Układy nieliniowe - przypomnienie

Transkrypt

1 Układy nieliniowe - przypomnienie Generacja-rekombinacja E γ Na bazie półprzewodników γ E (Si)= 1.14 ev g w.8, p.1 Domieszkowanie n (As): Większościowe elektrony pasmo przewodnictwa swobodne elektrony pasmo walencyjne - swobodne dziury Domieszkowanie p (In) Większościowe dziury

2 Dioda świecąca Gdy złącze p-n jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, bariera potencjału ulega obniżeniu i elektrony wnikają do półprzewodnika typu p, a dziury do półprzewodnika typu n. W obszarach baz następują rekombinacje elektronów i dziur związane z emisją kwantów promieniowania elektromagnego o energii zbliżonej do szerokości przerwy energetycznej h E E Eg. w.8, p.2

3 Dioda świecąca - charakterystyki w.8, p.3 Charakterystyki spektralne diody z GaAs w różnych temperaturach.

4 Dioda świecąca - charakterystyki Charakterystyki prądowo-napięciowe w.8, p.4 Moc emitowanego światła w funkcji natężenia prądu

5 Dioda świecąca - zastosowania w.8, p.5 Oświetlenie, sygnalizacja itp.

6 Dioda laserowa Zasada działania diody laserowej jest podobna do zasady działania LED. Zasadnicze znaczenie ma uzyskanie inwersji obsadzeń nośników w obszarze przyzłączowym. Inwersję tę można uzyskać gdy złącze p-n spolaryzowane jest bardzo silnym prądem w kierunku przewodzenia (ok. 250 ma). W półprzewodniku typu n koncentracja dziur będzie dominowała nad koncentracją elektronów, a w półprzewodniku typu p koncentracja elektronów będzie dominowała nad koncentracją dziur. W tych warunkach rekombinacja następuje lawinowo i jest wymuszona fotonami emitowanymi we wcześniejszej rekombinacji promienistej. Złącze emituje spójne promieniowanie laserowe. w.8, p.6

7 Dioda laserowa Bez inwersji obsadzeń Wiele atomów ale stanów wzbudzonych stosunkowo niewiele: emisja kwantów światła niezależna. Z inwersją obsadzeń Wiele atomów- stanów wzbudzonych wiecęj niż niewzbudzonych: emisja kwantów światła wymuszona (spójna). Tak jest przy dużym prądzie przewodzenia diody (250 ma): wstrzykniętych elektronów do półprzedonika typu p jest więcej niż dziur; wstrzykniętych dziur do półprzednika typu n jest więcej niż elektronów (inwersja obsadzeń) w.8, p.7

8 Dioda laserowa charakterystki i zastosowanie w.8, p.8

9 Fotodioda Jeżeli oświetlimy złącze p-n, to prąd płynący w kierunku zaporowym będzie zależał od natężenia oświetlenia. Wiąże się to z generacją przez światło nośników (par elektron-dziura) w obszarze złącza. Efekt ten wykorzystywany jest w fotodiodach służących do detekcji światła. w.8, p.9

10 Fotodioda Czułość spektralna zależy od materiau złącza: w.8, p.10

11 Fotodioda - chrakterystyka Typowe charakterystyki prądowo-napięciowe fotodiody krzemowej przy różnych natężaniach oświetlenia złącza p-n: w.8, p.11

12 fotodioda i konwerter prąd-napięcie i WE=i i i WE v v 0= i WE R v+ R=1 M Ω w.8, p.12 i WE= v 0 [V ] 10 6 [Ω]

13 Fotodioda PIN Pomiędzy półprzewodnikiem typu p a półprzewodnikiem typu n znajduje się warstwa półprzewodnika samoistnego i. Warstwa zaporowa w takim złączu ma dużą grubość, równą w przybliżeniu grubości warstwy samoistnej, co powoduje, że pojemność elektryczna złącza jest bardzo mała. Dzięki temu uzyskuje się dużą szybkość działania odpowiadającą częstotliwościom przekraczającym 10 GHz. Fotodiody PIN należą do najszybszych detektorów promieniowania. Dzięki dużej grubości złącza obszar fotoczuły ma większą objętość, co zwiększa także wydajność konwersji światła. w.8, p.13

14 Fotodioda lawinowa Fotodioda lawinowa jest elementem pracującym w zakresie przebicia lawinowego złącza p-n. Po oświetleniu złącza następuje lawinowe powielanie wygenerowanych par elektron-dziura. Sygnał prądowy jest wzmacniany wewnętrznie, typowo razy. Stosując odpowiednią elektroniką można uzyskać znacznie większe wzmocnienia, sięgające ~108. Możliwa jest wówczas detekcja pojedynczych fotonów. Fotodioda lawinowa jest najbardziej czułym półprzewodnikowym detektorem światła. w.8, p.14

