• Puolijohteet • pn-liitos • Diodi (pn-liitos)

Kertaus 

• Puolijohteet 

– puhdas puolijohde 

– n-tyypin puolijohde 

– p-tyypin puolijohde 

• pn-liitos 

– myötä- ja estobiasoitu 

• Diodi (pn-liitos) 

P N 

– ideaalinen vs. reaalimaailman diodi 

– diodin ekvivalenttikytkennät 

Elektroniikan laitos ELE-1020 5. luento 27.9.2006 

V D 

I D 

V D 

P N 

I S≈ 0 

I S 

1

Kertausta 

• Dioditehtävien laskeminen 

– Toimintasuoran (kuormitussuoran) piirtäminen ja 

sen hyödyntäminen 

• Estosuuntainen läpilyönti 

– Zenerläpilyönti, yleensä alle 5V:n jännitteillä 

– Vyöry (avalanche) –läpilyönti, yleensä yli 5V:n 

jännitteillä 


2

Kertaus 

• Erilaisia diodeja 

– Signaalidiodi, tasasuuntausdiodi, zener-diodi, 

tunnelidiodi, varaktoridiodi, schottkydiodi, LED, 

fotodiodi 

• Diodi sovelluksia 

– Puoli- ja kokoaaltotasasuuntaajat, nolladiodi, 

signaalin muokkaaminen, referenssijännitteen 

tuottaminen (zener) 


3

Tämän kerran sisältö 

• LED ja valodiodi tarkemmin 

• Jatketaan vielä diodeista esimerkeillä 

– LED:n etuvastus 

– Signaalin muokkaus diodin avulla 

– Puoliaaltotasasuuntaaja 

– Zener-referenssi 

• Eri FET tyypit 

– Rakenne 

– Toiminta 

– Ominaiskäyrä 


4

LED – Light Emitting Diode 

• Virran kulkiessa ledin läpi se emittoi valoa 

– Näkyvää valoa tai infrapunavaloa 

– Valon aallonpituus riippuu käytetystä materiaalista 

– Käyttö esimerkiksi merkkivaloina tai kaukosäätimen 

lähettimenä (infrapuna) 

– Yleistymässä myös valaistuksessa 

Kuvat: www.elfa.se/fi 


5

R 

12V 

Valo- / fotodiodi 

• Valodiodi reagoi ulkoiseen valoon 

V OUT 

– pn-liitokseen osuva valo saa aikaan jännitteen 

(virta). Esim valokennot 

– Kytketään yleensä aina estosuuntaan (esijännite), 

jotta saadaan suurempi herkkyys 

– Virta on sitä suurempi mitä enemmän valoa pnliitokseen 

osuu 

Kuvat: www.elfa.se/fi 


6

V F 

12V 

R 

LED:n etuvastuksen mitoittaminen 

Mitoita etuvastus siniselle LED:lle 

EL383UBC siten että se voidaan 

kytkeä PC:n 12V:n jännitteeseen 

LED:n V F,typ = 4,9V ja I F,max = 20mA 

I F 

12V 

− 

RI 

F 

−V 

12V 

−V 

R = 

I 

F 

F 

F 

12V 

− 4, 

9V 

= 

20mA 

Kuva: http://www.elfa.se/fi 

= 355Ω 


= 

0 

7

Sinimuotoinen 

jännite 

VOFF = 0 

VAMPL = 4V 

FREQ = 100 

Signaalin muokkaaminen diodin avulla 

VR1 IR1 V1 

0 

Mitoita R1 niin että I D,maks ≈ 

10mA, V F ≈ 0,7V 

R1 

120 ID D1N4148 VF I R2 

D1N4148 

D1N4148 VF D1N4148 

R2 

480 

V out 

Vout, maks = 2VF 

I R 2, 

maks = Vout, 

maks 

= 1, 

4V 


R 

I R1 

, maks = I R2, 

maks + I D, 

maks 

V R1, 

maks = V1, 

maks −Vout, 

maks 

2 

8

4. 0V 

2. 0V 

0V 

-2.0V 

Simulointi 

V out 

V in 

-4.0V 

0s 

V( V1: +) V( R2: 2) 

