ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 DEMI GÓRNICZO-HUTNICZ IM. STNISŁW STSZIC W ROWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji atedra Elektroniki ELEMENTY ELETRONICZNE dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel , piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel , ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl Co to jest? B 2 I B I E R E I E E p E U BB U E n U BB ' < U BB '' < U BB ''' B 1 ujemna rezystancja 0 n0 q 0 q n p0 0 n p U E n p p EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne 2 1

2 ELEMENTY PRZEŁĄCZJĄCE Pracują w stanie: blokowania (wyłączenia) bardzo duża rezystancja, przewodzenia (włączenia) bardzo mała rezystancja. Już poznane to: dioda: polaryzacja zaporowa i przewodząca, tranzystor unipolarny: stan zatkania i przewodzenia tranzystor bipolarny: stan odcięcia i nasycenia EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne elementy przełączające 3 ELEMENTY PRZEŁĄCZJĄCE tranzystor jednozłączowy dynistor, diak tyrystor, triak EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne elementy przełączające 4 2

3 TRNYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY B 2 I B U E' Gdy dioda zatkana (I E =0): rb I BrB U BB 1 1 U rb r 1 B2 BB I E E p r b2 E' U BB r B1 rb1 r B2 wewnętrzny współczynnik podziału U E' I E U E n r b1 U BB ' < U BB '' < U BB ''' B 1 U E 0 I E r b1 U j I E U RE U E EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne tranzystor jednozłączowy 5 TRNYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY E B 2 p Philips Semiconductors: 2N2646 n B 1 U BB > 0 E emiter typu p B 2 B 1 U BB = 0 E emiter typu n B 2 B 1 blokowanie ujemna rezystancja nasycenie EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne tranzystor jednozłączowy 6 3

4 TRNYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY PRMETRY Philips Semiconductors: 2N2646 zakres ujemnej rezystancji EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne tranzystor jednozłączowy 7 TRNYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY ZSTOSOWNIE Generator wykorzystanie ujemnej rezystancji U E R 1 R 2 t C U E wy U wy (U RL ) R L t EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne tranzystor jednozłączowy 8 4

5 STRUTUR p-n-p-n Brak polaryzacji: J 1 J 2 J 3 p ++ n p + n ++ Polaryzacja zaporowa: J 1 J 2 J 3 p ++ n p + n ++ J 1 zaporowo, J 2 przewodząco, J 3 zaporowo EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne struktura p-n-p-n 9 STRUTUR p-n-p-n Polaryzacja przewodząca: blokowanie J 1 J 2 J 3 p ++ n p + n ++ J 1 przewodząco, J 2 zaporowo, J 3 przewodząco Polaryzacja przewodząca: przewodzenie akumulacja elektronów akumulacja dziur J 1 J 2 J 3 p ++ n p + n ++ I J 1 przewodząco, J 2 przewodząco, J 3 przewodząco EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne struktura p-n-p-n 10 5

6 DYNISTOR I U BR I H I B0 U U H U B0 U B0 napięcie załączenia U H napięcie podtrzymania U BR napięcie przebicia I H prąd podtrzymania EiT 2010 r. PD&IB Elementy elektroniczne dynistor 11 STRUTUR p-n-p-n z BRMĄ J 1 J 2 J 3 p ++ n p + n ++ G Pod wpływem prądu bramki I G następuje wstrzykiwanie elektronów z katody przez złącze J 3, które wywołują przebicie lawinowe w złączu J 2 zanim napięcie U osiągnie U B0 załączenie tyrystora sterowany dynistor tyrystor Raz załączony tyrystor nie może być wyłączony prądem bramki (chyba, że jest to GTO). Wyłączenie następuje przez zanik prądu anodowego, lub zmianę polaryzacji napięcia U. EiT 2010 r. PD&IB Elementy elektroniczne tyrystor 12 6

