Electronică aplicată

SUBIECTUL 1. Caracteristică. Dreapta de sarcină şi punctul static de funcţionare

Oricărui element de circuit i se asociază o caracteristică curent-tensiune, când dispozitivul are doar două terminale sau o familie de caracteristici, când dispozitivul are trei sau mai multe terminale. Caracteristica reprezintă o dependenţă între două mărimi electrice, impusă de elementul de circuit. În fig.1.7 sunt reprezentate caracteristicile câtorva elemente uzuale de circuit.

Dreapta de sarcină reprezintă legătura dintre curent şi tensiune impusă de elementele de circuit. Ea este obţinută prin aplicarea teoremei a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul considerat şi de aceea dependenţa este o dreaptă.

Punctul static de funcţionare (PSF) punctul de pe caracteristică în care funcţionează un dispozitiv în condiţii de polarizare date. El se obţine pe cale grafică prin intersecţia caracteristicii cu dreapta de sarcină sau analitic, prin rezolvarea sistemului de ecuaţii pentru aceleaşi două dependenţe. Modul grafic de aflare al PSF este exemplificat în fig.1.8.

Fig.1.7. Exemple de caracteristici. a) întrerupător deschis; b) întrerupător închis; c) rezistor; d) diodă

Fig.1.8. Exemplu de determinare grafică a PSF la o diodă.

a) circuitul electric şi ecuaţia dreptei de sarcină; b) reprezentarea grafică a caracteristicii diodei şi a dreptei de sarcină. Punctul lor de intersecţie determină punctul static de funcţionare

SUBIECTUL 2. Conductori, izolatori şi semiconductori

Pentru a întelege cum functionează diodele, tranzistorii sau circuitele integrate, trebuiesc studiate materialele semiconductoare, care nu sunt nici conductori, nici izolatori. Semiconductorii sunt materiale care au un număr limitat de electroni liberi, insă particularitatea lor în ceea ce priveşte conductia este existenta unui al doilea tip de purtători de sarcină liberi, golurile.

Deosebirea între cele trei tipuri de materiale, conductori, izolatori şi semiconductori este la nivel de structură atomică. Pentru a asigura conductia electrică, un material trebuie să aibă în structura sa electroni liberi. Din punct de vedere principial, toti electronii unui material dat ar trebui să fie legati pe orbite stabile, gravitând în jurul unui nucleu. Din punct de vedere cuantic însă, datorită fluctuatiilor statistice, energia electronilor poate fi la un moment dat suficient de mare pentru ca aceştia să părăsească atomul şi să devină electroni liberi. Această probabilitate creşte o dată cu creşterea temperaturi, dar depinde în cea mai mare măsură de structura electronică a materialului respectiv.

Astfel în fig.2.1 este prezentată structura electronică a cuprului, care este un conductor reprezentativ. Se poate observa faptul că acesta are trei straturi electronice complet ocupate, iar pe ultimul strat un singur electron. Acesta interactionează slab cu nucleul, datorită ecranării realizate de ceilalti electroni şi energia sa de legătură este atât de slabă încât poate fi considerat practic liber.

Având în vedere că fiecare atom are un astfel de electron, în orice moment în material este un număr foarte mare de purtători liberi, motiv pentru care cuprul este un bun conducător de electricitate. Izolatorii au în schimb un număr mare de electroni pe ultimul strat, aproape de configuratia stabilă, iar energia necesară eliberării acestora este foarte mare.

Spre deosebire de conductori, semiconductorii au pe ultimul strat, numit şi strat de valentă, un număr de patru electroni. Materialele reprezentative pentru această clasă sunt germaniul şi siliciul. Configuratiile lor electronice pot fi observate în figura 2.1. Se poate vedea că germaniul are un strat electronic complet în plus fată de siliciu, ceea ce explică şi diferentele în comportarea electrică dintre cele două.

Pentru a putea explica mecanismele de conductie ale acestor materiale, trebuie studiat de asemeni şi modul în care acestea interactionează în cristale.

SUBIECTUL 3. Purtători de sarcină

La nivel atomic, temperatura se traduce de fapt prin mişcări de vibratie ale atomilor în cadrul structurii cristaline regulate. Aceste vibratii au intensităti diferite, distribuite statistic, şi din când în când, energia unui atom este suficient de mare pentru a dizloca un electron de pe stratul de valentă. Electronul devine electron liber, iar locul lăsat liber de acesta în structura electronică este echivalent cu existenta unei particule virtuale, cu sarcina pozitivă, numită gol.

Golul este deci un purtător de sarcină virtual, care are sarcina pozitivă egală în valoare absolută cu a electronului şi care apare atunci când în banda de valentă a unui semiconductor există un loc liber.

Fig.2.4. Modul de deplasare al electronilor şi golurilor în semiconductor

Intr-un cristal semiconductor pur, purtătorii de sarcină sunt deci electronii liberi şi golurile. Aceştia sunt în concentratii egale şi sunt generati pe cale termică. Producerea de purtători liberi într‐un semiconductor poartă numele de generare. În anumite conditii, un electron liber ajuns în apropierea unui gol este atras de către aceasta, ocupând locul liber din structura electronică. Procesul este numit recombinare. Timpul scurs între generare şi recombinare poartă numele de timp de viată