Vypracované otázky

.2.
4. Dva tranzistory se stejnými geometrickými rozměry jsou určeny pro různou oblast použití. T1 je běžný křemíkový tranzistor, T2 je velmi rychlý spínací tranzistor. Který z tranzistorů bude mít obvykle větší proudový zesilovací činitel. Zdůvodněte.
U spínacích tranzistorů se zrychlení rozepnutí dosahuje pomocí rekombinace nadbytečných nosičů – především v  oblasti báze (příměsi, které se projevují jako rekombinační centra). Nosiče, které rekombinují v bázi, nemohou být odsáty kolektorovým přechodem - IC bude u spínacích tranzistorů při stejné velikosti I E popř. IB menší. Proudový zesilovací činitel bude tedy větší u běžného tranzistoru.
5. Je průrazné napětí bipolárního tranzistoru v závěrném režimu v zapojení SE závislé na obvodovém zapojení tranzistoru? Jestliže ano uveďte jak a zdůvodněte.
Ano. Zbytkový prou d přechodu CB (ICB0) může protékat bází do emitoru- zvětší se potenciál přechodu BE, zvětší se proud přechodu BE (emise) a následně se zvětší proud kolektoru. Při větším proudu kolektoru se zvýší pravděpodobnost lavinového průrazu přechodu CB. Pro dosažení velkého závěrného napětí je tedy třeba potlačit vliv zbytkového proudu přechodu CB: a) pomocí odporu R  100 mezi B a E. b) zkratováním přechodu BE - např. vinutím budícícho transformátoru. c) přivedením záporného (NPN tranzistor) napětí na bázi.
Viz stripta str. 121 - 122.
10.Tyristor, triak, diak
1) Nakreslete strukturu tyristoru a její náhradní schéma.
2) Jakými způsoby je možné převést tyristor z blokujícího do sepnutého stavu? Vysvětlete na náhradním schématu tyristoru.
3) Jakým způsobem je možné dosáhnout vypnutí tyristoru?
- Snížíme proud procházející tyristorem na hodnotu menší než je hodnota vratného proudu IH (na hodnotu blízkou nule).
-Na tyristor připojíme závěrné napětí
Lze tedy vypnutí docílit tím, že přerušíme pracovní obvod nebo ve druhém případě změnou polarity napětí připojeného na tyristor.
4) Nakreslete spínací charakteristiku tyristoru pro dvě různé teploty - T2  T1 .
5) Jak lze u tyristoru potlačit náchylnost k nežádoucímu sepnutí?
Zmenšení vlivu nežádoucích způsobů zapínání se u výkonových tyristorů dosahuje úpravou vrstvy N2 podle obr.Tato vrstva je na mnoha místech zkratována výběžky vrstvy P2 (které jsou vzájemně propojeny katodovým kontaktem),nazýváme je mikrosvody.
6) Vysvětlete princip regulace výkonu pomocí tyristoru a nakreslete principiální schéma zapojení. !!!! viz poznámky
7) a) Načrtněte strukturu triaku  b) Stručně vysvětlete jeho činnost.
a)
obr.1 obr.2
b) Triak je jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor.
Činnost pro obě polarity lze znázornit a vysvětlit obrázkem(obr2).
Odtud je zřejmé ,že vždy jeden krajní přechod PN je polarizován v závěrném směru.Kdežto
druhý krajní přechod je součástí čtyřvrstvé struktury a je zapojen v propustném směru.Je tedy
vidět ,že 5-vrstvá struktura může působit jak 4-vrstvá pro obojí polaritu přiloženého napětí.
Usměrňující jeden krajní přechod PN by byl však přitom nevýhodný, protože by na něm vznikal velký úbytek napětí ( byl by značně tepelné namáhán.Proto se oba krajní přechody vytvářejí tak ,aby jejich odpor v závěrném stavu byl minimální.Toho se dosahuje tím ,že se krajní přechody vytvoří jako zkratované přívodní elektrodou
8) Jakým způsobem je možné triak  sepnout?
