци наелектрисања су _________ (електрони, шупљине), док су електрони _________ (главни, споредни) носиоци наелектрисања у полупроводнику N-типа. РЕЗИМЕ – Основи физике полупроводника

За

во д

за

• елементaрни полупроводници су: бор (B), угљеник (C), силицијум (Si), фосфор (P), сумпор (S), гермaнијум (Gе), aрсен (As), селен (Se), кaлaј (Sn), aнтимон (Sb), телур (те) и јод (ј). некa једињењa такође имaју особине полупроводникa (GaAS, InP, InSb, GaP, AlP, AlAs, GaSb...).

• на основу поређења специфичне електричне отпорности, као и односа валентне и проводне зоне, материјале делимо на проводнике, полупроводнике и изолаторе.

• два полупроводничка атома повезују се ковалентним везама. Повезивањем бројних атома добијамо чврсту, кристалну структуру. сви атоми у њој су електрично неутрални и стабилни зато што су им валентни нивои попуњени (сваки садржи по 8 електрона, 4 своја и 4 дељена).

• на собној температури одређен број електрона раскине ковалентну везу и они постају слободни електрони (електрони у побуђеном стању). Место на ком је био електрон у ковалентној вези остало је упражњено и назива се шупљина. електрон који је напустио ковалентну везу је негативно наелектрисан, па атом остаје позитивно наелектрисан. концентрације шупљина и електрона у чистом полупроводнику увек су једнаке и називају се сопствене концентрације.

• када позитивно наелектрисана шупљина „ишчупа” електрон из неке суседне ковалентне везе или енергија побуђеног електрона опадне и он се вратити да „попуни” шупљину, те поново успостави ковалентну везу, каже се да се врши рекомбинација.

• допирањем полупроводника повећава се број слободних електрона или број шупљина. Постоје два типа примеса: петовалентне или тровалентне примесе.

20

ЕЛЕКТРОНИКА 1

ке

• ако су примесе петовалентне, називају се донори. тако допиран полупроводник зове се полупроводник N-типа јер има више негативних носилаца слободних наелектрисања (електрона) него шупљина. електрони се зову главни носиоци наелектрисања, док су шупљине мањински носиоци наелектрисања.

• ако су примесе тровалентне, зову се акцептори. тако допиран полупроводник зове се полупроводник P-типа јер има више позитивних носилаца слободних наелектрисања (шупљина) него електрона. шупљине се зову главни носиоци наелектрисања, док су електрони мањински носиоци наелектрисања.

КЉУЧНИ ПОЈМОВИ – Основи физике полупроводника

бе

ни

Eнергетски процеп Eg – минимална енергија коју треба довести валентном електрону да би прешао у проводну зону и постао слободан.

уџ

Шупљина – место на ком је био електрон у ковалентној вези, а које је остало упражњено и може се сматрати позитивно наелектрисаном честицом.

Рекомбинација – поступци поновног „спајања” електрона и шупљина којима се добија неутрална честица.

за

Допирање полупроводника – поступак додавања нечистоћа полупроводнику ради повећања његове проводљивости

во д

Петовалентне примесе – елементи 5. групе периодног система који се додају чистом полупроводнику.

За

Тровалентне примесе – елементи 3. групе периодног система који се додају чистом полупроводнику.

Полупроводник N-типа – полупроводник допиран петовалентним примесама који има више негативних носилаца слободних наелектрисања (електрона) него шупљина. Полупроводник P-типа – полупроводник допиран тровалентним примесама који има више позитивних носилаца слободних наелектрисања (шупљина) него електрона

21

2. Основи физике полупроводника

Тест за проверу знања 1. колико се валентних електрона налази у валентној орбити чистих полупроводника? а) 2, б) 4, в) 6, г)2 или 4.

ке

2. главни носиоци наелектрисања у полупроводнику P-типа су: а) протони, б) неутрони, в) шупљине, г) електрони.

бе

ни

3. какав полупроводник добијамо додавањем петовалентних примеса полупроводнику? а) прљав, б) P-типа, в) N-типа, г) и под а) и под в) је тачно.

за

уџ

4. какав полупроводник добијамо додавањем тровалентних примеса полупроводнику? а) нечист, б) P-типа, в) N-типа, г) и под а) и под б) је тачно.

За

во д

5. код полупроводничких материјала с повећањем температуре проводност: а) се смањује, б) се нити повећава, нити се смањује, в) се повећава, г) зависи од полупроводника.

6. чисти полупроводници допирају се да би им се се смањила: а) проводност, б) отпорност, в) реактанса, г) струја.

7. када се снизи температура, полупроводник се понаша као: а) изолатор, б) проводник.

8. шупљине се понашају као да су наелектрисане: а) негативно, б) неутрално, в) позитивно, г) и б) и в).

22