5ms 10ms 15ms 

Ti me 

20ms 25ms 30ms 


9

VOFF = 0 

VAMPL = 4 

FREQ = 50 

Puoliaaltotasasuuntaaja 

0 

Mitoita kondensaattori C siten että jännite V OUT 

laskee enimmillään 0,5V. V F ≈ 0,7V 

D1 

D1N4148 

VBB 

Kondensaattorin jännite 

1 

VC 

= I 

C ∫ 

dVC 

1 

= I 

dt C 

C 

C 

dt + V 

C, 

0 

⇒ C = 

C 

IC∆t 

∆V 

C 

R 

270 

V OUT 


10

I Z 

V IN 

R 

Zener - referenssi 

Mitoita kytkentä niin että V OUT = 4,7V kun 6V < V IN < 10V 

Kytkennässä käytetään Zenerdiodia BZX284-C4V7 jonka 

V Z = 4,7V, P maks = 400mW ja I Z,test = 5mA 

+ 

- 

I Z oltava vähintään I Z,test . 

Pienin virta kun V IN = 6V 

V OUT 

Zener:n maksimivirta 

= 85mA 


P 

Z , maks 

⇒ 

I 

= I 

Z , maks 

Z , maks 

= 

V 

PZ 

, 

V 

Z 

maks 

Z 

400mW 

= 

4, 

7V 

11

Yksinkertainen vahvistin 

• 3. luennolla puhuttiin yksinkertaisista 

vahvistimista 

– Toteuttamiseen tarvitaan vähintään yksi aktiivinen 

komponentti 

– VO =V-RI 

– Kun ulostuloon ei mene virtaa ⇒ 

Sama virta kulkee ohjauslaitteen ja 

vastuksen R läpi 

– Ohjauslaitteen läpi kulkevaa virtaa 

säätää jännite V i Kuvat: 

Kurssikirja 3rd edition, sivu 171 kuva7.1a 

Kurssikirja 2nd edition, sivu 97 kuva 3.31 


12

Yksinkertainen vahvistin – FET toteutuksena 

• Ohjauslaitteena voi toimia esimerkiksi 

– Kanavatransistori eli FET (Fiel Effect Transistor) 

Käsitellään tällä luennolla 

– BJT (Bipolar Junction Transistor) Käsitellään 

myöhemmin kurssilla 

• Kuvassa liitoskanavatransistori eli 

JFET (Junction-gate FET) 

– Sisäänmenojännite Vi kontrolloi JFET:n 

läpi kulkevaa virtaa 

– Kolme terminaalia; nielu d (drain), lähde 

s (source) ja hila g (gate) Kuvat: 

Kurssikirja 3rd edition, sivu 171 kuva 7.1b 


13

Jännitteiden ja virtojen merkinnät 

• Jännitteet 

– Alaindeksi kuvaa minkä kahden 

pisteen välillä jännite on. 

– Käyttöjännitteet ovat 

erikoistapaus 

• Virrat 

– Alaindeksi kuvaa mihin 

terminaaliin / mistä 

terminaalista virta menee / 

tulee. Kuvat: 

Kurssikirja 3rd edition, sivu 172 kuva 7.2 


14

Eristehilainen kanavatransistori 

• Transistori jonka hila on eristetty muusta 

transistorista 

– Insulated gate field effect transistor (IGFET) 

– Tunnetaan paremmin MOSFET (Metal Oxide 

Semiconductor field effect transistor)-nimellä 

– Virta kulkee nielun ja lähteen välillä 

puolijohdemateriaalista muodostuvaa kanavaa 

pitkin 

– Kanava voi olla n- tai p-tyyppinen ⇒ kaksi 

erityyppisiä transistoria joiden toiminta toisilleen 

vastakkaista 


15

MOSFET:n rakenne 

• Jatkossa tutkitaan tarkemmin vain nkanavaisen 

MOSFET:n rakennetta ja 

Kuvat: 

toimintaa 

Kurssikirja 3rd edition, sivu 172 kuva 7.3 a ja b 



16

n-kanavainen sulkutyypin MOSFET 

• Rakenne 

– Neljä terminaalia d,s,g ja 

substraatti (yleensä substraatti 

ja s yhdistetty) 

– p-tyypin substraatti 

– n-tyypin kanava 

– Eristävä hilaoksidi 

– Metallinen hila elektrodi 

• Hilan ja puolijohteen välillä 

eriste ⇒ hilavirta IG = 0 


Kuvat: 

