Teema 3, Pooljuhtseadmed (0)

Teema 3. Pooljuhtseadised
M.Pikkovi ainekava ja konspekti järgsed allteemad ( http://www.ttykk.edu.ee/aprogrammid/elektroonika_alused_MP.pdf , lk. 23...41):
- Pooljuhtdiood , tema ehitus. Alaldava siirde tekkimise tingimus. Protsessid pooljuhtdioodis. Pooljuhtdioodi kasutamisala, põhiparameetrid (lk 23...26). - Bipolaartransistor , tema ehitus, pingestamine, protsessid transistorstruktuuris (27...30). - Ühise baasiga ja ühise emitteriga lülituse karakteristikud (30...32). - Bipolaarne liittransistor (33). - Väljatransistorid (p-n ­ siirdega , isoleeritud paisuga), nende ehitus, tööpõhimõte, tunnussuurused (34...37). - Türistorid (dinistorid, trinistorid). Suletav türistor. Sümmeetriline türistor. Türistorite kasutamine jõuelektroonikas (38...41).
Käesoleva teksti sisujaotus:
3.1 Pooljuhtmaterjalid 3.2 pn- siire 3.2.1 pn-siire välise pinge puudumisel 3.2.2 Päripingestatud pn-siire 3.2.3 Vastupingestatud pn-siire 3.3 Pooljuhtdioodid 3.4 Bipolaartransistorid 3.4.1 Bipolaartransistor n-p-n transistori näitel 3.4.2 Bipolaartransistoride kolm ühendusviisi: ÜB, ÜE, ÜK 3.4.3 Bipolaartransistoride põhiparameetrid ja liigitus 3.4.4 Isoleeritud paisuga bipolaartransistor 3.4.5 Liittransistor 3.5 Väljatransistorid e. unipolaartransistorid 3.5.1 pn-väljatransistor 3.5.2 MOP- transistorid 3.5.3 Väljatransistoriga võimendusastmed 3.6 Türistorid 3.6.1 Lihttüristor (üheoperatsiooniline türistor) 3.6.2 Dioodtüristor 3.6.3 Sümistor e. sümmeetriline türistor 3.6.4 Suletav türistor 3.6.5 Türistoride kasutamine jõuelektroonikas
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
1 3.1. Pooljuhtmaterjalid Pooljuhtseadised on elektroonikas kasutatavad seadised , mille töö põhineb pooljuhtide omaduste ärakasutamisel. Pooljuhtseadiste hulka kuuluvad näiteks pooljuhtdioodid, türistorid, transistorid, integraalskeemid jm elektroonikakomponendid.
Pooljuhid on ained, mille erijuhtivus on väiksem kui elektrijuhtidel (metallidel) ja suurem kui dielektrikutel .
Joonis 3.1. Mõnede materjalide paiknemine eritakistuste skaalal [6].
Kui valmistada kolmest erinevast materjalist - vask Cu ( metall ja elektrijuht ), puhas räni Si i ( pooljuht ; indeks i tähistab omajuhtivusega puhast pooljuhtmaterjali) ja polüvinüülkloriid (PVC, dielektrik ) - igaühest varras pikkusega 1 m ja ristlõikega 1 mm2, siis oleksid nende varraste takistused järgmised (tabel 3.1):
Tabel 3.1. Kolmest erinevast materjalist valmistatud varraste võrdlus [6].
1 m pikkuse ja 1 mm2 ristlõikega varda takistus (vasakul oomides kui põhiühikutes, paremal kordsetes ühikutes) Cu 17,5 * 10-3 W 17,5 mW Si i (20°C) 2,1 * 10 W 9 2,1 GW PVC 1020 W 1011 GW
Enamasti on pooljuhid kristallilised ained. Pooljuhtide hulka kuuluvad mõned keemilised elemendid (räni, germaanium , seleen, telluur , arseen , fosfor jt), palju oksiide , sulfiide, seleniide ja telluriide, mõned sulamid , paljud mineraalid jm. Pooljuhtide eritakistus sõltub tugevasti mitmetest välistest mõjuteguritest (temperatuur, valgus, radioaktiivne kiirgus jms) ning lisandainetest. Pooljuhtide üks iseärasusi on ka nende eritakistuse järsk vähenemine temperatuuri tõustes. Pooljuhtide eritakistuse temperatuuritegur on seega negatiivne (elektrijuhtidel vastandina reeglina positiivne).
Pooljuhttehnikas kasutatakse lähtematerjalina peamiselt neljavalentset räni (Si) ning kolme- ja viievalentsete ainete ühendit galliumarseniidi ( GaAs ); vähesel määral ka neljavalentset germaaniumi (Ge).
Räni ja germaaniumi iga aatomi väliskihis on neli valentselektroni, millest igaüks tiirleb ühtlasi ümber naaberaatomi. Iga aatomipaari ümber tiirlevad kaks valentselektroni
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
2 moodustavad kovalentsideme. Kovalentsideme korral iga sidet moodustav valentselektronide paar kuulub võrdselt mõlemale naaberaatomile moodustades väga püsiva struktuuri. Valentselektronid võivad osaleda juhtivusprotsessis ainult juhul kui nende kovalentsidemed mingi välise energia, näiteks soojusenergia toimel katkevad . Vabade elektronide kontsentratsioon pooljuhis on seetõttu võrdeline pooljuhi temperatuuriga. Toatemperatuuril leidub puhtas (omajuhtivusega) ränis ligikaudu 1 vaba elektron 1012 aatomi kohta. Absoluutse nulli lähedastel temperatuuridel muutuvad pooljuhid mittejuhtideks (dielektrikuteks), kuna neis ei leidu enam vabu elektrone.
Lahkunud elektroni kohta kovalentsidemes nimetatakse auguks (ingl. k. hole, sks k. Loch (auk), aga ka Defektelektron). Augu võib täita teine elektron, sellest jäänud augu võib täita kolmas jne. Toimub elektroni ja augu rekombinatsioon ja ühtlasi augu ümberpaiknemine suunas, mis on vastupidine elektroni ümberpaiknemisele. Selline nihkeprotsess võib korduda; elektronid, mis pole aatomitega seotud, võivad pooljuhis liikuda ja täita auke . Elektronide liikumise läbi tekkinud elektrijuhtivust nimetatakse n- juhtivuseks ehk elektronjuhtivuseks, aukude liikumisel tekib p- juhtivus ehk aukjuhtivus . Puhtas pooljuhis on vabade elektronide arv võrdne aukude arvuga. Puhta pooljuhi juhtivust nimetatakse omajuhtivuseks (ingl.k. intrinsic conduction) ja sellist pooljuhti i-pooljuhiks (lühend inglisekeelsest terminist: intrinsic semiconductor ).
Puhta pooljuhi saamiseks on nõutav puhtusaste mitte enam kui 1 võõraatom 1010 põhiaine aatomi kohta. Võrdluseks võib tuua näite, et kui maakera ümbermõõtu (~ 40 000 km) õnnestuks mõõta samasuguse täpsusega, siis oleks mõõteviga mitte suurem kui 4 mm.
Pooljuhtseadistes kasutatakse sageli legeeritud pooljuhte, kus põhiaine kristallvõresse on viidud lisandaine aatomeid, millega tekivad kristallvõre defektid (erinevused kristallvõre ideaalsest, rangelt korrapärasest ehitusest).
Kui näiteks neljavalentse germaaniumi või räni kristalli viia lisandainena sisse viievalentset ainet ( fosforit , arseeni v. antimoni) jääb ringorbiidil üks lisandi valentselektron vabaks. Selle eemaldamiseks piisab tühisest energiahulgast, mistõttu tehnikas praktiliselt kasutatavas temperatuurivahemikus on praktiliselt kõik lisandaatomid ioniseeritud (lisandi aatom muutub valentselektroni lahkumise järel positiivseks iooniks). Niisuguseid lisandeid, mis annavad pooljuhile juhtivuselektrone, nimetatakse doonorlisanditeks.
Doonorlisandid annavad pooljuhile n- juhtivuse . Vajalik lisandikogus on väga väike, näiteks 1mg fosforit 50 g ülipuhta räni kohta vähendab räni eritakistust 100 000 korda. Liikuvaid laengukandjaid, mis antud pooljuhis on ülekaalus, nimetatakse enamus- laengukandjateks, vastasmärgilisi laengukandjaid aga vähemuslaengukandjateks. Pooljuhti, kus enamuslaengukandjad on negatiivse laenguga (elektronid), nimetatakse n- pooljuhiks.
Kui räni kristallvõres asendada üks räni aatom kolmevalentse aine (alumiiniumi, boori, galliumi v. indiumi) aatomiga, siis jääb üks kovalentside puudulikuks (jääb auk), mille võib täita mõni vaba elektron, mille läbi lisandaine aatom muutub negatiivseks iooniks. Lisandaineid, mis kristallvõres hõivavad elektrone, nimetatakse akseptorlisanditeks. Akseptorlisandid annavad pooljuhile p-juhtivuse. Pooljuhti, milles enamus- laengukandjad on positiivse laenguga (augud), nimetatakse p-pooljuhiks.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
3 Vabade laengukandjate tihedus e. kontsentratsioon (nn: elektronid n-pooljuhis; pp augud p-pooljuhis) on määratud lisandaine aatomite tihedusega.
Mistahes pooljuhtmaterjalis on elektronide ja aukude hulk määratud kahe paralleelselt kulgeva protsessi dünaamikaga: ühelt poolt uute elektron-aukpaaride moodustumisega ja teiselt poolt nende rekombineerumisega, mis termodünaamilise tasakaalu korral on võrdsed.
Nii n- kui p-pooljuht on elektriliselt neutraalsed, st et lisandid ei tekita neis ei negatiivse ega positiivse laengu ülekaalu, sest prootonite positiivne laeng aines ( prootonid paiknevad aatomite tuumades) jääb võrdseks elektronide negatiivse laenguga.