Lze sepnout při kladné i záporné polaritě na A2, kladným i záporným proudem do G.
A2 kladná – uplatní se 2 paralelně zapojené tyristory. Při kladném proudu v G (sepne pomocný tyristor) má hradlo funkci báze tranzistoru způsobujícího sepnutí tyristoru, při záporném proudu v G se funkce A2 a G vymění.
A2 záporná – uplatní se tranzistor PNP mezi A1 a G – podle polarity proudu do G bude tyristor sepnutý v normálním nebo v inverzním režimu. V obou případech se P2 zaplaví nosiči, které proniknou do oblasti N1 a tím způsobí sepnutí tranzistoru PNP, který je součástí struktury hlavního tyristoru – řízení do vzdálené báze.
9) Jaká je typická oblast použití triaku?
Spínání střídavých obvodů celovlněně, střední výkony UAK max ~kV, IAK max ~kA, f max ~1000Hz ochrana při přepětí, řídící obvody tyristorů a triaků
10) a) Načrtněte strukturu diaku  b) Stručně vysvětlete jeho činnost.
a)Přivedeme-li na vstup napětí(bez ohledu na polaritu), pak jeden z přechodu bude v přímém a druhý závěrném směru. Jakmile však přiložené napětí dosáhne úrovně UBO, minoritní nosiče injektované z PN v přímém směru dosáhnou ochuzenou oblast přechodu PN v závěrném směru a vyvolají zde lavinové násobení nosičů. Prudce vzroste procházející proud a napětí klesne.
Jakým způsobem je možné diak  sepnout?
Optoelektronika
Vysvětlete princip fotodiody a načrtnete její AV charakteristiky.
Využívá ke své činnosti generaci párů elektron-díra v blízkosti přechodu PN. Obvodem fotodiody teče proud iD (proud za tmy) a fotoproud iL=SE. Kde S je citlivost a E je osvětlení (intenzita).
2) Vysvětlete princip diody LED.  Čím je ovlivněna vlnová délka emitovaného záření?
Funguje na principu elektroluminiscence. Využívá se zářivé rekombinace na PN přechodu. U Si a Ge málo pravděpodobná pouze při zavedení do luminiscenčních center a při nízkých teplotách. Spíše se používá polovodičů s tzv. přímou pásovou strukturou (GaAs). V oblasti viditelného záření musí být Eg > 1,8. Vzhledem k velkému Eg mají malé saturační proudy a proto i tedy velké napětí v propustném směru. Větší intenzita záření je v oblasti rekombinace elektronů. Nevýhody: široká spektrální oblast, poměrně malá intenzita záření.
3) V jakých režimech může pracovat fotodioda? Uveďte jejich výhody a nevýhody.       
-Fotorezistor: je lineární symetrický dvojpól, jehož odpor závisí na osvětlení.
-Fotodioda: využívá ke své činnosti párů elektron – díra v přechodu PN.Obvodem teče proud Id (proud tmy ) a fotoproud IL = SE, kde S je citlivost a E je intenzita osvětlení.Do obvodu může být zapojen 2 způsobem:
A) Je-li závěrném směru v sérii se zdrojem ss napětí a rezistorem Rl, posouvá se pracovní bod podle osvětlení po odporové přímce Rl a dioda se chová jako rezistor řízený osvětlením.Tento režim označujeme jako odporový, dioda se chová jako spotřebič.
B) v hradlovém režimu obr. 8.6 se dioda chová jako zdroj foto napětí. Podle velikosti Rl rozlišujeme tři zapojení a)Hradlový režim nakrátko
b)Naprázdno
c) Výkonově optimální (vyšrafovaná část)
Fototranzistor: je optoelektronicky detekční prvek, v němž je fotoproud vznikající generací nosičů náboje vlivem dopadajícího záření zesílen tranzistorovým jevem. Jde o bipolární tranzistor. Báze nebývá vedena. Pouzdro musí mít okénko, kterým prochází záření do báze v blízkosti emitorového přechodu.     
          