Kurssikirja 3rd edition, sivu 172 kuva 7.3a 


17

n-kanavaisen sulkutyypin MOSFET:n toiminta 

• Kun V GS = 0 

– I D määräytyy V DS :n ja kanavassa olevien 

varauksenkuljettajien perusteella 

– FET:n läpi siis kulkee virta I D 

ilman ohjausta 

• Kun V GS > 0 

– Positiivinen varaus hilalla vetää 

kanavaan lisää elektroneja ⇒ 

kanavan leveys kasvaa 

(enhancement) ⇒ virta ID kasvaa 

– Kun VDS on tarpeeksi pieni ID riippuvainen 

VGS :stä (ohminen alue) Kuvat: 

I = 


D 

I 



S 

18


• Kun V GS


• Sulkutyyppinen eli depletion MOSFET tai 

lyhyemmin DE MOSFET 

– FET:n läpi kulkee virta ilman hilaohjausta 

– Hilaohjauksella kanava voidaan sulkea 

– VT on kynnysjännite (threshold), jolla FET lakkaa 

johtamasta 

– IDSS on saturaatiovirta 

(drain-to-source saturation 

current) eli ID kun VGS = 0 

I D = K( 

VGS 

−VT 

K on FET:n geometriasta ja fysikaalisista 

ominaisuuksista riippuva vakio 

) 

2 


20

n-kanavaisen avaustyypin MOSFET:n toiminta 

• MOSFET jossa kanavaa ei ole valmiina 

– Tarkastellaan vain n-tyypin MOSFET:a, myös ptyyppinen 

olemassa 

– p-tyypin substraatti 

– n-tyypin nielu ja lähde 

– Kun hilajännite VGS = 0 ja VDS > 0 

niin pn-liitoks nielun ja substraatin 

välillä on estosuuntaan biasoitu 

– Kun ohjausjännite on nolla virtaa 

ei siis kulje (cut-off) 

Kuva: Allan Hambley, Electronics 

2 nd edition, sivu 289 


21


• Kun ohjausjännite VGS > 0 

– Positiivinen varaus hilalla kerää elektroneja hilan alle 

– Hilan alle muodostuu n-tyypin kanava 

– Kun ohjausjännite kasvaa 

suuremmaksi kuin kynnysjännite 

(V T ) alkaa virta kulkea 

FET:n lävitse 

– Kun V DS on tarpeeksi pieni 

virta I D on riippuvainen 

hilajännitteestä V GS 

– Toimii kuten jänniteohjattu 

resistanssi (ohminen alue) 


22 


2 nd edition, sivu 290 

I D 

I S 

I = 

D 

I 

S


• Avaustyyppinen eli enhancement 

MOSFET 

– FET:n läpi ei kulje virtaa ilman hilaohjausta 

– Hilaohjauksella kanava voidaan avata 

– VT on kynnysjännite jolla FET alkaa johtaa 

I D = K( 

VGS 

−VT 


2 

) 

23

n-kanavaisen MOSFET:n toiminta pinch-off 

• Sekä avaus- että sulkutyypin 

MOSFET:llä 

– Jos V GS on vakio ja 

V DS kasvaa niin I D 

kasvaa. Kanavan 

resistanssista johtuen 

V 2 > V 1 jolloin 

V GC2 < V GC1 . Lähellä 

nielua hilaohjaus 

pystyy vetämään 

vähemmän elektroneja 

hilan alle ⇒ 

kanava kapenee 

V GS 


G 

D 

S 

n 

V 1 

V DS 

V GC2 V 2 

VDS 

V GC1 

I S 

n 

I D 

p 

24


– Jännitteen VDS kasvaessa kanava 

kapenee lähellä nielua ja tietyllä 

jännitteellä saavutetaan tila jossa 

kanava ei voi enempää kaventua 

(pinch-off) 

– Vaikka VDS kasvaisi virta ID ei enää 

suurene 

– Saturaatio 

– Virtaa ID voi siis muuttaa 

ainoastaan muuttamalla 

hilaohjausta 


25 

 


2 nd edition, sivu 291

MOSFET:n piirrosmerkit 

– Piirrosmerkissä nielun 

ja lähteen välinen viiva 

ilmaisee kanavan 

tilan ilman 

hilaohjausta 

– Substraattiterminaalin 

nuoli ilmaiseen FET:n 

polariteetin. (substraatin 

ja kanavan 

välisen pn-liitoksen 

suunta) Samoin kuin 

pn-diodissa 


Kuvat: 



26

Liitoskanavatransistori 

• Liitoskanavatransistori (Junction gate 

field-effect transistor) eli JUGFET tai JFET 

• Rakenne 

– Kolme terminaalia 

nielu d, lähde s ja 

hila 

– Hilaa ei ole eristetty 

muusta rakenteesta 

– Kaksi polariteettia 


Kuvat: 