Pikkov lk 23 Iga aatomipaari ümber tiirleb kaks valentselektroni, mis moodustavad nn kovalentse sideme.
Elektronid võivad saada laengukandjateks ja osaleda juhtivusprotsessis ainult juhul kui kovalentsed sidemed mingi välisenergia, näiteks soojusenergia või välise elektrivälja energia toimel rikutakse .
Lahkunud elektroni kohta kovalentses sidemes nimetatakse auguks. Augu võib täita teine elektron, sellest jäänud augu võib täita kolmas jne. Toimub elektronide ja aukude rekombinatsioon, millega kaasneb aukude ümberpaiknemine, milline on oma suunalt vastupidine elektronide ümberpaiknemisele.
Pp on enamuslaengu-kandjate (aukude) kontsentratsioon p-kihis. nn on enamuslaengu-kandjate (elektronide) kontsentratsioon n-kihis.
Siirded valmistatakse enamasti ebasümmeetrilisena, kusjuures tugevamini on legeeritud p- juhtivusega piirkond [2].
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
4 3.2. pn-siire 3.2.1. pn-siire välispinge puudumisel Vaatleme olukorda, kui viiakse omavahel kontakti n-juhtivusega ja p-juhtivusega pooljuhtkristallid (joonis 3.2).
Joonis 3.2. Pingestamata pn-siire [2].
Kummagi pooljuhi enamuslaengukandjad (elektronid ja augud) difundeeruvad naaberpooljuhi piirikihti, leides sealt endale rekombinatsioonipartnerid ( difusioon on aineosakeste levimine mingis keskkonnas soojusliikumise mõjul sinna, kus nende kontsentratsioon on väiksem). Selle tulemusena tekib kahe erineva pooljuhi kontakti alal 1...5 mm paksune kiht, kus vabalt liikuvad laengukandjad peaaegu täielikult puuduvad. Seda kihti nimetatakse tõkkekihiks.
Kuna elektronide kontsentratsioon on n-pooljuhis mitu suurusjärku suurem, siis tungib osa kaootilises soojusliikumises olevaid elektrone sealt p-pooljuhti. Seda nähtust nimetatakse elektronide difusiooniks . Samuti difundeeruvad augud paiknemistiheduse ühtlustamise käigus p- piirkonnast n-piirkonda (aukude difusioon).
See protsess ei kulge aga laengukandjate kontsentratsiooni ühtlustumiseni kogu kristallis, kuna n-pooljuhist lahkunud elektronid jätavad endast maha nendega võrdse arvu paikseid positiivseid ioone. Samuti tekivad p-pooljuhist lahkuvate aukude tõttu paiksed negatiivsed ioonid . n- ja p-pooljuhtide eralduspiiri juures tekib n-juhtivusega materjalis positiivne ruuumilaeng ja p-juhtivusega materjalis negatiivne ruumilaeng.
Need vastasmärgilised laengud tekitavad pooljuhtide kontaktpinna piirialal sisemise elektrivälja, mida nimetatakse potentsiaalibarjääriks (ingl. k. build -in voltage ), mis lõpetab laengukandjate edasise difusiooni läbi kontatpinna (moodustub tõkkekiht, ingl. k. depletion region ). Potentsiaalibarjääri suurus on räni puhul 0,6...0,7 V ja tõkkekihi paksus on 1...5 mm; mõlemad sõltuvad lisandikontsentratsioonidest. Laengukandjate poolest vaest tõkkekihti, mis moodustub vastasmärgilistest lisandioonidest eri juhtivusega pooljuhtosade eralduspinna juures nimetatakse pn-siirdeks (ingl. k. p-n junction).
Vähemuslaengukandjaile mõjub elektriväli kiirendavalt ning nad läbivad siirde takistamatult. Nende laengute liikumine moodustab triivvoolu. Ka väike osa
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
5 enamuslaengukandjaid läbib soojusliku liikumisenergia tõttu siirde, tekitades difusioonvoolu.
Välise energia (pinge, kiirguse jne) puudumisel on triivvool ja difusioonvool võrdsed ja vastassuunalised ning nende summa on null.
Enamasti valmistatakse pn-siirded ebasümmeetrilistena s.t. enamuslaengukandjate kontsentratsioon ühes pooljuhtkihis on teise omast 100...1000 korda suurem [2].
Kasutamist leiab ka taoline pn-siire, mis kujuneb mitte kahe erineva juhtivustüübiga pooljuhi kontaktpinnal, vaid n-pooljuhi ja metalli kontaktpinnal. Selline siire on kasutusel nn Schottky dioodides.
Pikkov lk 24 Alaldava siirde tekkimise tingimus pp >> nn, kus pp on enamuslaengu-kandjate (aukude) kontsentratsioon p-kihis ja nn on enamuslaengukandjate (elektronide) kontsentratsioon n- kihis ning tugevamini on legeeritud p-juhtivusega piirkond n-juhtivusega piirkonna suhtes.
j0 on siirde ulatuses difusiooni jätkumist tõkestav, laengute ümberjaotumise tulemusel tekkinud tõkkepinge (potentsiaali-barjäär).
q on elementaarlaeng (elektroni laeng).
Difusioonvool läbi siirde tekib soojusliikumise tulemusel ja triivvool tõkkekihi sisese elektrivälja mõjul. Difusioon- vool ja triivvool on välise energia (pinge, kiirguse jne) puudumisel võrdsed ja vastassuunalised ning nende summa on null.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
6 3.2.2. Päripingestatud pn-siire Kui ühendada p-juhtivusega piirkond vooluallika positiivse poolusega ja n-juhtivusega piirkond negatiivse poolusega s.t. rakendada siirdele päripinge, mõjub väline elektriväli sisemisele elektriväljale vastu, alandades potentsiaalibarjääri (joonis 3.3). Seetõttu on rohkem elektrone suutelised difundeeruma läbi tõkkekihi p-piirkonda ning samal põhjusel tugevneb ka aukude difusioon vastassuunas . Tekib pärivool. Kui väline pinge ületab tõkkepinge (ligikaudu 0,3 V germaanium- ja 0,7 V ränisiirde korral), kahaneb tõkkekihi paksus nullini ning siiret läbiv pärivool kasvab pinge edasisel suurendamisel eksponentsiaalselt. Temperatuuri tõus suurendab pärivoolu ja vähendab päripingelangu siirdel. Voolu edasisele suurendamisele seab piiri pooljuhtstruktuuri ülemäärane soojenemine, mis lõpuks võib viia siirde hävinemiseni (räni puhul 150°...200° juures).
Joonis 3.3. Päripingestatud pn-siire [2].
Pikkov lk 25
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
7 3.2.3. Vastupingestatud pn-siire
Siirdele vastupinge rakendamisel (pluss n-pooljuhil, miinus p-pooljuhil) liitub väline elektriväli siirde enda sisemise väljaga samasuunaliselt. Selle tulemusena muutub potentsiaalibarjäär niivõrd kõrgeks, et enamuslaengukandjate difusioon lakkab. Temperatuuri toimel tekkivad vähemuslaengukandjad läbivad siirde küll takistamatult, kuid neid tekib toatemperatuuril vähe ja vastuvool läbi siirde ( lekkevool ) jääb väga nõrgaks (räni puhul 10...100 nA suurusjärgus).
Pikkov lk 26 Siirde pärivool Ia sõltub siirdele rakendatud päripingest eksponentsiaalselt. Seda omadust kasutatakse eksponentfunktsiooni ja logaritmfunktsiooni realiseerivates operatsioonvõimendites.
Is on siirde vastuvool (lekkevool).
pn-siirdel on elektrilise ventiili omadused (ühele voolusuunale on takistus väike, vastassuunalisele voolule aga väga suur), mis võimaldab valmistada pooljuhtseadiseid vahelduvvoolu alaldamiseks.
Vastupinge tõstmisel tugevneb vastuvool algul aeglaselt, ent teatud piirpingest (läbilöögipingest) alates väga järsult (laviinitaoliselt). See nähtus leiab kasutust zenerdioodides. Samuti kasvab vastuvool siirde soojenemisel (temperatuuri igakordse kasvuga 10°C võrra vastuvool kahekordistub), sest temperatuuri mõjul vähemuslaengu-kandjate arv kasvab.
Temperatuuri tõusmisel üle teatud piirväärtuse tekib siirdes soojuslik läbilöök: temperatuuri kasvuga kaasneb vastuvoolu tugevnemine, mis veelgi tõstab siirde temperatuuri, mis vastuvoolu omakorda suurendab jne.
Joonis 3.4. Vastupingestatud pn-siire [2].
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
8 3.3. Pooljuhtdioodid
Pooljuhtdioodid on ühe pn-siirdega pooljuhtseadised, millel on kaks väljastust (väljaviiku).
Otstarbe ja kasutusala järgi võib dioodide enamikku liigitada näiteks järgmiselt ( loetelu ei ole ammendav ):
1. Alaldusdioodid. 2. Kõrgsagedusdioodid (lülitus-, detektor - ja segustidioodid). 3. Ülikõrgsagedusdioodid (PIN- dioodid , Schottky dioodid). 4. Stabilitronid (zenerdioodid) ja stabistorid pinge stabiliseerimiseks. 5. Siirdeprotsesside liigpingekaitsedioodid. 6. Mahtuvusdioodid e. varikapid. 7. Sageduskordistusdioodid (varaktorid). 8. Generaatordioodid (Gunni dioodid). 9. Tunneldioodid. 10. Optoelektroonika valdkonda kuuluvad dioodid: valgusdioodid , laserdioodid, fotodioodid.
Valik erinevat tüüpi dioodide tingmärke on toodud joonisel 3.5.
Joonis 3.5. Dioodide tingmärgid [2].
Dioodi pn-siirde p-juhtivusega piirkonnaga ühendatud väljaviiku nimetatakse anoodiks ning n-juhtivusega piirkonnaga ühendatud väljaviiku nimetatakse katoodiks. Diood on päripingestatud, kui tema anoodiga on ühendatud välise pingeallika positiivne poolus ja katoodiga negatiivne poolus.