7 TYRYSTOR I G G U BR I L I H I IN I G2 > I G1 I G =0 U U H U B2 U B1 U B0 U Bx napięcie załączenia przy I gx U H napięcie podtrzymania U BR napięcie przebicia I H prąd podtrzymania I L prąd pewnego przełączenia I IL prąd włączenia przy U B0 EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne tyrystor 13 TYRYSTOR zastosowanie obwody o dużych prądach i napięciach elektroenergetyka, napędy elektryczne, trakcje elektryczne, układy regulacji operujące na dużych mocach przekształtniki o fazowym sterowaniu sterowniki napięcia zmiennego, sterowane prostowniki napięcia, falowniki w układach elektrotermicznych do regulacji mocy grzania w elektrotechnice samochodowej tyrystorowe układy zapłonowe, a także zastępują układy przekaźnikowe sterowanie oświetleniem tyrystorowe regulatory oświetlenia, ściemniacze EiT 2010 r. PD&IB Elementy elektroniczne tyrystor 14 7

8 DI Dwie struktury: n-p-n-p i p-n-p-n połączone równolegle J 1 J 2 J 3 n ++ p n + p ++ J 1 J 2 J 3 p ++ n p + n ++ Struktura pięciowarstwowa: n-p-n-p-n p n p EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne struktura n-p-n-p-n diak 15 DI I U EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne diak 16 8

9 DW TYRYSTORY - TRI Struktura pięciowarstwowa: n-p-n-p-n z bramką G n p n p n n EiT 2010 r. PD&IB Elementy elektroniczne triak 17 TRI I G U EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne traiak 18 9

10 PÓŁPRZEWODNIOWE PRZYRZĄDY ŁDUNOWE CCD Charge-Coupled Devices EiT 2013 r. PD&IB 19 ondensator MOS zubożenie G warstwa zubożona brak inwersji studnia potencjału generacja termiczna prąd ciemny Czas relaksacji termicznej czas potrzebny na wypełnienie obszaru zubożonego ładunkiem Q I i powstanie warstwy inwersyjnej (nasycenie) O (SiO 2 ) półprzewodnik typu P B (podłoże) U G >> 0 równowaga termodynamiczna potencjał powierzchniowy: s 2 F F potencjał Fermiego EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 20 10

11 Struktura CCD S G 1 O (SiO 2 ) G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 D półprzewodnik typu P B (podłoże) Jak to działa? EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 21 Struktura CCD transport ładunku U G 1 = U in U G2 = U 1 S G 1 O (SiO 2 ) G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 D półprzewodnik typu P B (podłoże) U G2 U 2 U 1 U G3 U 2 t 1 t 2 U 1 t 1 t 2 EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 22 11

12 Struktura CCD transport ładunku U G 1 = 0 U G2 = U 1 U G2 = U 2 S G 1 O (SiO 2 ) G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 D półprzewodnik typu P B (podłoże) U G2 U 2 U 1 U G3 U 2 t 1 t 2 U 1 t 1 t 2 EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 23 Struktura CCD transport ładunku U G 1 = 0 U G2 = 0 U G2 = U 1 S G 1 O (SiO 2 ) G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 D półprzewodnik typu P B (podłoże) U G2 U 2 U 1 U G3 U 2 t 1 t 2 t 3 U 1 t 1 t 2 t 3 EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 24 12

13 Struktura CCD transport ładunku U zas U G 1 = 0 U G2 = 0 U G3 = 0 U G4 = 0 U G5 = 0 U G6 = U 1 I out R L G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 S D U out O (SiO 2 ) półprzewodnik typu P B (podłoże) U G2 U 2 U 1 t U G3 U 2 U 1 t 1 t 1 t 2 t 2 t 3 t 3 t Struktura CCD należy do grupy: CTD charge transport devices EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 25 Struktura CCD (podział): Struktura CCD SCCD surface charge-coupled device BCCD bulk charge-coupled device z kanałem zagrzebanym Sposoby wprowadzania ładunku (informacji): generacja lawinowa pod bramką G 1 wstrzykiwanie nośników z obszaru dyfuzyjnego obok pierwszej elektrody generacja nośników w skutek oświetlenia zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 26 13