15 Fotodioda - podsumowanie w.8, p.15

16 Tranzystor - transfer resistor Tranzystor jest to trójelektrodowy półprzewodnikowy aktywny element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektronicznego. Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów: Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe) Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe). w.8, p.16

17 Tranzystor bipolarny Prąd jest wynikiem ruchu dwu typów nośników, to jest nośników większościowych i nośników mniejszościowych. Tranzystory umożliwiają sterowanie przepływem stosunkowo dużego prądu, za pomocą sygnału o stosunkowo małej mocy. Główne zastosowania: 1. do wzmacniania małych sygnałów 2. do przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. np.: wzmacniacz o wspólnym emiterze w.8, p.17 np.: bramka NAND

18 Tranzystor bipolarny Konstrukcja (1948): J. Bardeen W.H. Brattain. Budowa (1949): W.B. Shockley Nobel 1956 Tranzystor bipolarny zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników domieszkowanych, tworzących parę złącz p-n. Warstwy te noszą nazwy: emiter (E), baza (B) oraz kolektor (C). Do poszczególnych warstw przyłączone są elektrody umożliwiające odpowiednią polaryzację złącz oraz doprowadzenie sygnałów. w.8, p.18

19 Tranzystor bipolarny - budowa Złącze emiterowe: polaryzacja przewodznia E n p emiter Obszar stosunkowo silnie domieszkowany Uwaga: baza B Złącze kolektorowe: polaryzacja zaporowa n kolektor Obszar stosunkowo słabo domieszkowany, rozmiar bazy jest niewielki 0.02 mm (taki by występowały w nim gradienty koncentracji wstrzykiwanych E nośników!) 1. Analogicznie konstruuje się tranzystory p-n-p 2. Sposób domieszkowania i rozmiary złącza wynikają z zasady działania w.8, p.19 C

20 Tranzystor bipolarny polaryzacja złącz Sposób polaryzacji złącz określa stan pracy tranzystora: Stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze CB zaporowo Stan zatkania (odcięcia) obydwa złącza spolaryzowane w kierunku zaporowym Stan nasycenia obydwa złącza spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Stan aktywny jest podstawowym stanem pracy, który wykorzystywany jest we wzmacniaczach. Stany zatkania i nasycenia stosowane są w technice impulsowej oraz układach cyfrowych. w.8, p.20

21 Tranzystor bipolarny zasada działania Złącze emiterowe: polaryzacja przewodzenia IB B E Złącze kolektorowe: polaryzacja zaporowa C IE IC IB1 IB2 rekombinacja Silne domieszkowanie emitera: IE duży w stosunku do IB1 +IB2 IE Nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy mogą dyfundować do kolektora bez ich znacznego ubytku spowodowanego rekombinacją. w.8, p.21 Słabe domieszkowanie bazy: 1. mała rekombinacja (mały IB1) 2. mały prąd dyfuzji IB2

22 Tranzystor bipolarny zasada działania W stanie bez polaryzacji zawnętrznej elektrony z emitera nie przenikają do kolektora ponieważ są blokowane przez barierę potencjału. Złącze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym. Elektrony z emitera dalej pozostają zablokowne przez barierę na złączu emiter-baza. Między E i B przykładamy napięcie zmniejszające tę barierę potencjału (przewodzenie), elektrony z E przechodzą do B, a następnie dyfundują do kolektora generując prąd IC. W obszarze B w.8, p.22 niewielka część elektronów rekombinuje z dziurami tworząc prąd IB. Niewielkie zmiany napięcia UBE, prowadzą do znacznych zmian prądu kolektora.

23 Tranzystor bipolarny rozkład prądów w.8, p.23

24 Tranzystor bipolarny równanie Ebersa-Molla Zależność prądu kolektora IC od napięcia pomiędzy bazą i emiterem UBE : w.8, p.24

25 Tranzystor bipolarny model zastępczy hybryd π Dla małych sygnałów: Pojemność istotna dla wysokich częstości (w.cz.) ib(t) B rb UB'E(t) B rπ Źródło prądu Cm ic(t) rc gmube(t) E w.8, p.25 C uce(t)

26 Tranzystor bipolarny przykład zastosowania hybryd π RC Rg ug B u1 IC C E VCC u2 hybryd π R B r => g ug u1 b u B rπ ib C ic=gmu u2 E Emiter wspólny dla wejścia i wyjścia w.8, p.26 RC icrc