4) Jaké základní součásti musí mít každý laser ?
-Dvě zrcadla -přesně rovnoběžná, jedno je propustné přes něj vychází paprsek Laseru, druhé je nepropustné (Odráží) -Aktivní prostředí -jednotlivé svazky se potlačí nebo zvýrazní interferencí, z laseru vystupuje záření se sternou vlnovou délkou a fází (homogenní záření) -zdroj
5) Načrtněte uspořádání laserové diody a stručně uveďte podmínky pro její činnost.
6) Uveďte typické aplikace laserových diod.
Vysílače u optických vláken,
7) Jaký je rozdíl mezi fotometrickými a radiometrickými veličinami?
radio: veličiny udávají poměr výkonu k jiné veličině;
foto: systém jednotek mají jiný
Modely bipolárního tranzistoru
Základním parametrem tranzistoru je proudový zesilovací činitel , vyjadřující proudový přenos tranzistoru v zapojení se společnou bází:
                                                                                               
Proud kolektoru i emitoru vyjádříme pomocí elektronů a děr a zlomek ještě vynásobíme dvěma podíly, jejichž hodnota je 1. Například pro PNP tranzistor je potom:
Výsledek můžeme vyjádřit jako součin třech koeficientů, z nichž každý vyjadřuje určitý mechanizmus činnosti tranzistoru:
E    je injekční účinnost emitoru. Složka emitorového proudu IEn musí být co nejmenší. To je důvod proč  musí být koncentrace příměsí v emitoru mnohem větší než v bázi  (NAE >> NDB  pro PNP tranzistor).
T  je bázový přenosový (transportní) součinitel. Báze musí být co nejtenčí, plocha kolektoru co největší, rekombinace nosičů v bázi musí být co nejmenší a kontakt báze co nejdále od přechodu.
MC  je kolektorový multiplikační součinitel. Zvýšení kolektorového proudu by bylo možné i využitím lavinového jevu v kolektorovém přechodu. To však nelze prakticky využít - lavinové násobení  může vést k nestabilní činnosti tranzistoru.
Obdobně lze zavést proudový zesilovací činitel   z oblasti báze do oblasti kolektoru - pro zapojení se společným emitorem.:
                                                                                                           
Protože              ,  lze odvodit:                                                             
                      
a vynásobením a úpravou:                               
           
