Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2016

Transkrypt

1 06-0- ndywidualna Pracownia Elektroniczna 06 Wojciech DOMNK NDYWDALNA PRACOWNA ELEKTRONCZNA. Plan zajęć Pracowni przewiduje 7(8) wykładów i 5 ćwiczeń. Wykład stanowi integralną część Pracowni.. Zajęcia w Pracowni odbywają się w grupach. Przydział do danej grupy obowiązuje podczas całego semestru. 3. Obecność na wszystkich zajęciach praktycznych Pracowni jest obowiązkowa. 4. Przed każdym ćwiczeniem przeprowadzany jest sprawdzian (na ocenę). Na każdym sprawdzianie wstępnym obowiązuje znajomość materiału podanego na wykładach do dnia sprawdzianu oraz materiału zawartego w instrukcjach do ćwiczeń. 5. Dwukrotne niezaliczenie sprawdzianu wstępnego do danego ćwiczenia powoduje definitywne skreślenie z listy uczestników Pracowni. 6. Podczas ćwiczeń studenci są oceniani z przygotowania do zajęć oraz z postawy w trakcie ćwiczeń. 7. Po zakończeniu ćwiczenia student składa w ciągu jednego tygodnia krótki raport zawierający opis przebiegu ćwiczenia, opracowane wyniki oraz wnioski. Raport podlega ocenie. Nieterminowe dostarczenie raportu powoduje obniżenie oceny o 0.5 za każde 7 dni spóźnienia, a w skrajnej sytuacji odmowę przyjęcia raportu i niedopuszczenie do następnych zajęć. 8. Ocena z ćwiczenia jest wypadkową ocen ze wstępnego sprawdzianu, z raportu oraz otrzymanej w trakcie zajęć. Wszystkie oceny cząstkowe muszą być pozytywne, aby ćwiczenie mogło być uznane za zaliczone. 9. Warunkiem dopuszczenia do kolejnego ćwiczenia jest zaliczenie ćwiczenia poprzedniego. 0.Zaliczenie Pracowni następuje po zdaniu kolokwium końcowego. Do kolokwium dopuszczone będą tylko osoby, które otrzymały oceny pozytywne wszystkich ćwiczeń..kolokwium końcowe ma charakter egzaminu ustnego i obejmuje cały materiał programu Pracowni..Materiały Pracowni i informacje bieżące znaleźć można na stronach: pe.fuw.edu.pl PPS - Pracownia Przyjazna Studentowi

2 06-0- ndywidualna Pracownia Elektroniczna 06 Wykłady, P6 (B0.) lub.5, Pasteura Diody półprzewodnikowe Tranzystor bipolarny Wzmacniacz tranzystorowy Cyfrowe układy scalone Wzmacniacze operacyjne Stabilizator napięcia Zastosowanie układów FPGA w budowie aparatury pomiarowej Aparatura pomiarowa Ćwiczenia V piętro, Pasteura Diody półprzewodnikowe Tranzystor bipolarny Wzmacniacz tranzystorowy Cyfrowe układy scalone Wzmacniacze operacyjne Stabilizator napięcia Wzmacniacze operacyjne Stabilizator napięcia Konsultacje Zaliczenie egzamin Prąd elektryczny w obwodach; przypomnienie podstawowych pojęć i praw Prąd: uporządkowany ruch ładunków elektrycznych Natężenie prądu (prąd - ): dq dt ilość ładunku dq przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt Napięcie elektryczne (): spadek potencjału na części obwodu elektrycznego nie zawierającej źródeł prądu