14 Struktura CCD Parametry: maksymalna wielkość gromadzonego ładunku sprawność (efektywność) transportu ładunku stosunek ładunku odebranego na wyjściu do ładunku na wej. Zjawiska: D n wsp. dyfuzji elektronów 2 skończony czas przelotu (dyfuzja termiczna L ) 2,5D n rekombinacja i pułapkowanie ładunku w stanach powierzchniowych istnienie barier potencjałów pomiędzy studniami różne prędkości elektronów L odległość, miedzy bramkami EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 27 Sensor optyczny CCD BUDOW i DZIŁNIE U 1 G 11 O (SiO 2 ) G 12 G 13 G 21 G 22 G 23 G 31 G 32 G 33 out p-podłoże B h h h EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne CCD 28 14

15 Sensor optyczny CCD Hydrauliczna zasada działania EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne sensor CCS 29 Sensor optyczny CMOS ktywny piksel EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne sensor CMOS 30 15

16 Porównanie CCD i CMOS CCD Duży zakres dynamiki Małe szumy Duży pobór mocy Średnia niezawodność Małe rozmiary pikseli Wymaga układów zewnętrznych (odczytowych) Duży współczynnik wypełnienia nalogowy sygnał wyjściowy CMOS Średni zakres dynamiki Większe szumy, ale szybszy Średni pobór mocy Bardziej niezawodny (scalenie w jednym chipie) Większe rozmiary pikseli Scalony w jednym chipie Mniejszy współczynnik wypełnienia Cyfrowy sygnał wyjściowy EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne sensor CMOS 31 Sensory CCD i CMOS EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne sensor CCD vs. CMOS 32 16

17 BEZZŁĄCZOWE ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIOWE warystor, termistor, fotorezystor, piezorezystor, rezonator piezoelektryczny, hallotron, magnetorezystor EiT 2012 r. PD&IB 33 WRYSTOR Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o silnej zależności rezystancji od napięcia I VDR Voltage Dependent Resistor U węglik krzemu U tlenki metali b U I stała materiałowa b współczynnik nieliniowości (zwykle od 0,1 do 1) EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne warystor 34 17

18 WRYSTOR Budowa: Struktura polikrystaliczna z węgliku krzemu (SiC) lub tlenku cynku (ZnO) spiekana z domieszkami innych tlenków metali (Bi2O3, MnO, Sb2O3, itp.) ZnO Bi 2 O 3 Ziarnista struktura warystora odpowiada elektrycznej sieci kondensatorów i rezystorów oraz złącz półprzewodnikowych na krawędzi ziaren EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne warystor 35 WRYSTOR Parametry: max. napięcie pracy napięcie charakterystyczne (przy danym prądzie) max. prąd max. rozpraszana moc max. energia rozpraszanego impulsu (i jego parametry) pojemność Zastosowanie: zabezpieczenia obwodów przed przepięciami (zasilacze, prostowniki, rozwierane styki, linie energetyczne i transformatory, odgromniki itd.) stabilizacja napięcia filtry, przetworniki częstotliwości (wykorzystanie nieliniowości) EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne warystor 36 18

19 TERMISTOR Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od temperatury T R Ch-ki rezystancyjno-temperaturowe CTC PTC U Ch-ka napięciowo-prądowa NTC NTC T I BT RT _ PTC 1 2e T _ NTC e EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne termistor 37 R, 1, 2 stałe wsp., B stała materiałowa B T TERMISTOR Rodzaje: NTC (Negative Temperature Coefficient) ujemny współczynnik temperaturowy wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji PTC (Positive Temperature Coefficient) dodatni współczynnik temperaturowy, tak zwany wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji (pozystor) CTR (Critical Temperature Resistor) skokowa zmiana rezystancji wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowny wzrost rezystancji R (bezpieczniki polimerowe) CTC PTC NTC T EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne termistor 38 19

20 Jak działa termistor? 3 Eg 2 2kT ni T T e 3 n i 300 1,5 10 cm 3 czyli w 1mm możemy znaleźć 15 milionów swobodnych elektronów!!! i tyleż samo dziur ;)) 10 Jaka jest wrażliwość zmian koncentracji swobodnych elektronów i dziur w samoistnym krzemie w otoczeniu temperatury T=300? należy obliczyć: dni dt i n i 3 E 2T 2kT g 2 b E T e 2 g kt po podstawieniu danych otrzymujemy: % i EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne termistor 39 TERMISTOR Budowa: Bryła odpowiednio dobranego i ukształtowanego półprzewodnika z wyprowadzeniami. Mieszanina sproszkowanych materiałów półprzewodnikowych (tlenki: manganu, niklu, kobaltu i miedzi) połączona odpowiednim spoiwem, sprasowana i spieczona w wysokiej temperaturze. Mogą być wykonane jako: pałeczki, krążki, pierścienie, cylindry, bryłki, cienkie warstwy naniesione podłoże, itd.. Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 1979 EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne termistor 40 20