Poznámka:
1.Velikost proudového zesilovacího činitele je závislá na pracovním bodě tranzistoru.
2.V daném pracovním bodě se budou lišit proudové zesilovací činitele určené ze střídavých hodnot a stejnosměrných proudů, například: 
.  Rozdíl však obvykle není příliš velký a v řadě případů jej lze zanedbat.
Vliv ICB0 v zapojení SE
Závěrný proud kolektorového přechodu ICB0 má vliv na celkovou velikost kolektorového proudu. Při odpojené bázi protéká tento proud z báze do emitoru, zvýší se tak potenciál na přechodu BE a doje k injekci (difúzi) nosičů z emitoru. Celkový kolektorový proud je potom :
 ICE0 = (1 +  )ICB0    ICB0     
IC =   IB + (1 + )ICB0  =  IB + ICE0 
 IE = IC  + IB  = (1 + ) (IB + ICB0)  (1 + ) IB  + ICE0
U zesilovačů s křemíkovými  tranzistory lze tento mechanismus obvykle zanedbat. Má však významný vliv u rozepnutého tranzistorového spínače – průrazné napětí rozepnutého spínače s BT závisí na zapojení obvodu báze – viz přednášky.
Nelineární modely BT
Pomocí nelineárních modelů je možné vystihnout chování tranzistoru ve všech režimech – to znamená ve velkém rozmezí proudů a napětí. Je možné pracovat s libovolnou polaritou proudů a napětí.
Základní úvahy pro sestavení nelineárního modelu BT.
Kolektorový proud tranzistoru IC obsahuje dvě složky - proud minoritních nosičů vstříknutý emitorem do báze ICn = IEn  IE  (pro NPN tranzistor) a závěrný (zbytkový) proud kolektorového přechodu
iCp = ICBO  (NPN),  potom:
IC = IE + ICB0 .                                                                                        
Proud ICB0 nezávisí na proudu emitoru a při konstantní teplotě téměř nezávisí na napětí UCE.
Vyjádříme-li proud obou přechodů pomocí Shockleyho rovnice dostaneme:
                                            (1)
Kde N  je proudový zesilovací činitel v normálním režimu.
Tranzistor ovšem může být zapojen i v inverzním režimu, funkce obou přechodů se vymění a proudové zesílení potom bude výrazně menší:
                                            (2)
Kde I  je proudový zesilovací činitel v normálním režimu.
Napětí UBE , UBC se dosazují jako kladná v propustném směru příslušného přechodu, v závěrném směru jako záporná. Doplníme-li ještě rovnici pro proud báze:
            ,                                                                                      (3) tvoří rovnice     (1) (2) (3) matematický zápis modelu tranzistoru podle Eberse a Molla ( viz učební text, kap. 5.2.2.). Proudové zdroje vyjadřují činnost tranzistoru v normálním a inverzním režimu. Proudový přenos je vyjádřen pomocí N  a  I   a závěrný proud je určen saturačními proudy přechodů.
                                                       E-M model byl sestaven v počátcích tranzistorové techniky (1954) -  proto je pro zapojení se společnou bází a obvykle se i uvažuje tehdy více používaný PNP tranzistor. Největší nevýhodou je závislost proudového zesilovacího činitele na proudu kolektoru. E-M model proto pracuje spolehlivě pouze v určité oblasti proudů kolektoru. Z E-M modelu vychází řada zjednodušených modelů – viz učební text, nebo skriptum.
Vlastnosti Bipolárního tranzistoru mnohem lépe vystihuje model Gummel Poonův, který používáme v  počítačových programech pro modelování elektronických obvodů. G-P model je pro zapojení se společným emitorem (viz učební text, nebo skriptum).
Linearizované modely
Při zpracování malých signálů můžeme diody nahradit jejich diferenciálním odporem v daném pracovním bodě. Na tomto principu jsou založeny linearizované modely BT. Každý linearizovaný model (náhradní zapojení) je navržen pro určité pracovní podmínky a modeluje funkci tranzistoru v daném pracovním bodě. Pro jiný pracovní bod je nutné parametry modelu změnit. Z E-M modelu lze derivací IEN  podle UBE odvodit následující T-modely: 
    a   .
                             
