Otazky BESO aktuální!!!!

Témata k přípravě na zkoušku z předmětu Elektronické součástky
(Letní semestr 2008/09)
1) V polovodiči (Si) typu N je zadána koncentrace donorů ND, např. ND =1014 cm-3 a intrinzická koncentrace za dané teploty např. pro křemík (Si) je ni=1010 cm-3pro T=300 Ka) Určete přibližně koncentraci elektronů n a děr p za předpokladu, že všechny donory jsou ionizovány. (n(ND+=ND, np=ni2)
b) Napište podmínku elektrické neutrality pro daný polovodič. Po dosazení vypočtených číselných hodnot fyzikálně zdůvodněte přípustnost zjednodušení v bodě a). ( n=ND++p, p(( n)
n(ND+=ND=1014 cm-3
np=ni2
p= ni2/n = 1020 / 104 = 10^6 cm-3
2) V polovodiči (Si) typu P je zadána koncentrace akceptorů NA, např. NA =2.1014 cm-3 a intrinzická koncentrace za dané teploty např. pro křemík (Si) je ni=1010 cm-3 pro T=300 K.a) Určete přibližně koncentraci elektronů n a děr p za předpokladu, že všechny akceptory jsou ionizovány. (p(NA–=NA, np=ni2)
b) Napište podmínku elektrické neutrality pro daný polovodič. Po dosazení vypočtených číselných hodnot fyzikálně zdůvodněte přípustnost zjednodušení v bodě a) ( p=NA–+n, n(( p)
a.) p(NA–=NA= 2.1014 cm-3
np=ni2
n= ni2/p = 1020 / 2*1014 = 5*10^5 cm-3
3) Co vyjadřuje Fermiho hladina a jak charakterizuje typ polovodiče. Nakreslete energetické pásové schéma polovodiče typu N a P včetně polohy Fermiho hladiny.
(Pro T=0 K nejvyšší hladina, která může být obsazena elektronem, pro T(0 K, pravděpodobnost obsazení elektronem ˝. Poloha vzhledem ke středu zakázaného pásu charakterizuje typ polovodiče (horní polovina N, dolní P) a s rostoucí vzdáleností od středu roste poměr majoritních a minoritních nosičů)
Ef - Fermiho hladina | Ec - Vodivostní pás | Ev - Valenční pás
4) Existují přechody PN shodně dotované a se shodnou geometrií, vyrobené z polovodičových materiálů Si, Ge a GaAs. Nakreslete příklad přibližných průběhů jejich AV charakteristik včetně možných hodnot napětí a proudů na osách a na základě nich porovnejte:
a) jejich prahová napětí, případně difúzní napětí UD.
b) hodnoty jejich nasycených proudů Is.
Co je příčinou rozdílných hodnot?
(Difúzní napětí a nasycený proud závisí při shodné dotaci na šířce zakázaného pásu. Největší je u GaAs, menší u Si a nejmenší u Ge. Difúzní napětí je úměrné šířce zakázaného pásu a určuje výšku potenciálové bariéry, kterou je třeba snížit napětím v přímém směru. Nasycený proud tvoří minoritní nosiče, jejich koncentrace je za dané teploty nepřímo úměrná šířce zakázaného pásu.)
5) Jak závisí diferenciální odpor přechodu PN (polovodičové diody), zapojeném v přímém (propustném) směru na proudu. Porovnejte diferenciální odporu dvou shodně dotovaných přechodů PN, vyráběných shodnou technologií, jednoho s plochou S a druhého s plochou dvojnásobnou, tj. 2S. Odvoďte z analytického vyjádření ampérvoltové charakteristiky a vysvětlete na jejím průběhu v grafickém vyjádření.
(Vztah pro ampérvoltovou charakteristiku je I=I0(expU/UT-1), kde je UT – teplotní napětí.) Diferenciální odpor určíme vztahem Rd=dU/dI. Strmost AV charakteristiky 1/Rd= dI/dU roste s rostoucím I. Pro dva přechody s rozdílnou plochou je napětí, které přechod PN otevírá prakticky shodné, proud je ale dvojnásobný u přechodu PN s dvojnásobnou plochou)
6) Nakreslete očekávaný průběh ampérvoltové charakteristiky stabilizační diody pro napětí stabilizace UZ = 10 V  a UZ = 3 V  pro teploty 20 (C a 80 (C a vymezte oblast využití pro stabilizaci. Uveďte, jaký průraz vzniká v uvedených případech.
(Rozdílný mechanismus průrazu – Zenerův a lavinový způsobuje rozdílné teplotní závislosti.)
7) Navrhněte hodnotu rezistoru Rs pro nakreslený stabilizátor pro napájecí napětí U0=15 V, se zatěžovacím rezistorem RL=200 ( na němž požadujeme napětí 10 V. Byla zvolena stabilizační dioda s Uz=10 V při proudu Iz=50 mA. Tento proud budeme uvažovat jako doporučený vzhledem k tomu, že je uprostřed rozsahu 0 mA a maximálním přípustným proudem Izmax=100 mA.