27

JFET:n toiminta 

• Tutkitaan n-kanavaisen JFET:n toimintaa 

– n-tyyppinen kanava nielun ja lähteen välillä 

– p-tyyppinen hila 

• Kun V GS = 0 

– Hilan ja kanavan välillä ohut 

tyhjennysalue 

– Kun VDS kasvaa virta alkaa kulkea 

– Virta kulkee ilman ohjausta 

– Jotta hila-kanava liitos ei myötäbiasoi- Kuvat: 

tuisi VGS ≤ 0V 

– Tyhjennysalueesta johtuen hilalle ei mene virtaa 


28 

 


Kurssikirja 2nd edition, sivu 188 kuva 6.7


• V GS < 0 

– Kun hilan jännite tippuu pienemmäksi kuin lähteen 

jännite tyhjennysalue pn-liitoksen ympärillä kasvaa 

– Kanava kapenee 

– Tyhjennysalueella erittäin vähän 

vapaita varauksen kuljettajia ⇒ ID pienenee 

– Kun VDS on pieni JFET toimii jännite 

ohjattuna resistanssina 


Kuvat: 


29

I 

D 

⇒ 

= 

I 

D 

I 


• JFET on ainoastaan sulkutyyppinen 

DSS 

= 

– FET:n läpi kulkee virta ilman hilaohjausta 

– Hilaohjauksella kanava voidaan sulkea 

– VP on jännite jolla FET lakkaa johtamasta 

– IDSS on virta joka FET:n läpi kulkee kun 

ohjausjännite VGS = 0 

⎛ V 

⎜ 

⎜1− 

⎝ V 

K' 

( V 

GS 

GS 

P 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

−V 

2 

P 

) 

2 


30


– Oletetaan että VGS on vakio 

– Kun VDS kasvaa niin virta ID kasvaa ja kanavan resistanssista 

johtuen V2 > V1 – Tällöin VCG2 > VCG1 , jolloin 

lähelle nielua muodostuu 

leveämpi tyhjennysalue kuin 

lähelle lähdettä 

– Kanava kapenee 

– Tarpeeksi suurella VDS :n 

arvolla kanava kuroutuu umpeen 

(pinch-off), minkä jälkeen 

virta ei enää kasva (saturaatio) 


Kuvat: 



31

JFET:n piirrosmerkit 

• Hilalla olevan nuolen suunta 

ilmaisee JFET:n polariteetin 

– Samoin päin kuin pn-diodissa 


Kuvat: 



32

Yhteenveto eri FET-tyypeistä 

Avaustyyppinen 

MOSFET 

V T /V P 

Sulkutyyppinen 

MOSFET tai JFET 

p-kanava 

n-kanava 

Sulkutyyppinen 

MOSFET tai JFET 

Avaustyyppinen 

MOSFET 


I DSS 

V T V T /V P 

I D 

I DSS 

V T 

33 

 

V GS

FET:n ominaiskäyrä 

• Ominaiskäyrä / -käyrästö 

– Toiminta-alueet: Johtamaton alue (Cut-off), 

ohminen/lineaarinen alue ja kyllästysalue 

Kuvat: 

(saturaatio) 



34

lineaarinen alue 

Ominaiskäyriä 

Minkä tyyppisiä FET:jä? 

Cut-off Cut-off 

johtamaton alue johtamaton alue 



Kuvat: 

Kurssikirja 3rd edition, sivu 179 kuva 7.11 a ja b 

Kurssikirja 2nd edition, sivu 193 kuva 6.12 a ja b 

kyllästysalue kyllästysalue 

35

Ominaiskäyriä 

Minkä tyyppinen FET? 


kyllästysalue 

Cut-off 

johtamaton alue 


Kuvat: 



36

Yhteenvetoa FET:stä 

 

• ”Jännite ohjattu virtavahvistin” 

– Yksinkertaistetusti hila-lähde (gate-source) – 

jännitteellä ohjataan nielu-lähde (drain-sorce) – 

virtaa 

• IGFET (eristehila) ja JFET (pn-liitos hilalla) 

– Yleisin IGFET on MOSFET 

• Avaus- ja sulkutyyppisiä 

• n- ja p- kanavaisia 

– JFET 

• Vain sulkutyyppisiä 

• n- ja p- kanavaisia 


37

• Puolijohteet • pn-liitos • Diodi (pn-liitos)

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?