27 Tranzystor bipolarny przykład rπ u= u1 r π +r b r π +r b u1= u rπ rπ u= ug r π +r b +Rg u2= ic RC = gm u Rc Rg B ug u1 rb u RC icrc B rπ ib C ic=gmu u2 E ic K I = =β=gm r π Wzmocnienie prądowe ib u2 gm r π RC β RC KU= = = u1 r π +r b r π +r b Wzmocnienie napięciowe (RC ograniczone bo funkcja przenoszenia) u2 gm r π RC β R C = = ug r π +r b +Rg r π +r b + Rg Rola oporu wewnętrznego źródła sygnału w.8, p.27

28 Tranzystor bipolarny podstawowe konfiguracje w.8, p.28

29 Tranzystor bipolarny uproszczenia Prąd emitera i kolektora: I C I E Napięcia baza-emiter (dla krzemu): U BE= V w.8, p.29

30 Tranzystor bipolarny podstawowe charakterystyki Prąd kolektora IC silnie zależy od napięcia baza-emiter UBE, a słabo od napięcia kolektor-emiter UCE. w.8, p.30

31 Tranzystor bipolarny wzmocnienie β Wzmocnienie stało i zmienno-prądowe tranzystora oznaczamy jako β: IC Δ ic βdc = β AC = IB Δ ib w.8, p.31 Z reguły βac i βdc mają zbliżone wartości i używa się ich wymiennie.

32 Tranzystor bipolarny punkt pracy Q, prosta obciążenia Prosta obciążenia: U CC =I C RC +U CE Rezystor RB ustala prąd IB, a ten (i prosta obciążenia) ustala VCE i IC. w.8, p.32

33 Obwód baza-emiter Z prawa KVL: V CC I B R B V BE =0 zatem: V CC V BE V CC 0.65 I B= = RB RB w.8, p.33

34 Podsumowanie charakterystki IC vs VCE PCmax I C= U CE hiperbola Obszar nasycenia Obszar aktywny możliwe punkty pracy tr. w.8, p.34 Obszar odcięcia

35 Tranzystor jako przełącznik Układ pracuje pomiędzy stanem zatkania i nasycenia w.8, p.35

36 Tranzystor bipolarny parametry układu a punkt pracy Q Wpływ parametrów układu na punkt pracy Q Wpływ napięcia zasilania VCC w.8, p.36 Wpływ rezystora RC Wpływ zmian prądu bazy IB

37 Wzmacniacz o wspólnym emiterze I1 C1 RC R1 u1(t) UB0 I2 C2 T UC0 IB0 R2 VCC IC0 RE IE0 UE0 CE u2(t) Jest to wzmacniacz (liniowy) małych sygnałów. Typowe wzmocnienie napięciowe k=u2/u1=50 do 400. Jest to również wzmacnicz mocy, ponieważ prąd pobierany przez obciążenie jest większy od prądu wejścia. w.8, p.37

38 Tranzystor bipolarny wzmacniacz OE projektowanie poradnikowe I1 C1 RC R1 u1(t) I2 w.8, p.38 C2 T UC0 IB0 UB0 R2 VCC IC0 RE IE0 UE0 CE u2(t) Zadania elementów: T tranzystor- sterowane źródło prądu R1, R2 dzielnik nap. -polaryzacja złącza baza-emiter RC przetwornik prąd napięcie -wzmocnienie napięciowe RE przetwornik prąd napięcie -ujemne sprzężenie zwrotne stabilizacja punktu pracy CE pojemność emiterowa -likwidacja ujemnego sprzężenia zwrotnego dla sygnału zmiennego. C1, C2 pojemności odcinające - separacja składowej stałej - punkt pracy nie reaguje na podłączone, zewnętrzne napięcia stałe.

39 Tranzystor bipolarny projektowanie poradnikowe dla OE UBE0=UB0-UE0 =const IC0 W układzie zapewnione jest stałe napięcie UB0, natomiast napięcie UE0 = IB0 IE0RE, zależy od wielkości prądu IB0. Prąd określamy w oparciu o parametry katalogowe tranzystora. Dla tranzystora BC107 można przyjąć, że IE0 jest równe od 0.5 ma UBE0 UB0 R2 RE UE0 IE0 Zasada stabilizacji prądu IE0 IE0 UBE0 IE0 w.8, p.39 do 10 ma, natomiast stała wartość napięcia UE0 powinna zawierać się w granicach 0.1VCC do 0.3VCC. Pozwala to na osiągnięcie optymalnej stabilności układu. Powyższe założenia pozwalają na obliczenie wartości U BE 0 opornika RE=UE0 /IE0 ( nut - w efekcie stałe! I B0 =I S e 1 Źródło zadanego prądu stałego zbudowane na tranzystorze: IC0 IE0=UE0/RE=(UB0 -UBE0)/RE (UB0-0.6)/R)/RE )