Pooljuhtdioodide elektrilisi omadusi iseloomustab pinge-voolu tunnusjoon IA = (UAK). Dioodile tüüpilised pinge-voolu tunnusjooned on toodud joonistel 3.6 ja 3.7.
Päripingestatud dioodi läbib pärivool, mille suurus oleneb peamiselt välise pingeallika pingest ja välisahela takistusest. Sealjuures tekib pärivoolustatud dioodil pingelang, mille suuruseks ränidioodi puhul on ligikaudu 0,7 V ja mis temperatuuri tõusuga väheneb (seda
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
9 omadust kasutatakse näiteks bipolaartransistoride parameetrite temperatuurisõltuvuse kompenseerimiseks). Vastupingestatud dioodi läbib väga nõrk vastuvool, millega praktilistes rakendustes ei ole reeglina vaja arvestada. Seega on pn-siirdele omane ventiiliefekt, mida kasutatakse vahelduvpingete alaldamiseks.
Joonis 3.6. Dioodi pinge-voolu tunnusjoon: A - anood ; K - katood; UF - päripingelang; IF - pärivool; UF0 - kanalipinge; Urmax - suurim lubatav vastupinge; UBR ­ läbilöögipinge [2].
Kui vastupinge ületab dioodi läbilöögipinge UBR, siis kasvab vastuvool väga järsult. Samal ajal jääb (vastu)pingelang dioodil peaaegu konstantseks. Seda omadust kasutatakse pinget stabiliseerivates stabilitronides e. zenerdioodides. Muud liiki dioodide normaalses tööolukorras ei tohi vastupinge dioodi läbilöögipinget ületada. Dioodi nimipinge on tavaliselt 80 ... 90 % läbilöögipingest ning praktikas võetakse dioodi tööpingeks mitte enam kui 60 ... 70 % läbilöögipingest.
Pooljuhtdioode kasutatakse toitelülitustes madalsageduslike vahelduvvoolude alaldamiseks (alaldusdioodid, ka: pinddioodid) ning kõrgsageduslülitustes moduleeritud kõrgsagedusvõnkumistest moduleeriva signaali (infosignaali) eraldamiseks e. detekteerimiseks. Dioodi pinge-voolu tunnusjoone mittelineaarsus võimaldab dioode kasutada kõrgsageduslike võnkumiste sageduste liitmiseks ja lahutamiseks (segustusdioodid) ning kordistamiseks (varaktordioodid). Tööks kõrgetel ja ülikõrgetel sagedustel peavad dioodi mahtuvus ja seda määrav pn-siirde pindala olema küllalt väikesed, mille saavutamiseks kasutatakse eritehnoloogiaid (punktdioodid, Schottky dioodid).
Schottky dioodide päripingelang on siirde erilise ehituse tõttu tunduvalt madalam kui teistel dioodidel (pn-siire kujuneb siin mitte kahe erineva juhtivustüübiga pooljuhi kontaktpinnal, vaid n-pooljuhi ja metalli kontaktpinnal). Schottky dioodid on eriti kiiretoimelised, nende päripingelang on tavaliselt 0,3 ... 0,35 V piires ja lubatav vastupinge ei ületa 50 ... 100 V. Neid kasutatakse ülikõrgsagedustel (kuni 15 GHz) segustusdioodidena, ülikiirete lülititena, samuti impulsstoiteplokkide aladusdioodidena ning integraallülitustes pinget fikseerivate dioodstruktuuridena.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
10 Joonis 3.7. Erinevatest materjalidest siiretega dioodide pinge-voolu tunnusjooned [3].
Jõupooljuhtmuundurites kasutatakse eriliiki alaldusdioode, mida nimetatakse jõudioodideks. Nende ehituses on suurt tähelepanu pööratud siirde jahutamisele, et suurendada dioodi lubatud suurimat hajuvõimsust ja alaldatud voolu suurimat lubatud keskväärtust. Jõudioodidelt nõutakse suurt lubatavat vastupinget ja väikest päripingelangu. Neid valmistatakse lubatud vooludega, mis ulatuvad kiloampritesse ja vastupingetega, mis ulatuvad kilovoltidesse.
Pooljuhtstabilitron ( stabilitron , zenerdiood, Zeneri diood e. Z-diood) on ränidiood, mis hoiab pinge temaga rööbitisel koormusel peaegu püsivana, kuigi toitepinge või koormustakistus võib suures ulatuses muutuda. Stabilitron vähendab ka alaldatud pinge pulsatsiooni (vahelduvkomponenti). Stabilitronid töötavad pinge-voolu tunnusjoone vastuharu läbilöögi-piirkonnas (joonis 3.8). Stabilitrone toodetakse pingetele 3...400 V ja vooludele kümnendikest milliampritest mitme amprini. Stabilitrone võib ühendada jadamisi, siis võrdub stabiliseerpinge üksikute stabilitronide stabiliseerpingete summaga .
Stabilitronide olulisemad tunnussuurused on järgmised:
- UZ - stabiliseer(imis)pinge - stabilitronil tekkiv pinge, kui teda läbib nimistabiliseervool Izn. - Izmin - vähim lubatav stabiliseervool on stabiliseervoolu vähim väärtus, mille korral läbilöögiprotsess on veel stabiilne. - Izmax - suurim lubatav stabiliseervool on stabiliseervoolu suurim väärtus, mille korral stabilitron veel ülemäära ei kuumene.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
11 Joonis 3.8. Stabilitroni pinge-voolu tunnusjoon [2]:
UZ ­ stabiliseer(imis)pinge; Uz min -minimaalne stabiliseerpinge; Iz min - minimaalne stabiliseervool; Iz max ­ maksimaalne stabiliseervool.
Pinge stabiliseerimiseks koormusel stabilitroni abil kasutatakse joonisel 3.9 toodud skeemi.
Joonis 3.9. Lihtsa pingestabilisaatori skeem: E - toitepinge; IZ - stabiliseervool; Ik - koormusvool; Rk - koormustakisti, Uk - pinge koormusel [2].
Piiramistakisti Rp valitakse esimeses lähenduses nii, et toitepinge E nimiväärtusel läbiks kas stabilitroni keskmine lubatav stabiliseerimisvool:
Sealjuures tuleb arvesse võtta, et piiramistakistit Rp läbib stabiliseerimisvoolu Iz ja koormusvoolu Ik summa.
Kuna ränidioodi pinge-voolu tunnusjoone päriharu on järsult tõusev, saab dioodi ka pärisuunas ühendatuna kasutada 0,6...1 V püsiva pinge saamiseks. Selleks toodetud seadiseid nimetatakse stabistorideks. Stabistori tööpunkt valitakse pinge-voolu tunnusjoone järsult tõusval osal. Kõrgema stabiliseerpinge saamiseks paigutatakse ühte korpusse kaks või kolm dioodi.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
12 Vastupingestatud pn-siire sarnaneb kondensaatoriga, omades mahtuvust mis sõltub vastupinge tugevusest. Seda omadust kasutatakse tüüritava mahtuvusega dioodides: mahtuvusdioodides e. varikapdioodides, mida kasutatakse näiteks raadiovastuvõtjates ja telerites võnkeringide häälestamiseks soovitud sagedusele. Diood toimib siin elektriliselt tüüritava kondensaatorina, mille elektroodidevahelise dielektriku - dioodi tõkkekihi - paksus suureneb vastupinge tõstmisel. Ülikõrgsagedustel kasutatakse muutkondensaatoritena Schottky dioode.
Tunneldioode iseloomustab N-kujuline pinge-voolu tunnusjoon. Tunnusjoone langeval osal omab tunneldiood negatiivset diferentsiaaltakistust (pinge tõstmisel vool väheneb), mis annab tunneldioodile aktiivelemendi omadused. Tunneldioode saab kasutada võnkumiste genereerimiseks ja võimendamiseks väga kõrgete sagedusteni välja, samuti saab nende abil konstrueerida impulsslülitusi. Praktikas leiavad nad siiski suhteliselt harva kasutamist.
Optoelektroonika valdkonda kuuluvaid dioode (valgusdioodid, fotodioodid jt) vaadeldakse kursuse 4. teema all.
3.4. Bipolaartransistorid Transistor on kolme väljaviiguga tüüritav võimendusomadustega pooljuhtseadis. Tööpõhimõtte järgi jagatakse nad bipolaartransistorideks (juhtivuses osalevad elektronid ja augud) ja unipolaar- ehk väljatransistorideks (juhtivuses osalevad elektronid või augud). Bipolaartransistore tüüritakse sisendvooluga, väljatransistore tüüritakse sisendpingega.
Bipolaartransistor on " kolmekihiline " pooljuhtseadis, mis koosneb kahest järjestikku asetsevast pn-siirdest, koosnedes seega just nagu kahest järjestikusest dioodist, millest üks on päripingestatud ja teine vastupingestatud. Võrdlus kahe järjestikuse dioodiga on siiski üksnes piltlik võrdlus. Kahe pooljuhtdioodi kokkuühendamisel transistori ei teki, sest võimendusomadused annab transistorile äärmisi pooljuhikihte eraldava keskmise pooljuhikihi e. baasi üliväike paksus (Kuna järjestikku tuleb ühendada erineva juhtivusega pooljuhid, saab valmistada kahte tüüpi bipolaartransistore ­ npn- ja pnp-struktuuriga transistore. Enamasti kasutatakse npn-struktuuriga transistore, kuna neis on laengukandjatena peaosa elektronidel, millede liikuvus on suurem kui aukude liikuvus. See parandab transistori kui võimendus- ja lülituselemendi kiiretoimelisust võrreldes pnp-struktuuri omavate transistoridega. Samas annab erinevate juhtivustüüpidega transistoride üheskoos kasutamine mitmesuguseid täiendavaid skeemitehnilisi võimalusi.