21 TERMISTOR Parametry: rezystancja nominalna (R 25 ) wartość rezystancji w temp. 25 o C temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR, T ) dla CTR temperatura krytyczna dopuszczalna moc strat tolerancja Zastosowanie: pomiar i regulacja temperatury kompensacja temperaturowa innych elementów obwody opóźniające i ograniczające prądy rozruchu ograniczniki natężenia prądu (CTR) stabilizacja napięcia i amplitudy drgań R T 1 T EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne termistor 41 R T FOTOREZYTOR Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od oświetlenia (natężenia promieniowania widzialnego i niewidzialnego) LDR Light Dependent Resistor I Ch-ka prądowo-napięciowa R Ch-ka rezystancyjno-oświetleniowa E 5 E 1 < E 2 < E 3 < E 4 < E 5 E 4 I E 3 E 2 E 1 P max U max I I 0 I 0 prąd ciemny F I F prąd fotoelektryczny U E0 R E R0 E EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne fotorezystor 42 E R E rezystancja fotorezystora E natężenie oświetlenia R 0 rezystancja przy natężeniu E 0 współczynnik materiałowy dla CdS = 0,5 1 21

22 FOTOREZYSTOR h półprzewodnik Przewodność: q( n n 0 p0) p I 0 + I F Materiały: CdS siarczek kadmu CdSe selenek kadmu CdTe tellurek kadmu PbS, PbSe, CdHgTe, InSb, PbSnTe i inne U ilość nadmiarowych, samoistnych nośników: n p G L G L prędkość generacji p czas życia nośników nadmiarowych wzrost przewodności: q p)( ) p ( n p fotoprzewodnictwo EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne fotorezystor 43 FOTOREZYSTOR Parametry: czułość widmowa rezystancja ciemna - bez oświetlenia rezystancja przy określonym oświetleniu (np. 10lx, 100lx) czułość max. dla długości fali dopuszczalna moc strat czas odpowiedzi (przełączania), Zastosowanie: proste mierniki oświetlenia automatyczne włączanie oświetlenia detektory promieniowania kosmicznego EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne fotorezystor 44 22

23 PIEZOREZYTOR Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od naprężenia lub deformacji mechanicznej piezoelektryczność [gr.], zjawisko piezoelektryczne, fiz. powstawanie ładunku elektrycznego na ściankach niektórych kryształów pod wpływem ich ściskania lub rozciągania wzdłuż jednej z osi krystalograficznych; odkryta 1880 przez Pierre a i Paula Curie; wykorzystywana w przyrządach pomiarowych, mikrofonach, gramofonach. tensometry czujniki mechano-elektryczne EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne piezorezystor 45 PIEZOREZYSTOR Tensometr rezystancyjny l l R S S odkształcenie: l R mała czułość k = 1,63,5 Tensometr krzemowy pręt krzemowy (wym.: 0,1x0,1x510mm) R k l R 0 podkładka izolacyjna R0 k R l0 l k = R rezystancja płytki po przyłożeniu siły, R 0 rezystancja początkowa (bez działania siły) l długość płytki po przyłożeniu siły, l 0 początkowa długość płytki (bez działania siły EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne piezorezystor 46 23