Linearizované modely vycházející ze čtyřpólových parametrů
Tranzistor  je v tomto případě lze modelován jako dvojbran. Pro hybridní (smíšené) parametry platí
                                                                   (4)
                                                                   (5)
V prvním přiblížení lze parametry  h11 (vstupní odpor) a    h22  (výstupní vodivost) určit z pracovního bodu. Například  pro zapojení se společným emitorem:             
h11e  =  rB   =    UT /IB         a             h22e  =  1/rC = IC /(UE + UCE) ,    kde UE je Earlyho napětí.
Parametr  h21e =  .  Parametr  h12e (zpětný napěťový přenos) je nutné odečíst z katalogu, nebo změřit.
Pro admitanční parametry platí
                                                    (6)
                                                                 (7)
Parametry  y11   (vstupní vodivost),   y22 (výstupní vodivost)    a  y21  (strmost převodní charakteristiky)
lze opět odhadnout z pracovního bodu. Například pro zapojení se společným emitorem:
y11e =  1/ h11e = 1/ rB  =  IB/UT                        y22e = 1/rC = h22e 
y21e = ΔIC / ΔUBE ;  pro UBE = ΔIB . rB = ΔIB . 1/y11e = ΔIC / . 1/y11e     je potom
                                                (8)                                                     
Pro oblast nízkých kmitočtů, kde se neuplatní parazitní kapacity tranzistoru lze výraz (6) ještě upravit:
y21e =  . y11e  =  /.rB =  1 /.rE = IE  / UT
Dosazením UT  25 mV a IE   IC lze výraz dále zjednodušit na
y21e = IE  / UT = IE  / 25 mV  40 [V-1]IE  40 IC [S]
y12e = je nutné určit z katalogu, nebo změřit.
Poznámky :
1) V oblasti vyšších kmitočtů se parametry v rovnicích (4), (5), (6) a (7) vyjadřují pomocí impedance nebo admitance v daném pracovním bodě - jsou tedy frekvenčně závislé a je nutné je stanovit pro každý  použitý kmitočet.
2) Je nutné rozlišovat: h21e  IC /IB je parametr v hybridních rovnicích a h21E  IC  /IB je statický proudový zesilovací činitel,  udávaný obvykle v katalogových přehledech.
Giacolettovo náhradní schéma
Frekvenčně nezávislý popis funkce tranzistoru velmi dobře vystihuje Giacolettovo náhradní schéma. Pro výpočet  vysokofrekvenčních zesilovačů jsou důležité kapacity mezi jednotlivými elektrodami a také sériový odpor Rbb’. Zesilovací schopnosti tranzistoru jsou vyjádřeny pomocí proudového zdroje se s parametrem  gm  (y21).
Z Giacolettova náhradního schématu je patrný vliv sériového odporu Rbb’ na proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společným emitorem. Přes kapacitu Cb‘c protéká z kolektoru do báze proud, který se odčítá od vstupního proudu -  do přívodu báze potom vtéká mnohem větší proud než odpovídá proudu do “vnitřní báze”.  Při zvýšení vstupního napětí se zvětší úbytek na odporu Rbb’ , proud do “vnitřní báze” se však zvětší jen nepatrně. Vysokého mezního kmitočtu tranzistoru lze dosáhnout zmenšováním  Rbb’  a parazitní kapacity Cb‘c.
Mezní kmitočty bipolárního tranzistoru.
Z Giacolettova náhradního schématu vyplývá, že od kmitočtu, kdy zpětnovazební proud přes Cb‘c  začne být srovnatelný s proudem báze,  bude proudové zesílení klesat lineárně s kmitočtem. Kromě parazitních kapacit se ovšem uplatňuje i doba průletu nosičů bází a kolektorem (vliv elektrického pole a pohyblivosti nosičů). Průběh závislosti proudových zesilovacích činitelů   a    je zřejmý z obrázku. Při vyšších kmitočtech se vlivem parazitních kapacit a průletové doby  nosičů projevuje fázový posuv proudů báze a kolektoru, takže veličiny   a   jsou komplexní - v grafu je tedy modul (absolutní hodnota)   h21e a    h21b .  
pokles: 20 dB/dek6 dB/okt
Kmitočty  f a  f  pro zapojení SB a SE: jsou definovány poklesem na hodnotu 1/2 (tj. o 3 dB).
Mezní kmitočet pro zapojení se společnou bází je mnohem větší.  V prvním přiblížení lze uvažovat:
    
proto platí:    
 
Tranzitní kmitočet fT  je definován jako fT = f . v klesající části  ( pro 2   0 / 2 ) kmitočtové závislosti (f). Proudový zesilovací činitelby tedy měl být při fT roven jedné. Ve skutečnosti je však pokles  v této oblasti menší než by odpovídalo lineární závislosti, takženabývá hodnoty 1 při kmitočtu f1  fT.
Vztah mezi mezními kmitočty f a fT :
Při kmitočtu f = f je  = 0,707.0    a     = 0,7 [1/(0 - 0,7)] = 2,3. Proto:        
s Indukovaným kanálem
Trvalým kanálem