Päripingestatud siiret nimetatakse emittersiirdeks, vastupingestatud siiret aga kollektorsiirdeks. Keskmist pooljuhtkihti nimetatakse baasiks ja selle juhtivustüüp on erinev emitteri ja kollektori ühesugusest juhtivustüübist.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
13 Joonis 3.10. Bipolaartransistori struktuur (npn- ja pnp-) ning tingmärgid [3].
Joonis 3.11. Planaarse ehitusega npn-transistori lihtsustatud ristlõige [12].
3.4.1. Bipolaartransistor n-p-n transistori näitel Bipolaartransistor pingestatakse normaalses tööreziimis nii, et emittersiire on päripingestatud (pärivoolustatud) ja kollektorsiire vastupingestatud.
Baas on kujundatud võimalikult õhukesena. Kuna baas on väga õhuke (paksus 95%) päripingestatud emittersiirde kaudu sinna jõudnud elektrone (enamuslaengukandjaid) satuvab vastupingestatud kollektorsiirde elektrivälja mõjualasse, mis suunab elektronid kollektorisse, tekitades kollektorivoolu. Ainult väike osa elektrone rekombineerub baasis aukudega (vähemuslaengukandjatega), mis moodustavad osa baasivoolust (teise osa baasivoolust moodustavad emittersiirde kaudu emitterisse kulgevad augud).
Emitterivool kui tervik jaguneb seega baasivooluks ja kollektorivooluks. Baasivool on kollektorivoolust tunduvalt väiksem (suurusjärgus 1...5%).
IE = IK + IB ; IB « I K ; IE IK IK = A · IE
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
14 A on vooluülekandetegur ehk staatiline vooluvõimendustegur, mille väärtus on suurusjärgus 0,95...0,99. Suurtähega A tähistatakse üldiselt alalisvoolu ülekandetegurit (ühise baasiga lülituse staatilist vooluülekandetegurit) ning väiketähega a vahelduvvoolu ülekandetegurit. Kuna A » a, siis tihti ei tehta tekstides nende vahel vahet.
Transistori võimendusefekt põhineb asjaolul, et tänu baasi üliväikesele paksusmõõtmele põhjustab juba väike vool baasi ja emitteri vahel märksa suurema voolu emitterilt kollektorile. Mida vähem laengukandjaid baasikihis rekombineerub (hävib), seda suurem on transistori võimendus. Sellepärast ei saa transistori koostada kahest dioodist, sest kahe katoodi või anoodi vahel oleks elektronide jaoks liiga pikk tee, kus kõik laengukandjad rekombineeruksid, jõudmata läbida kollektorsiiret.
Joonisel on näidatud emitteri- ja kollektorivoolude füüsikaline voolusuund (elektronide liikumise suund miinuse poolt plussi suunas). Aukude liikumise suund on sellele vastupidine.
Joonis 3.12. Laengukandjate kulg pingestatud npn-transistoris [3].
Transistori kasutamisel elektrisignaali võimendamiseks võib võimendamisele kuuluva nõrga sisendsignaali anda kas baasile või emitterile. Võimendatud signaal (väljundsignaal) võetakse enamasti kollektoriahelasse ühendatud koormustakistilt RL. Vastupingestatud kollektorsiire toimib vooluallikana, mille sisetakistus on kümnetes kilo- oomides (kui transistor ei ole küllastuses).
Täpsemalt võttes moodustub kollektorivool kahest komponendist - emitterist injekteeruvatest laengukandjatest tulenev vool ja kollektori vastupingest põhjustatud väga väike kollektor -baasi vastuvool IKB0 (ka: ICB0 või IK0 või IC0), mis ei ole tüüritav, sõltudes üksnes temperatuurist.
Sellel joonisel on näidatud emitteri- ja kollektorivoolude kokkuleppeline voolusuund (plussilt miinusele).
ICB0 on palju väiksem kui IB ja IC.
Joonis 3.13. Voolude jagunemine npn-transistori ühise emitteriga lülituses [6].
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
15 Pikkov lk 27
Pikkov lk 28
Siin on vaatluse all pnp-transistor, milles enamuslaengukandjateks on augud ja vähemuslaengukandjateks elektronid.
Kujutatud on pingestamata pnp- struktuur.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
16 Pikkov lk 29
Ka siin on vaatluse all pnp- transistor, milles enamuslaengukandjateks on augud ja vähemuslaengukandjateks elektronid.
Kujutatud on pingestatud pnp-struktuur. Vastupidiselt npn-transistorile on nii kollektori kui baasi potentsiaalid emitteri suhtes negatiivsed.
Indeksid `p' viitavad aukudele ning indeksid `n' viitavad elektronidele.
Pikkov lk 30 Nagu eespool öeldud, tähistatakse suurtähega A enamasti alalisvoolu ülekandetegurit ning väiketähega a vahelduvvoolu ülekandetegurit. Kuna A » a, siis tihti ei tehta nende vahel vahet, nagu ka siin.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
17 3.4.2. Bipolaartransistoride kolm ühendusviisi: ÜB, ÜE, ÜK Et transistoril on kolm väljastust (väljaviiku), siis töötades võimendina, millel on neli klemmi (2 sisend - ja 2 väljundklemmi), toiteklemme arvestamata, peab üks väljastus olema ühine nii sisendile kui väljundile. Sõltuvalt sellest, milline on see ühine väljastus, on kasutusel ühise baasiga (ÜB, ingl. k. CB - Common Base), ühise emitteriga (ÜE, ingl.k. CE - Common Emitter) ja ühise kollektoriga (ÜK, ingl.k. CC - Common Collector) lülitused.
Kuna ühine juhe kannab sageli maandatud juhtme nimetust (sõltumata sellest kas see füüsiliselt on maandusega ühendatud e. maandatud), siis nimetatakse neid mõnikord ka maandatud baasiga, maandatud emitteriga ja maandatud kollektoriga lülitusteks.
Joonis 3.14. Bipolaartransistoride kolm lülitusviisi [3].
Tabel 3.2. Bipolaartransistoride kolm lülitusviisi [8].
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
18 Ühise baasiga (ÜB) ühendusviisi puhul saadakse lülitusastmelt pingevõimendus (vooluvõimendus KI Sisendtakistus on väiksem kui teiste lülitusviiside puhul (mõnest mõnekümne oomini), väljundtakistus aga on suurem kui teiste lülitusviiside puhul, mis tekitab probleeme seda tüüpi astmete omavahelisel ühendamisel. Lülituse mittelineaarmoonutus ei ületa mõnd protsenti.
Ühise emitteriga (ÜE) ühendusviisi puhul saadakse nii pinge- kui ka vooluvõimendus. Võmsusvõimendus on lülitusviisidest suurim, kuid kaldub muutuma temperatuuri v. talitlusreziimi muutumisel, samuti transistori asendamisel. Sisendtakistus on tunduvalt suurem kui ÜB-lülitusel (mõnest kuni tuhandete oomideni). Väljundtakistus on väiksem kui baaslülitusel. Mittelineaarmoonutus on lülitusviisidest suurim ja võib ulatuda kümnekonna protsendini.
Ühise kollektoriga (ÜK) e. nn emitterjärgija (emitterjärguri) skeemi puhul saadakse ainult vooluvõimendus (pingevõimendus KU Pikkov lk 30 (järg) ÜB-lülituse sisend- tunnusjoonteks on emitterivoolu IE (sisendvoolu) sõltuvus emitteri ja baasi vahelisest pingest UEB kollektori ja baasi vahelise pinge UKB erinevate väärtuste juures.
ÜB-lülituse väljund- tunnusjoonteks on kollektorivoolu IK (väljundvoolu) sõltuvus kollektori ja baasi vahelisest pingest UKB emitterivoolu IE erinevate väärtuste juures.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
19 Transistori väljund- ja sisendsuuruste omavahelisi seoseid väljendavad nende staatiliste tunnusjoonte sarjad, mille abil saab hinnata transistori omadusi ja valida talitlusviisi. Enim kasutatakse neist sisend- ja väljundtunnusjooni.
Joonis 3.15. ÜB-lülituse sisend- ja väljundtunnusjooned [6]
Pikkov lk 31
IK0 on väga väike ja selle võime kõrvale jätta. IK = a * IE ja IB = (1- a) * IE. IK aI E a = = =b I B (1 - a ) I E (1 - a ) Suurtähega B tähistatakse üldiselt ÜE-lülituse alalisvoolu ülekandetegurit (mis on staatiline vooluülekandetegur); täht b tähistab sel juhul vahelduvvoolu ülekandetegurit. Kuna B » b , siis ei tehta tekstides nende vahel tihti vahet.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
20 Ühise emitteriga lülitus on bipolaartransistori kõige sagedamini kasutatav lülitusviis. Lülitus annab suurima võimsusvõimenduse, sest üheaegselt esineb siin nii voolu- kui ka pingevõimendus.
KI >> 1 (suurusjärk: 100) KU >> 1 (suurusjärk: 100) KP = KI * KU >> 1 (suurusjärk: 10 000)
ÜE-lülituse korral on lülituse sisendkarakteristikuks IB = f(UBE) kui UCE = const . ja väljundkarakteristikuks IK = f(UKE) kui IB = const.
Joonis 3.16. ÜE-lülituse sisend- ja väljundtunnusjooned [6]
Pikkov lk 32
Bipolaartransistoriga lülituse töölerakendamisel tuleb emittersiirde avamiseks rakendada sellele ränitransistori korral päripinge +0,6...+0,7 V.
Selleks, et kollektorsiire jääks suletuks, s.t. transistoris ei tekiks küllastusreziim, peab ÜE-lülituses npn- transistori kollektori ja emitteri vaheline pinge olema vähemalt +1...+2,5 V.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
21 3.4.3 Bipolaartransistoride põhiparameetrid ja liigitus
Bipolaartransistoride olulisemad kataloogiandmed on järgmised [2]:
Piirparameetrid:
1. PC - kollektori suurim lubatud hajuvõimsus. 2. UCER - suurim lubatav kollektoripinge. 3. UCB0 - kollektori ja baasi vaheline suurim lubatav vastupinge. 4. UEB0 - emitteri ja baasi vaheline suurim lubatav vastupinge (tavaliselt 3...5 V). 5. Icmax - suurim lubatav kollektorivool. 6. ICM - suurim lubatav kollektorimpulssvool.