24 PIEZOREZYSTOR - TENSOMETR Parametry: czułość rezystancja wymiary Zastosowanie: tensometry półprzewodnikowe piezorezystancyjne czujniki ciśnienia (w układach scalonych) piezoelektryczny czujnik przyspieszenia silnik piezoelektryczny (mikrosilnik) EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne piezorezystor 47 REZONTOR PIEZOELETRYCZNY Płytka wycięta z monokryształu kwarcu (SiO 2 ) po doprowadzeniu napięcia sinusoidalnego zaczyna drgać z częstotliwością rezonansową, w skutek odwrotnego efektu piezoelektrycznego. Model zastępczy C 0 L k C k 2 s 2 s s Qk Zk ( s) 2 s C k 2 sc0 s s 1 s Qk C0 r k rezonans szeregowy s 1 L C k dobroć rezonatora slk Qk r k k rezonans równoległy 1 C k r s 1 C C 0 2C k 0 L Reaktancja X Z w funkcji częstotliwości k Ck C0 dla bezstratnego rezonatora kwarcowego Rysunek zaczerpnięto z S. uta Elementy i układy elektroniczne, GH 2000 EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne rezonator piezoelektryczny 48 24

25 PÓŁPRZEWODNI W POLU MGNETYCZNYM Wpływ pola magnetycznego na nośniki ładunku w półprzewodniku v e E x I U x EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnik w polu magnetycznym 49 PÓŁPRZEWODNI W POLU MGNETYCZNYM Wpływ pola magnetycznego na nośniki ładunku w półprzewodniku Siła Lorentz a: F q( v B) B v e E x I U x EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnik w polu magnetycznym 50 25

26 PÓŁPRZEWODNI W POLU MGNETYCZNYM Wpływ pola magnetycznego na nośniki ładunku w półprzewodniku E R y H J x B z V E x E y B Z I U x R H stała Halla: dla pp. donorowych: RH 3 8 qnn dla pp. akceptorowych: RH 3 8 qp p HLLOTRON EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnik w polu magnetycznym 51 HLLOTRON Przyrząd półprzewodnikowy, działający w oparciu o zjawisko Halla U y Ch-ka napięciowo-prądowa wyjściowa U Ch-ka oddziaływania pola magnetycznego I x3 I x2 B 1 < B 2 < B 3 I x1 B 3 U y B 1 B 2 Ch-ka napięciowo-prądowa oddziaływania prądu sterującego U B 3 y y y y B1 < B 2 < B 3 B 2 B 1 I y I x U y U RH (0) c (0) R I x B I z B R y rezystancja obszaru roboczego R H stała Halla c grubość obszaru roboczego EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne hallotron 52 26

27 HLLOTRON Parametry: czułość rezystancja wejściowa R x temperaturowy współczynnik rezystywności i stałej Halla parametry graniczne (max. prąd, napięcie, temperatura pracy, itd.) Zastosowanie: pomiar natężenia pola magnetycznego różnego rodzaju czujniki ruchu pośredni pomiar dużych prądów, mocy itp. pomiary wielkości nieelektrycznych (kąt obrotu, przesunięcie, drgania itp.) EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne hallotron 53 MGNETOREZYSTOR - GUSSOTRON Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od pola magnetycznego R B Ch-ka rezystancyjna B R 0 B R R B 0 0 R R R 0 SB 2 R 0 rezystancja początkowa S kwadratowy współczynnik magnetorezystancji B natężenie pola magnetycznego EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne gaussotron 54 27

28 GUSSOTRON Parametry: rezystancja początkowa współczynnik magnetorezystancji Zastosowanie: podobne jak hallotrony EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne gaussotron 55 UŁDY SCLONE EiT 2014 r. PD&IB 56 28

29 UŁD SCLONY - DEFINICJ Układ scalony układ elektroniczny wykonany jako nierozłączne połączenie elementów elektronicznych, w jednym cyklu technologicznym wewnątrz lub na wspólnym podłożu. EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 57 PODZIŁ UŁDÓW SCLONYCH Monolityczne wykonane w bryle półprzewodnika bipolarne unipolarne Hybrydowe wykonane na wspólnym podłożu cienkowarstwowe grubowarstwowe nalogowe pracują z sygnałami analogowymi Cyfrowe pracują z sygnałami cyfrowymi EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 58 29

30 UŁDY SCLONE - PROJETOWNIE tranzystor NMOS PMOS EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 59 UŁDY SCLONE - PROJETOWNIE rezystor cewka kondensator EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 60 30

31 UŁDY SCLONE - PROJETOWNIE varaktor EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 61 UŁDY SCLONE - PROJETOWNIE EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 62 31

32 UŁDY SCLONE - PROJETOWNIE EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 63 UŁDY SCLONE - PROJETOWNIE EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 64 32