(Proud stabilizační diodou známe. Známe napětí na rezistoru RL, můžeme vypočítat proud tímto rezistorem i celkový proud paralelní kombinací dioda, rezistor. Rozdílové napětí zdroje a napětí na výstupu musí být úbytek na rezistoru RS.)
Uz = URL = 10V
IRL = 10/200 = 50mA
I = IRL + IZ= 50+50 = 100mA
URS = U0 - Uz = 5V
Rs = Urs / I = 5 / 100*10-3 = 50Ω

8) Ve shodné úloze jako v bodě 7 nakreslete přibližný průběh AV charakteristiky stabilizační diody pro UZ=10 V a na ní pracovní bod P(Uz=10 V, Iz=50 mA). Vyřešte graficky zadaný obvod a určete, jak se změní napětí na RL při změně napětí U0 o (1 V.
(Zakreslete AV charakteristiku zatěžovacího rezistoru RL. AV charakteristiku paralelní kombinace stabilizační diody a zatěžovacího rezistoru určíme sečtením odpovídajících proudů při zvolených hodnotách napětí. Napětí je na obou prvcích shodné. Rezistor Rs zakreslíme na základě vztahu U0=IRs+U, kde I=IZ+IRL. Průsečíky s osami:pro I=0 je, U=U0, pro U=0 je I=U0/Rs nebo lépe pro U=UZ je I = IZ+IRL. Změnu napětí na RL zjistíme zakreslením přímky rezistoru Rs pro napětí U0 (1 V)
9) Nakreslete závislost bariérové kapacity přechodu PN na napětí. Uveďte na jakých parametrech přechodu PN závisí velikost kapacity a jakým mechanismem se mění kapacita při změně napětí ve zpětném směru.
(Velikost bariérové kapacity závisí na šířce depletiční vrstvy - oblasti prostorového náboje a ta závisí na struktuře přechodu PN, koncentraci příměsí a přiloženém napětí. Proč a jak?)
10) Vysvětlete pojem zotavovací doba polovodičové diody a porovnejte zotavovací doby diody s přechodem PN a diody s přechodem kov-polovodič typu N (MS) při stejných plochách přechodů.
(Zotavení diody se projevuje při přepnutí diody s přímého směru do zpětného směru, kdy jsou odčerpávány minoritní nosiče z oblastí P a N. U diody MS jsou injektovány elektrony do kovu, odtékají do hloubky kovu ke kontaktu a nemohou být při přepnutí odčerpány zpět do polovodiče. Zotavovací doba je tak zanedbatelně malá.)
Doba za kterou při změně polarity přiloženého napětí protéká přechodem v závěrném směru proud.
Přechod polovodič kov má tuto dobu velice malou, z toho důvodu se používá pro vysoké frekvence, kde se přechod PN z důvodu zotavovací doby nedá použít.
11) Nakreslete strukturu bipolárního tranzistoru NPN a PNP a odpovídající schematické značky. a) Uveďte podmínky vzniku tranzistorového jevu. b) Připojte odpovídající napětí k přechodům PN pro aktivní režim funkce tranzistoru.
(Nesymetrie emitorového přechodu a odpovídající šířka báze jsou požadavkem, určujícím proudové zesílení. V aktivním režimu musí být emitorový přechod zapojen v přímém a kolektorový ve zpětném směru.)
12) Nakreslete bipolární tranzistor v zapojení se společným emitorem včetně zatěžovacího rezistoru RC v kolektorovém obvodu. a) Nakreslete výstupní charakteristiky bipolárního tranzistoru v zapojení se společným editorem. b) Vymezte oblast aktivní, oblast saturace a oblast uzavření.
(V aktivní oblasti pracuje tranzistor jako zesilovač, v saturaci je ve stavu sepnutí, tj. je na něm minimální napětí, ve stavu uzavření je ve stavu rozepnutí, tj. protéká jím minimální proud. Z toho vyplývá vymezení oblastí. Ukažte na výstupních charakteristikách rozdíl mezi tranzistorem jako spínačem a ideálním spínačem. )
13) Uveďte jaká vlastnost přechodu PN se využívá u bipolárního tranzistoru a u tranzistoru unipolárního tj. řízeného elektrickým polem s hradlem odděleným přechodem PN, označovaným jako JFET.
(U tranzistoru bipolárního se využívá 1) injekční schopnost nesymetrického přechodu PN při zapojení v přímém (propustném) směru, tj. schopnost injektovat nosiče prakticky v jednom směru – z emitoru do báze, 2) extrakční schopnost kolektorového přechodu při zapojení ve zpětném (závěrném) směru tj. schopnost odčerpávat minoritní nosiče z báze tranzistoru. U tranzistoru JFET se využívá modulace šířky oblasti prostorového náboje, tzv. depletiční oblasti (prakticky vyprázdněné od volných nosičů) a následné modulace šířky vodivého kanálu.)