Bipolaartransistore toodetakse lubatud hajuvõimsustele vahemikus 50 W...250 W.
Jääkvoolud:
1. ICB0 - kollektori vastuvool. 2. ICE0 - kollektoriahela läbivvool (kollektorivool etteantud kollektoripingel katkestatud baasiahela korral). 3. ICER - kollektori ja emitteri vaheline vastuvool (kollektoriahela vool etteantud kollektoripingel, kui baasi ja emitteri vahel on etteantud väärtusega takistus).
Võimendusparameetrid:
1. h21e - vooluvõimendustegur. S
2. h21E, B - staatiline vooluülekandetegur. 3. gm või y21 - läbijuhtivus (väljundvoolu ja sisendpingemuutuse suhe, mA/V). 4. Gp - võimsusvõimendustegur. 5. Pout - väljundvõimsus. 6. F - mürategur.
Lülititalitluse parameetrid :
1. UBEsat - baasi ja emitteri vaheline küllastuspinge. 2. UCEsat - kollektori ja emitteri vaheline küllastuspinge. 3. rCEsat - küllastustakistus (rCEsat = UCEsat/IC).
Siirdemahtuvused:
1. CC - kollektorsiirde mahtuvus. 2. CE - emittersiirde mahtuvus. 3. tC - kollektori tagasisideahela ajakonstant (võrdeline kollektorsiirde mahtuvusega).
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
22 Transistori võimendusparameetrite määramiseks kasutatakse meetodeid , millede aluseks on transistori asendamine neliklemmiga.
Joonis 3.17. ÜE- lülituses transistor kui neliklemm [2].
Üldjuhul on transistori tunnusjooned mittelineaarsed ning sisend- ja väljundsuuruste suhete iseloomustamiseks võib kasutada lineaarseid võrrandeid vaid juhul kui signaalide muutused on väikesed. Selline meetod annab tulemuseks nõrga signaali parameetrid. Üht sagedamini kasutatavat parameetrite süsteemi, kus sõltumatuteks parameetriteks on sisendvool ja väljundpinge, nimetatakse hübriid- ehk h-parameetriteks. Neid mõõdetakse madalatel sagedustel (50...1000 Hz).
Transistori kui neliklemmi h- parameetrid avalduvad järgmiste võrrandite kaudu:
DU1 = h11DI1 + h12 DU 2 DI 2 = h21DI1 + h22 DU 2
Neist saame h-parameetrid h11, h12, h21 ja h22 teatud tingimuste juures avaldada. Nendeks tingimusteks on kaks mõõtereziimi: lühistatud väljundi reziim , kus U2 = 0, ja avatud sisendi reziim, kus I1 = 0.
Sisendtakistus (ingl. k. input impedance) lühistatud väljundi korral: DU1 h11 = , kui DU2 = 0 DI1 Tagasisidetegur pinge järgi (ingl. k. voltage feedback ratio ) avatud sisendi korral: DU1 h12 = , kui DI1 = 0 DU 2 Vooluvõimendustegur (ingl. k. current gain ) lühistatud väljundi korral: DI h21 = 2 , kui DU2 = 0 DI1 Väljundjuhtivus (ingl. k. output admittance) avatud sisendi korral: DI 2 h22 = , kui DI1 = 0 DU 2
Lisaks h-parameetritele leiavad kasutust veel y-parameetrid (juhtivusparameetrid) ja z- parameetrid (takistusparameetrid).
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
23 Bipolaartransistore võib liigitada mitmeti, näiteks:
- kasutusala järgi: - o võimendustransistorid: madalsageduslikud (MS), kõrgsageduslikud (KS) ja ülikõrgsageduslikud (ÜKS). o lülitustransistorid.
- võimsuse järgi:
o väikese võimsusega transistorid; o võimsustransistorid (jõutransistorid).
- korpuse liigi (montaaziliigi) järgi:
o läbiavamontaazi jaoks (THD ­ ingl. k. through hole devices) o pindmontaazi jaoks (SMD ­ ingl. k. surface mount devices)
Ülemisel pildil tüüpiline SMD-transistor (pindmontaazitransistor) http://www.tradekey.com/ks-smd-transistor/
Joonis 3.18. Valik erinevaid transistore [ http://www.mikroe.com/old/books/keu/04.ht m]
3.4.4 Isoleeritud paisuga bipolaartransistor Isoleeritud paisuga bipolaartransistor (inglise k. IGBT, Insulated- gate bipolar transistor) on jõuelektroonika pooljuhtseadis, mida kasutatakse kiiretoimelistes, suurevoolulistes ja suhtelistelt kõrge pingega ahelates lülititena.
IGBT ühendab endas kõrge voolutaluvuse ja madala pingelangu , mis on mõlemad iseloomulikud bipolaartransistorile, ning pingega tüürimise, mis on iseloomulik väljatransistorile. Kasutatakse näiteks elektriautodes ja hübriidautodes vahelduvvoolumootori jaoks loodud juhtimisskeemides, samuti trollibussides veomuunduritena. Pingetel üle 600 V ja sagedustel kuni 20 kHz on IGBT-transistorid tänapäeval MOSFET -jõutransistore välja tõrjumas.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
24 Joonis 3.19. 3300V 1200A Mitsubishi IGBT [ http://et.wikipedia.org/wiki/Isoleeritud_paisuga_bipolaartransistor ].
3.4.5 Liittransistor Liittransistoriks nimetatakse kahe või kolme transistori sellist ühendust, mida saab sisuliselt käsitleda ühe transistorina. Nõrga signaali talitluses (võimenditalitluses) on võimalik saada liittransistoride abil väga suuri voolu- ja pingevõimendustegureid ning seetõttu kasutatakse neid sageli analoogintegraalskeemides. Liittransistore võib koostada nii üht tüüpi juhtivusega kui ka erinevat tüüpi juhtivusega transistoridest.
Pikkov lk 33
b = b1 * b 2
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
25 Joonis 3.20. Valik liitransistoride skeeme (a...d; parempoolne tingmärk iseloomustab struktuuri kui tervikut ) [2].
3.5 Väljatransistorid e. unipolaartransistorid Väljatransistorides tüüritakse ühenimeliste laengukandjate ­ elektronide või aukude hulka juhtivas kanalis elektrivälja abil. Elektriväli tekitatakse juhtelektroodi ehk paisu (ingl. k. gate) pingestamisega lätte e. allika (source) suhtes.
Väljatransistori pais sarnaneb oma funktsiooni poolest bipolaartransistoril baasile. Vahe seisneb selles, et baasi tüüritakse vooluga (pinge bipolaartransistori avatud emittersiirdel muutub sealjuures vahemikus u. 0,6...0,9 V), kuid väljatransistori paisu tüüritakse pingega (vool on väga väike ja praktiliselt võib seda lugeda nulliks). Selle omaduse poolest sarnanevad väljatransistorid elektronlampidele.
Väljatransistori voolukanali otsmisi kontakte nimetatakse lätteks (ingl. k. source) ja neeluks (ingl. k. drain). Kui võrrelda bipolaartransistoriga, siis on lätte vaste emitter ja neelu vaste kollektor.
Väljatransistorid jagunevad oma struktuurilt
- pn-väljatransistorideks e. pn-tõkkekihiga väljatransistorideks, kus tüüritava elektrivälja mõjul muutub kanali tegevristlõige, ja
- isoleeritud paisuga väljatransistorideks ehk MOP-transistorideks, milles elektriväli muudab laengukandjate kontsentratsiooni kanalis, seega ka kanali takistust. Viimased jagunevad omakorda
- formeeritud kanaliga MOP-transistorideks, ja
- indutseeritud kanaliga MOP-transistorideks.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
26 MOP on lühend sõnadest metall-oksiid-pooljuht-, millele ingl.k. vastab MOS = metal oxide semiconductor. Väljatransistor ingl. k. field effect transistor, lühend. FET. MOP-väljatransistori ingliskeelne lühend on MOSFET.
Tabel 3.3. Väljatransistoride struktuuride tingmärgid. Diskreetkomponendi (üksiku omaette korpuses komponendi) korral ümbritsetakse struktuuri tingmärk elemendi korpust tähistava ringiga .
Nimetus n-kanaliga p-kanaliga pn-väljatransistor
formeeritava kanaliga ja isoleeritud paisuga väljatransistor
indutseeritava kanaliga ja isoleeritud paisuga väljatransistor
Võrrelduna bipolaartransistoridega on väljatransistoridel suur sisendtakistus, pn- väljatransistoridel sajad megaoomid ja MOP-transistoridel sajad gigaoomid.
Väljatransistoride parameetrid sõltuvad vähem temperatuurist. Soojusläbilöögi oht on neil väike, sest temperatuuri kasvades neeluvool mitte ei kasva, vaid väheneb.
Väljatransistorid on voolusäästlikumad kui bipolaartransistorid (see kehtib eriti digitaalelektroonika elementide valdkonnas). Väljatransistoriga võimendi võib töötada 1V või veelgi väiksemal toitepingel. Ka võtab väljatransistor mikroskeemi aluskristallil märksa vähem ruumi kui bipolaartransistor ning väiksem arv tehnoloogilise protsessi vaheastmeid nende tootmisel teeb nad bipolaartransistoridest odavamaks.
3.5.1. pn-väljatransistor pn-väljatransistori aluselemendiks võetakse tavaliselt n-juhtivusega pooljuhist kanal , sest elektronid on märksa suurema liikuvusega kui augud (toodetakse siiski nii n- kui p- kanaliga pn-väljatransistore). Õhukese kanali mõlemale poolele on difundeerimisega tekitatud p-juhtivusega alad. Sellise kanali pikkus on tavaliselt mõni mikromeeter ja kanali paksus (kahe p-juhtivusega ala vaheline kaugus) on mikromeetri kandis . Kanali laius (risti joonise 3.21 pinnaga) on seotud transistori piirvõimsusega.
