Lessons in Electric Circuits, Volume III - Semiconductors

365 Pages·2002·1.83 MB·english

by  Tony R. Kuphaldt

Fourth Edition, last update January 1, 2004
2
Lessons In Electric Circuits, Volume III { Semiconductors
By Tony R. Kuphaldt
Fourth Edition, last update January 1, 2004
i
(cid:176)c 2000-2004, Tony R. Kuphaldt
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since third edition.
ii
Contents
1 AMPLIFIERS AND ACTIVE DEVICES 1
1.1 From electric to electronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Active versus passive devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Ampliflers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Amplifler gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 Absolute dB scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 SOLID-STATE DEVICE THEORY 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Quantum physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Band theory of solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Electrons and "holes" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5 The P-N junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 Junction diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7 Bipolar junction transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8 Junction fleld-efiect transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.9 Insulated-gate fleld-efiect transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10 Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.11 Semiconductor manufacturing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.12 Superconducting devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.13 Quantum devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.14 Semiconductor devices in SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.15 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 DIODES AND RECTIFIERS 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Meter check of a diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Diode ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Rectifler circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 Clipper circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 Clamper circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7 Voltage multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
iii
iv CONTENTS
3.8 Inductor commutating circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.9 Zener diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.10 Special-purpose diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.10.1 Schottky diodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.10.2 Tunnel diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.10.3 Light-emitting diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.10.4 Laser diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.10.5 Photodiodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.10.6 Varactor diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.10.7 Constant-current diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.11 Other diode technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.12 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS 71
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 The transistor as a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Meter check of a transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Active mode operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 The common-emitter amplifler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.6 The common-collector amplifler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.7 The common-base amplifler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.8 Biasing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.9 Input and output coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.10 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.11 Amplifler impedances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.12 Current mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.13 Transistor ratings and packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.14 BJT quirks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5 JUNCTION FIELD-EFFECT TRANSISTORS 161
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.2 The transistor as a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.3 Meter check of a transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.4 Active-mode operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.5 The common-source amplifler { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.6 The common-drain amplifler { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.7 The common-gate amplifler { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.8 Biasing techniques { PENDING. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.9 Transistor ratings and packages { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.10 JFET quirks { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6 INSULATED-GATE FIELD-EFFECT TRANSISTORS 181
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.2 Depletion-type IGFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.3 Enhancement-type IGFETs { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.4 Active-mode operation { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
CONTENTS v
6.5 The common-source amplifler { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.6 The common-drain amplifler { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.7 The common-gate amplifler { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.8 Biasing techniques { PENDING. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.9 Transistor ratings and packages { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.10 IGFET quirks { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.11 MESFETs { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.12 IGBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7 THYRISTORS 197
7.1 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.2 Gas discharge tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.3 The Shockley Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7.4 The DIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.5 The Silicon-Controlled Rectifler (SCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.6 The TRIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.7 Optothyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.8 The Unijunction Transistor (UJT) { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.9 The Silicon-Controlled Switch (SCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.10 Field-efiect-controlled thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8 OPERATIONAL AMPLIFIERS 227
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.2 Single-ended and difierential ampliflers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.3 The "operational" amplifler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.4 Negative feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.5 Divided feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
8.6 An analogy for divided feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.7 Voltage-to-current signal conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.8 Averager and summer circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.9 Building a difierential amplifler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.10 The instrumentation amplifler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.11 Difierentiator and integrator circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.12 Positive feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.13 Practical considerations: common-mode gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
8.14 Practical considerations: ofiset voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.15 Practical considerations: bias current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.16 Practical considerations: drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.17 Practical considerations: frequency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.18 Operational amplifler models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
8.19 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
vi CONTENTS
9 PRACTICAL ANALOG SEMICONDUCTOR CIRCUITS 283
9.1 Power supply circuits { INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.1.1 Unregulated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.1.2 Linear regulated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.1.3 Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.1.4 Ripple regulated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.2 Amplifler circuits { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.3 Oscillator circuits { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.4 Phase-locked loops { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.5 Radio circuits { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.6 Computational circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.7 Measurement circuits { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.8 Control circuits { PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10 ACTIVE FILTERS 305
11 DC MOTOR DRIVES 307
12 INVERTERS AND AC MOTOR DRIVES 309
13 ELECTRON TUBES 311
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.2 Early tube history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.3 The triode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
13.4 The tetrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
13.5 Beam power tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
13.6 The pentode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
13.7 Combination tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
13.8 Tube parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.9 Ionization (gas-fllled) tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
13.10Display tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
13.11Microwave tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
13.12Tubes versus Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
14 ABOUT THIS BOOK 339
14.1 Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.2 The use of SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
14.3 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
15 CONTRIBUTOR LIST 343
15.1 How to contribute to this book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
15.2 Credits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2.1 Tony R. Kuphaldt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2.2 Warren Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2.3 Your name here. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
CONTENTS vii
15.2.4 Typo corrections and other \minor" contributions . . . . . . . . . . . . . . . 345
16 DESIGN SCIENCE LICENSE 347
16.1 0. Preamble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
16.2 1. Deflnitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
16.3 2. Rights and copyright . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
16.4 3. Copying and distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
16.5 4. Modiflcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
16.6 5. No restrictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
16.7 6. Acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
16.8 7. No warranty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
16.9 8. Disclaimer of liability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350