13) Nakreslete bipolární tranzistor v zapojení se společným emitorem včetně zatěžovacího rezistoru RC a zdroje napětí U0 v  kolektorovém obvodu. a) Nakreslete výstupní charakteristiky. b) Zakreslete libovolně zatěžovací přímku rezistoru RC a vymezte oblast práce tranzistoru jako zesilovače a spínače.
(Pro zatěžovací přímku platí vztah: U0=IcRc+UCE, kde UB0 je napětí zdroje a UCE napětí na kolektrou. Zatěžovací přímku určujeme ze dvou průsečíků s osami proudu a napětí, tj pro IC=0 a UCE=0)
14) Definujte proudový zesilovací činitel v zapojení se společným emitorem a) střídavý (diferenciální) h21e, b) stejnosměrný h21E. Uveďte, ve které etapě návrhu zesilovače se využívají, vysvětlete, proč se jejich číselné hodnoty výrazně neliší.
(Proudový zesilovací činitel je definován poměrem výstupního a vstupního proudu při konstantním výstupním napětí, tj. UCE=konst. V případě h21e se jedná o poměr malých změn, tj. poměr přírůstků přesně vyjádřených derivací, v případě h21E se jedná o poměr stejnosměrných hodnot proudů. Stejnosměrný proudový zesilovací činitel se využívá při určení pracovního bodu, střídavý při určení zesílení. Jejich nepříliš rozdílné hodnoty vyplývají z lineární závislosti výstupního a vstupního proudu IC=f(IB) .)
15) Nakreslete kmitočtovou závislost proudového zesilovacího činitele h21e = (. a) Definujte mezní kmitočet fh21e=f( . b) Definujte tranzitní kmitočet fT.
(Uvažte, co způsobí zmenšení zesílení tranzistoru a tím i zesilovacího činitele a při jakých kmitočtech, nízkých nebo vysokých, tento vliv působí. Tranzitní kmitočet zahrnuje charakteristiku tranzistoru nejen z hlediska hodnoty proudového zesilovacího činitele.)
16) Porovnejte hodnoty proudového zesílení AI a napěťového zesílení AU zesilovače s bipolárním tranzistorem vzhledem k hodnotě 1 (jedna). a) pro zapojení se společnou bází (SB), b) pro společným editorem (SE) c) pro společným kolektorem (SC). Použijte symboly ( nebo (.
(Zapojení SE umožňuje jak proudové tak napěťové zesílení a je nejčastěji využívaným zapojením. U zapojení SB porovnejte vstupní a výstupní proud, u zapojení SC vstupní a výstupní napětí. Ze srovnání vyplyne, že druhé, svázané veličiny, tj. napětí u zapojení SB a proud u zapojení SC musí být na výstupu větší než na vstupu, jinak by nedošlo k zesílení.)
17) Nakreslete strukturu tranzistoru PNP v zapojení SB a k němu odpovídající zjednodušený Ebersův–Mollův model (s jedním proudovým zdrojem). K jednotlivým prvkům modelu uveďte, co představují v tranzistorové struktuře. Jak tento model usnadní pochopení průběhů vstupních a výstupních charakteristik tranzistoru?
(Diody představují přechody PN v tranzistoru, proudový zdroj mechanismus zesílení. Při zapojení v aktivním režimu je emitorový přechod v přímém (propustném) směru a kolektorový přechod ve zpětném (závěrném) směru Tomu odpovídá průběh charakteristik. Posun ve výstupních charakteristikách pro proudy emitoru je dán tím, že prakticky celý proud emitoru (se zanedbatelným úbytkem např. rekombinací v bázi) protéká kolektorem. V náhradním schématu je tato skutečnost vyjádřena zařazením proudového zdroje (IE=h21BIE)
18) Nakreslete zjednodušené náhradní schéma bipolárního tranzistoru pro malý signál, obsahující jen diferenciální odpor emitorového přechodu re a proudový zdroj h21bIe nebo h21eIb, vyjadřující proudové zesílení pro zapojení SB a SE. Pomocí těchto náhradních zapojení vysvětlete rozdíl mezi vstupním odporem v zapojení SB a SE.
(Diferenciální odpor je definován jako poměr změny vstupního napětí a vstupního proudu. V případě zapojení SB je Rvst(SB)=(UEB/(IE=(Iere/(Ie=re. V případě zapojení SE je vstupní odpor Rvst(SE)= (UBE/(Ib=((Ib+(Ic)re/ (Ib=((Ib+h21e(Ib)re/ (Ib(h21ere. Vstupní odpor v zapojení SE je tedy h21ekrát větší než vstupní odpor v zapojení SB.)
19) Zapište rovnice pro čtyřpólové hybridní parametry (h-parametry). Na základě nich definujte a pojmenujte parametry h11, h21,h22. Napětí a proudy označte: vstupní u1, i1, výstupní u2, i2.
(Pro malé hodnoty zesilovaných s