Kanali ja paisu vahel paikneb pn-siire, mille laius kasvab koos rakendatava vastupingega. Kanal ise on väga õhuke (µm suurusjärgus). Siirde laienemisel kanalisse kanali voolu läbilaskev ristlõige väheneb. Vastupingestatud siirde pingega saab seega neeluvoolu reguleerida. Teatud paisupingel (sulgepingel) muutub kanali takistus juba väga suureks ja vool läbi kanali katkeb. Päripingega pn-väljatransistori tüürida ei saa, sest päripingestatud siirde laiuse sõltuvus pingest on tühine.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
27 Joonis 3.21. n-kanaliga väljatransistori ehitus ja tingmärgid.
n-kanaliga transistori normaalsel tööreziimil on paisul lätte suhtes negatiivne pinge. Mida suuremat vastupinget pn-siirdele rakendatakse, seda suuremast alast tõrjutakse laengukandjad välja (joonisel 3.21 näidatud punktiirjoonega). Seega mida suurem on vastupinge, seda kitsamaks kanal muutub ja kanali takistus väheneb. Kanal ei muutu kitsamaks ühtlaselt, nimelt toimub neelupoolses otsas suurem ahenemine . Paisupinge muutmisega saab tüürida neeluvoolu ning teatud vastupingel UGS(off) sulgub kanal praktiliselt täielikult.
Joonis 3.22. n-kanaliga pn-väljatransistori ülekande- ja väljundtunnusjooned [3].
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
28 Pikkov lk 34
Pikkov lk 35
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
29 Pikkov lk 35 (järg)
pn-siirdega väljatransistori väljundtunnusjooned, mis esitavad neeluvoolu IK sõltuvust neelu ja lätte vahelisest pingest UNL erinevate pingeväärtuste puhul transistori baasi ja lätte vahel UPL.
3.5.2. MOP-transistorid MOP-transistorides on paisuks õhuke metallikiht, mis on pooljuhi pinnast eraldatud õhukese dielektriku (tavaliselt ränidioksiidi SiO2) kihiga .
Eristatakse kahte tüüpi MOP-transistore. Kui juhtiv kanal on tehnoloogiliselt juba pooljuhti moodustatud, siis on tegemist formeerkanaliga väljatransistoriga. Teise klassi moodustavad indutseerkanaliga väljatransistorid, millel tekib kanal alles seadise pingestamisel. Indutseerkanaliga väljatransistorid on rohkem levinud, kuna nende valmistamisel on tehnoloogilisi protsesse vähem.
Indutseerkanaliga väljatransistor on kujutatud joonisel 3.23. Indutseerkanaliga transistori saamiseks moodustatakse p-juhtivusega räni aluskristalli kaks kõrglegeeritud n+-piirkonda, kuid juhtivat n-kanalit nende vahele ei tehta. Kahe n+-piirkonna vaheline ränikristalli pind kaetakse oksiidikihiga, mis omakorda kaetakse õhukese alumiiniumikihiga, mis moodustab paisu.
Joonis 3.23. Indutseerkanaliga MOP-väljatransistori ehitus ja tingmärgid.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
30 Kõrglegeeritud lätte ja neelu osa vahel puudub juhtiv kanal. Kui n-kanaliga MOSFET-i paisu ja lätte vahele rakendada positiivne pinge, mis ületab lävipinged, rikastub siiretevaheline ala elektronidega. Paisu alla tekib n-juhtivusega pooljuht ehk n-kanal. Kirjeldatud protsess (nn rikastustalitlus) hakkab toimuma alates kindlast lävipingest UGS(th). Mida suurem positiivne pinge paisule rakendub, seda väiksemaks muutub transistori neelu ja lätte vaheline takistus. Pinget võib tõsta ainult teatud väärtuseni, et ei tekiks läbilööki paisu ja n-kanali vahel.
a) Formeeritava kanaliga MOP-struktuur b) Indutseeritava kanaliga MOP-struktuur
Joonis 3.24. Formeeritava (a) ja indutseeritava kanaliga (b) MOP- struktuurid [Pikkov].
Indutseeritava kanaliga transistori paisu juures on siin kujutatud eelpingestusele viitav sümbol '+' , kuivõrd erinevalt formeeritava kanaliga transistorist (" isejuhtiv ") on see transistoritüüp "isesulguv" ja tööks tuleb ta välise pingega avada.
Enamasti kasutatakse n-kanaliga MOP-transistore. MOP-transistoridel võib olla väljaviik B (ingl. k. bulk ) ehk kontakt aluskristalliga. Tavaliselt ühendatakse see toitepinge negatiivse pooluse külge. Juhul kui väljaviik B on korpustatud elemendist välja toodud, võib neelu ja lätet lugeda võrdseks (identseks). Tavaliselt ühendatakse aga kontakt B juba transistori korpuses lätte S külge, mistõttu tuleb lättel ja neelul vahet teha.
Joonis 3.25. Indutseeritava n-kanaliga MOP-väljatransistori ülekandetunnusjoon (a) ja väljundtunnusjooned (b) [3].
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
31 Väljatransistoride mõned põhiparameetrid:
· Sulgepinge UGS(off) on pinge, mille juures kanal sulgub peaaegu täielikult. · Lävipinge UGS(th) on pinge, millest alates hakkab MOP-transistori kanal avanema. · Tõusuks S nimetatakse neeluvoolu muutuse ja seda põhjustava paisupinge muutuse jagatist (mA/V).
Väljatransistoride oluline iseärasus on see, et maksimaalselt lubatavat paisupinget ei tohi ületada. Vastasel korral lööb liigpinge õhuke paisudielektriku kihi läbi ja transistor rikneb. Eriti ohtlikud on staatilised elektrilaengud , mis võivad transistori juba üksnes hetkelisel puudutamisel läbi lüüa. MOP-transistoride monteerimisel tuleb seetõttu hoolikalt täita staatiliste elektrilaengute ärahoidmiseks vajalikke tingimusi (ingl.k. ESD = electrostatic discharge 'elektrostaatilised laengud'), st tuleb läbi takistuse maandada nii iseennast kui ka töölaud, seadmed sellel ja jootekolb. Transpordiks kasutatakse ainult antistaatilisi kilekotte v. antistaatilisi karpe; väljatransistoride jalad pistetakse transpordi ajaks voolu juhtivasse vahtplasti. Mõningatel MOSFET-idel on paisu kaitseks sisseehitatud zenerdiood (stabilitron).
Pikkov lk 37
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
32 Pikkov lk 36
Väljatransistori sisendkarakteristikuks on neeluvoolu ID (kui väljundvoolu) sõltuvus paisu ja neelu vahelisest pingest UGS, mida võib nimetada tüürpingeks. Elektronseadise (väljatransistori, elektronlambi) väljundvoolu sõltuvust tüürpingest nimetatakse tõusuks ja seda tähistatakse tavaliselt tähega S.
Tabelis 3.4 on kujutatud erinevat tüüpi väljatransistoride struktuurid koos pingete ja voolude tähistustega ning väljatransistoride sisendkarakteristikud (-tunnusjooned). Selgitused tabeli 3.4. juurde on toodud tabelis 3.5.
Tunnusjoonte tõlgendamisel tuleb tähele panna miinusmärke p-kanaliga struktuuride pingete ja voolude juures, mis tähendavad seda, et neil joonistel on pinge/voolu suund märgitu suhtes tegelikult vastupidine (plussilt miinusele).
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
33 Tabel 3.4. Erinevat liiki väljatransistoride tingmärgid ja tunnusjooned [6].
Tabel 3.5. Selgitused tabeli 3.4 juurde.
n-kanaliga p-kanaliga Toitepinge polaarsus Toiteallika plusspoolus Toiteallika miinuspoolus ühendatakse transistori neeluga. ühendatakse transistori neeluga. Neeluvoolu Kokkuleppeline voolusuund Kokkuleppeline voolusuund kokkuleppeline suund kulgeb neelult lättele. kulgeb lättelt neelule. pn-siirdega FET Neeluvool on nullväärtusega Neeluvool on nullväärtusega (väljatransistor) tüürpingel väga suur ning seetõttu tüürpingel väga suur ning on vaja tööpunkti nihutada seetõttu on vaja tööpunkti sulgereziimi suunas. Selleks tuleb nihutada sulgereziimi suunas. paisule anda lätte suhtes Selleks tuleb paisule anda lätte negatiivne pinge. suhtes positiivne pinge. indutseeritava kanaliga Neeluvool nullväärtusega Neeluvool nullväärtusega (isesulguv) MOSFET tüürpinge juures puudub tüürpinge juures puudub (MOP-väljatransistor) (transistor on isesulguv). Selleks, (transistor on isesulguv). et transistor neeluvoolu jaoks Selleks, et transistor avada, on vaja paisule anda lätte neeluvoolu jaoks avada, on suhtes positiivne pinge. vaja paisule anda lätte suhtes negatiivne pinge. formeeritava kanaliga Neeluvool on nullväärtusega tüürpingel nii n-juhtivusega kui p- (isejuhtiv) MOSFET juhtivusega transistori korral mõõdukas ning transistor võib töötada (MOP-väljatransistor) ka ilma paisule lätte suhtes täiendavat pinget andmata. Sel juhul ühendatakse pais läbi takisti lättega. Soovi korral võib tööpunkti täpsustamiseks anda paisule anda lätte suhtes kas väikese negatiivse pinge või väikese positiivse pinge.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
34 3.5.3 Väljatransistoriga võimendusastmed Sarnaselt bipolaartransistoridega eristatakse ka väljatransistoridel kolme ühendusviisi: ühislätte (ÜL)-, ühisneelu (ÜN)- ja ühispaisu (ÜP) lülitust, olenevalt sellest, milline transistori kolmest väljastusest on ühendatud lülituse ühise juhtmega .
Joonis 3.26. Bipolaartransistoride ja väljatransistoride lülitusviiside omavaheline võrdlus [4].
Ühise lättega lülitus vastab bipolaartransistori ühise emitteriga lülitusele. Oluline erinevus seisneb selles, et paisusiire töötab tõkkesuunas ning sisendtakistus on seetõttu väga suur. Ühise neeluga lülitus vastab bipolaartransistori ühise kollektoriga lülitusele ning ühise paisuga lülitus ühise baasiga lülitusele.
Joonis 3.27. MOP-transistoriga võimendusaste ühise lättega (a) ja ühise neeluga lülituses(b). Skeemil (b) toitejuhtmete A ja B vahele ühendatud kondensaator tagab transistori neelu maandamise vahelduvpinge jaoks [4].
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
35 3.6. Türistorid 3.6.1 Lihttüristor (üheoperatsiooniline türistor) Lihttüristor (üheoperatsiooniline türistor e. trioodtüristor) on kolme pn-siirdega neljakihiline pooljuhtseadis, mis anoodi A ja katoodi K vahelise päripinge olemasolul pärast tüürelektroodile (juhtelektroodile) G antud tüürvoolu impulssi juhib voolu anoodilt katoodile (joonised 3.28 ja 3.29).
Trioodtüristori on võimalik esitada kahe komplementaarse struktuuriga bipolaar- transistori omavahelise ühendusena (joonis 3.28):
Joonis 3.28. Türistori struktuuri jaotus kaheks bipolaartransistoriks [4].
Türistori aluseks on ränikristallist plaat või ketas , millel asetsevad vaheldumisi p- ja n- juhtivusega kihid . Anood- ja katoodväljastus on võetud välimistelt pooljuhikihidelt. Trioodtüristori struktuur ja tingmärk on toodud joonisel 3.29.
Joonis 3.29. Türistori struktuur ja tingmärk [2].
Türistori tööpõhimõtet illustreerival skeemil joonis 3.29 on näidatud reguleeritava pingega anoodtoiteallikas UA, anoodvoolu piirav koormustakisti Rk ja reostaat RG. Restaadiga saab reguleerida tüürvoolu, mida võetakse teisest toiteallikast UG.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
36 Juhul kui lüliti S on avatud (IG = 0), on päripingestatud türistori äärmised siirded 1 ja 3 samuti päripingestatud, keskmine siire 2 aga vastupingestatud.
Madalatel anoodpingetel on türistori läbiv vool väike (mA...mA) ja see kujuneb põhiliselt vähemuslaengukandjate liikumisest läbi vastupingestatud siirde 2. Anoodpinge teatud väärtusest alates suureneb anoodvool järsult, sest vastupingestatud siirde takistus väheneb laviinläbilöögi tõttu nullini. Seda pinget nimetatakse blokeerpingeks UB0 . Blokeerpingel türistor avaneb .
Blokeerpinge UB0 vähendamiseks tuleb alandada vastupingestatud siirde potentsiaalibarjääri. Selleks ühendatakse tüürelektroodiga sõltumatu toiteallikas pingega UG = (0,3...10) V. Lüliti S sulgemisel tekib tüürahelas tüürvool IG, mida saab muuta reostaadi RG abil. Tüürvoolu suurendamisel blokeerpinge UB0 väheneb ja hakkab lähenema kanalipingele (ca. 1 V). Tüürvoolu muutmisega on sisselülituspinget (avanemispinget) võimalik muuta suurtes piirides.
Türistor jääb avatud olekusse ka pärast avava tüürvoolu impulsi lõppu ja sulgub alles siis, kui tema anoodvool muutub väiksemaks hoidevoolust IH.
Kui türistor on vastupingestatud, s.t. UAK Türistori pinge-voolu tunnusjoon IA = f (UAK) on kujutatud joonisel 3.30.
Joonis 3.30. Türistori pinge-voolu tunnusjoon.
Lihttüristore e. harilikke trioodtüristore (SCR - Silicon Controlled Rectifier ) kasutatakse muundurites , kus väljalülitamine toimub vahelduvpinge mõjul, nagu võrguga sünkroniseeritud tüüritavad alaldid , vaheldid ja lihtsad vahelduvpinge- regulaatorid . Lihttüristore kasutatakse ka akulaadijates, keevitusagregaatides, asünkroonmootorite sujuvkäivitites, kontaktivabades käivitites jt seadmetes .
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
37 Lihttüristoride kasutamisel alalisvooluahelates tuleb nende sulgemiseks kasutada sulgeahelaid (sundkommutatsiooniahelaid).
Joonis 3.31. Lihttüristori sulgahela skeem [2].
Joonisel kujutatud lihtne sulgeahel töötab järgmiselt. Põhitüristori T1 avatud (voolu- juhtivas) olekus voolab vool läbi koormuse RL. Kondensaator C laadub läbi takisti R ja pinge UC tõuseb praktiliselt toitepingeni.
Põhitüristori T1 sulgemiseks avatakse abitüristor T2. Selle tulemusel ühendatakse kondensaator C negatiivse potentsiaaliga juhtmega. Et kondensaatori pinge UC ei saa hetkeliselt nulliks muutuda, siis muutub pinge türistori T1 anoodil katoodi suhtes negatiivseks. Kui pinge türistoril T1 on negatiivne, siis ei saa ta voolu juhtida ja ta sulgub. Koormusvool kommuteerub ümber kondensaatorile ning kondensaator laadub läbi koormuse ja türistori T2. Pinge türistori anoodil muutub sellega uuesti positiivseks, ent selleks kulunud ajaga peavad türistori sulgeomadused jõudma taastuda . Koormusvool kahaneb nüüd nullini.
Takisti R väärtus peab olema valitud selline, et türistori T2 vool jääks lõppolekus hoidevoolust IH väiksemaks, mis tagab ka T2 sulgumise. Antud skeemiga sulgeahela puuduseks on see, et türistori avatud oleku kestust ei saa perioodi jooksul suures ulatuses muuta, kuna kondensaator peab põhitüristori avatud oleku jooksul laaduma läbi suure takistuse R.
Türistori avamiseks tuleb tüürelektroodile anda katoodi suhtes positiivse pingega tüürvoolu impulss . Tüürvool ja pinge peavad ületama minimaalseid türistori avamiseks vajalikke väärtusi, mis vastavad madalaimale töötemperatuurile. Ühtlasi peab tüürimpulsi vool kasvama piisavalt kiiresti (ca 1 A/s), et türistor avaneks kiiresti ja täielikult.
Sõltuvalt muunduri skeemist antakse türistorile kas üks või mitu lühikest tüürimpulssi. Tüürimpulsi kestus on olenevalt türistori liigist ca 5 - 20 s. Lühema kestusega tüürimpulsi korral võib kasutada suuremaid tüürvoolu väärtusi. Tüürimpulss võib olla kas ristkülikukujuline või forsseeritud esifrondiga ristkülikukujuline, (vt. joonis 3.32) mis tagab türistori kiirema sisselülitumise ja väiksema tüürimisvõimsuse.
Tüürimpulsid moodustatakse juhtseadmes. Tüürimpulsside vastava kuju formeerib aga samuti ka võimendab tüürimpulsse tüürlüli. Levinumaks tüürlüliks on impulsstrafoga tüürlüli, mis muudab ristkülikimpulsid forsseeritud esifrondiga impulssideks (joonis 3.32).
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
38 Joonis 3.32. Türistoride tüürimpulsside kujud [2].
3.6.2 Dioodtüristor Türistori eriliigiks on dioodtüristor e. dinistor e. neljakihiline diood. Dioodtüristor on kahe elektroodiga neljakihiline pnpn-struktuuriga seadis. Ta erineb tavalisest ehk trioodtüristorist selle poolest, et tal puudub tüürelektrood ning seetõttu avaneb ta ühel konkreetsel pingel, mida muuta pole võimalik. Dioodtüristori pinge-voolu tunnusjoon vastab trioodtüristori tunnusjoonele tingimusel, kui IG = 0. Dioodtüristoride osa toodetavate türistoride seas on suhteliselt väike.
Dioodtüristori edasiarendus on sümmeetriline e. kahepolaarne dinistor e. diiak (ingl.k. diac - diode alternating current switch ), mille omadused ei sõltu temale rakendatud pinge polaarsusest. Nende tunnusjoon sarnaneb joon. 3.33 c kujutatud tunnusjoonega ning nende põhiline rakendusala on sümmeetriliste türistoride e. sümistoride tüürimine.
3.6.3 Sümistor e. sümmeetriline türistor Sümistori e. sümmeetrilise türistori e. triiaki (ingl.k. triac ­ triode alternating current switch) ekvivalendiks on kaks vasturööpselt lülitatud türistori, milledel on ühine tüürelektrood. Sümistor on toimelt võrdväärne kahe vasturööpselt ühendatud diood- või trioodtüristoriga. Seega toimub türistori ümberlülitumine mõlemasuunalise pinge korral. Sümistorid sobivad hästi kasutamiseks vahelduvpingeregulaatorites.
Kahe türistori vasturööpse ühenduse realiseerimisel ühes seadises kujuneb nelja siirdega npnpn - (või pnpnp-) struktuur, kusjuures keskmised kihid p1, n2, p2 (joonis 3.33) on mõlemale türistorile ühised. Sümistori struktuuri, tingmärki ja pinge-voolu tunnusjoont näeme järgneval joonisel.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
39 Joonis 3.33. Sümistori struktuur (a), tingmärk (b) ja pinge-voolu tunnusjoon (c) [2].
Tüürelektroodi võib formeerida kristalli nii, et sümistor avaneb kas ainult negatiivse või ainult positiivse tüürimpulsi mõjul, või ka selle ükskõik kumma polaarsuse korral. Viimasel juhul peab tüürelektroodil olema vahetu kontakt nii p1 piirkonnaga kui ka lisaks moodustatud n+ piirkonnaga.
Sümistori anoodiks nimetatakse leppeliselt seda põhielektroodi, mis on ühendatud tema metallkestaga ning põhielektroode tähistatakse ka numbritega 1 ja 2.
3.6.4 Suletav türistor Suletav ehk kaheoperatsiooniline GTO-türistor (Gate Turn Off) lülitub sisse täpselt samuti nagu üheoperatsiooniline türistor, s. t. tüürelektroodile antakse lühike katoodi suhtes positiivse pingega tüürvoolu impulss. Suletava türistori sulgemiseks antakse tüürlülitusse katoodi suhtes negatiivse pingega võimas tüürvoolu impulss. Suletavate türistoride pooljuhtstruktuur on keerukam kui üheoperatsioonilisel türistoril. Kaasaegsetes vaheldites kasutatakse suletavaid türistore üha rohkem (näiteks elektriajamite toiteks). GTO-türistorid on tunduvalt kiiremad üheoperatsioonilistest türistoridest ja neid kasutatakse sagedusteni kuni 500 Hz.
3.6.5 Türistoride kasutamine jõuelektroonikas Toodetakse mitut liiki üheoperatsioonilisi jõutüristore, mis on mõeldud kasutamiseks erinevates muundurites.
Alaldustüristorid on mõeldud kasutamiseks tööstussagedusel (50 Hz) võrguga sünkroniseeritud loomuliku kommutatsiooniga muundurites. Põhinõudeks alaldustüristoridele on madal päripingelang (1,5 ... 3 V) ja suur lubatud vastupinge ning pärivool. Alaldustüristore on saadaval mitme kiloampristele vooludele ja pingetele mitmeid kilovolte. Alaldustüristore võib vajaliku vastupinge või voolu saamiseks ühendada kas jadamisi või rööbiti.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
40 Alaldustüristoride alaliigiks on laviintüristorid, mille siirded on sellise ehitusega, et suure energiaga liigpingeimpulsid (teatud piirini), pole neile ohtlikud. Alaldustüristoride väljalülitumisaeg tq on suhteliselt pikk: tq >500 ms.
Inverteritüristorid sobivad kasutamiseks sundkommutatsiooniga muundurites Inverteritüristoride väljalülitumisaeg tq = 150 ... 500 ms.
Kiired türistorid ( Fast Thyristors) sobivad kasutamiseks vaheldites ja kõrgete sagedustega ahelates, kuna neil on lühike sulgumisaeg (kuni 100 ms). Siia kuuluvad eriti kiire toimega GaAs türistorid, millede voolud on tänapäeval kuni 200 A ja pinged kuni 300 V. Nende lubatavad voolud ja pinged on mõnevõrra väiksemad kui räni- alaldustüristoridel (mõnisada amprit ja mõnisada volti).
Valgusega tüüritavad türistorid LTT ( Light Triggered Thyristor) lülituvad sisse valgusimpulsi mõjul, mis juhitakse türistori valgustundlikku alasse kiudoptilise valgusjuhiga. Fototüristorid lülituvad sisse türistori siseneva kiudoptilisse valgusjuhti sisestatud valgusimpulsi mõjul. Optrontüristorid sisaldavad valgusdioodi ja nad lülituvad sisse siis, kui tüürvool läbib valgusdioodi. Valgusega tüüritavad türistorid sobivad hästi kõrgepingelistesse rakendustesse.
Vaatleme järgnevalt türistoride käsitlust M.Pikkovi konspektis.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
41 Pikkov lk 38 Neljakihilise struktuuri kuhutamine kahe transistorina aitab mõista türistori (sealhulgas dioodtüristori) tööpõhimõtet.
Kahest transistorist koosnevale struktuurile pinge rakendamisel on algselt mõlemad transistorid suletud, kuna kummagi transistori emittersiirdel puudub siiret avav vool.
Transistore läbivad siiski väga nõrgad vastuvoolud. Kummagi transistori vastuvool on sealjuures teise transistori baasivooluks. Anoodi ja katoodi vahelise pinge tõstmisel transistoride vastuvoolud samuti kasvavad, kuni ühe Türistoride tingmärgid vasakult paremale: dioodtüristor, trioodtüristor, jaoks transistoridest on suletav türistor, fototüristor, sümistor. baasivool piisav transistori viimiseks aktiivreziimi piirile. Edasi järgneb tänu mõlema transistori vahelisele positiivsele tagasisidele transistoride avanemise laviinilaadne protsess.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
42 Pikkov lk 39 Sisuliselt justnagu kahest transistorist koosnevale struktuurile pinge rakendamisel on algselt mõlemad transistorid suletud, kuna kummagi transistori emittersiirde jaoks puudub siiret avav vool.
Analoogiliselt dioodtüristorile pinge tõstmisel vastuvoolud vähehaaval kasvavad, kuni ühe jaoks transistoridest on baasivool piisav transistori viimiseks aktiivreziimi piirile.
Kui anda ühe transistori baasile seda avav impulss, siis toimub mõlema transistori avanemine juba enne anoodi ja katoodi vahelise pinge jõudmist avanemispingeni (tunnusjoonel selle roheline ja sinine osa). Harilikku trioodtüristori saab tüürelektroodi kaudu üksnes sisse lülitada, välja lülitada aga mitte. Väljalülitumine toimub alalispinge korral anoodi ja katoodi vahelise pinge mahavõtmisega mingi välise ahela poolt (vt joon. 3.31), vahelduvpinge korral aga iga kord kui positiivne poolperiood lõpeb.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
43 Pikkov lk 40 Vahelduvpinge regulaatoris avaneb türistor tüürskeemilt saadud tüürimpulsi mõjul ning sulgub ise siis, kui temale rakendatud vahelduvpinge hetkväärtus langeb poolperioodi lõpul allapoole türistori hoidepinget.
Vahelduvpinge efektiivväärtuse reguleerimine toimub kas osa poolperioodi "väljalõikamisega", nagu kõrvalolevalt graafikult näha, või teatud arvu poolperioodide vahelejätmisega. Viimane meetod annab madalama häirenivoo, sest lülitusprotsess toimub lähedal pinge ja voolu nullväärtustele.
Tavaline (ebasümmeetriline) türistor laseb läbi üksnes vahelduvpinge üht perioodi (teise jaoks on vajalik teine türistor). Sümistor kui kahepolaarne seadis töötab mõlema poolperioodiga.
Joonis 3.34. Trioodtüristoriga ja RC-faasinihkeahelaga vahelduvpinge poolperiood- regulaator [7].
Potentsiomeetri reguleerimine muudab nii kondensaatorile langeva positiivse poolperioodi faasinurka kui amplituudi, millega saavutatakse türistori avanemispunkti nihe vahemikus 0°...160°, võimaldades äärmises asendis peaaegu terve positiivse poolperioodi mahasurumist.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
44 Pikkov lk 41
Sümmeetriline türistor toimib sisuliselt kahe vastuparalleellülituses türistorina (vrdl. pingekõveraid eelmisel ja käesoleval leheküljel).
Suletav türistor võib omada ka kaht tüürelektroodi, siis nimetatakse teda ka türistortetroodiks. Tüürimine on sel juhul võimalik mõlema tüürelektroodi kaudu.
Väljalülitusvool Itü on siin küllaltki suur (1/5...1/3 anoodvoolust).
Joonis 3.35. RC-faasinihkeahelaga ja kahe trioodtüristoriga (a) või sümistoriga (b) vahelduvpinge täisperioodregulaator [7].
Mõlemad skeemid on sisuliselt joonisel 3.34 toodud poolperioodregulaatori edasiarendused. Joonisel (b) ei ole poolperioode eraldavad dioodid D1 ja D2 enam vajalikud, kuna lülituselement ise on sümmeetriline. Harilikku dioodtüristori asendab siin sümmeetriline dioodtüristor e. diiak. Filter LC2 vähendab türistoride poolt tekitatavate häirete (kõrgemate harmooniliste ) kandumist elektrivõrku.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
45 Kasulik on meelde jätta: - Alaldava pn-siirde tekkimise tingimus - Bipolaartransistoride tööpõhimõte - Liittransistor e. Darlington´i lülitus - Formeerkanaliga MOP-väljatransistor - Indutseerkanaliga MOP-väljatransistor - Pooljuhtdioodid - Stabilitron ja stabistor, nendega pinge stabiliseerimise skeem - Türistor (struktuur, pinge-voolu karakteristikud) - Väljatransistoride liigitus koos tingmärkidega
Kasutatud kirjandus ja muud allikad
1. Bauelemente (Elektronik 2). Kaus Beuth . 19., überarbeitete und erweiterte Auflage. Vogel Buchverlag, Würzburg 2010.
2. Elektroonika ja jõupooljuhttehnika. Koost . R. Jansikene ja J. Joller . TTÜ elektriajamite ja jõuelektroonika instituut, Tallinn 2003 [ http://www.ene.ttu.ee/elektriajamid/oppeinfo/?ainekood=AAR3320&materjalid = 29].
3. Elektroonika komponendid. Loengukonspekt. Argo Kasemaa. TTÜ Kuressaare Kolledz, Kuressaare 2003.
4. Elementare Elektronik mit Grundlagen der Elektrotechnik. Klaus Beuth, Olaf Beuth. 7., überarbeitete Auflage. Vogel Buchverlag, Würzburg 2003.
5. Grundlagen der Elektronik (Die Meisterprüfung in der Elektrotechnik). Karl- Wilhelm Dugge, Andreas Eißner. 7., korrigierte Auflage. Vogel Buchverlag, Würzburg 2002.
6. Grundlagen der Elektronik. Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen. Stefan Goßner. 7. ergänzte Auflage. Shaker Verlag 2008 [ http://prof - gossner.eu/pdf/Gesamttext.pdf].
7. Grundschaltungen (Elektronik 3). Klaus Beuth, Wolfgang Schmusch. 16., überarbeitete Auflage. Vogel Buchverlag, Würzburg 2007.
8. Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik. Helmut Lindner, Harry Brauer, Constans Lehmann. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München 2008.
9. Wikipedia
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised
46