3 06-0- Prawo Ohma: = * R Współczynnik proporcjonalności R między napięciem i natężeniem: opór lub rezystancja Siła elektromotoryczna E : napięcie na odcinku obwodu zawierającego źródło prądu, a nie zawierającego rezystancji =R Drugie prawo Kichhoffa: R dla obwodu zamkniętego R i i E E R3 R =R 3=R3 5 Pierwsze prawo Kirchhoffa: dla dowolnego węzła sieci elektrycznej i i kłady złożone z elementów biernych Bierne elementy elektroniczne to: opór (R) indukcyjność (L) pojemność (C) ogólnienie prawa Ohma dla prądów zmiennych: i : f ( t) napięcie u(t) jest liniowym funkcjonałem prądu i(t) opór R: ( t) Ri( t) u R di( t) indukcyjność L: u L ( t) L dt q( t) pojemność C: u C ( t) i( t) dt C C Prawa Kirchhoffa obowiązują!!! Rezystancja R mpedancja Z 3

4 06-0- Obwód szeregowy RLC zasilany ze źródła napięciowego o zmiennej sile elektromotorycznej: Z drugiego prawa Kirchhoffa: równanie ruchu ładunku elektrycznego jt ut () e 0 jt it () 0 e E 0 zespolona amplituda napięcia i i tdi )( tidt tu tri L )( )( )( dtc 0 zespolona amplituda natężenia E(t) =Re [u(t)] i(t) i(t) j - częstość kołowa i(t) Podstawiając wyrażenia na i(t) i u(t) otrzymujemy: opór: Składowe impedancji Z : indukcyjność: pojemność: Z R R Z L Z C j L jc 0 ZRjL jc o Wielkość Z jest impedancją obwodu mpedancja jest wielkością zespoloną Postać algebraiczna impedancji zastępczej obwodu złożonego zależy od kształtu obwodu!!! Rezystancja: część rzeczywista impedancji Re(Z) Reaktancja: część urojona impedancji m(z) Reprezentacja impedancji na płaszczyźnie zespolonej: m(z) Re(Z) tg() tangens kąta przesunięcia fazowego między napięciem i natężeniem prądu Z praw Ohma i Kirchhoffa wynikają prawa szeregowego i równoległego łączenia oporów, które pozwalają obliczać rezystancje zastępcze R z R R R 3 R n R RR... R Z R R R n n. R RR R z n Szeregowe połączenie impedancji: Równoległe połączenie impedancji: Z ZZ... Z Z... Z ZZ Z Z n n 4

5 06-0- dzielnik napięcia - podstawowy obwód elektryczny R E= we R wy R wy we R R Działanie większości obwodów elektrycznych można opisać jako układ jednego lub kilku dzielników napięcia + Wzmacniacz tranzystorowy o wspólnym emiterze Obwód całkujący (filtr dolnoprzepustowy) Dla sygnału harmonicznego: u we ( t) jt wee Stosunek napięć : Transmitancja: u u u wy wy wy we we u ( t) we ( t) Z Z ( t) jc ( t) R jc R C C dzielnik napięcia!!! wy/we , pasmo transmisji RC obszar dobrego całkowania Przesunięcie fazowe między napięciem wyjściowym a wejściowym: arctan( RC) Pasmo transmisji filtra dolnoprzepustowego w skali częstości: od 0 do g Dla częstości granicznej: g g RC wy we ZC m tg Z Z C Re Z 4 0, g Częstość [Hz] [rad] 0,0-0,5 --/4 -,0 -, g Częstość [Hz] 5

6 06-0- Analogicznym układem elektrycznym jest dzielnik prądowy R R Prądy w poszczególnych gałęziach wynoszą: G G G G G G gdzie: G R G R oznaczają przewodności gałęzi obwodu Teoria obwodów rozważa dwa rodzaje idealnych źródeł energii elektrycznej: E Źródło napięciowe: Napięcie E na jego zaciskach (siła elektromotoryczna) nie zależy od natężenia prądu wyjściowego Źródło prądowe: Prąd wyjściowy nie zależy od napięcia na zaciskach Każde rzeczywiste źródło energii elektrycznej może być przedstawione jako: - źródło napięciowe i szeregowa rezystancja wewnętrzna lub - źródło prądowe i bocznikująca je rezystancja wewnętrzna R wy wy E R wy max =E/R wy wy =R wy 6

7 06-0- Zasada Thevenina: Każdą sieć elektryczną można przedstawić w postaci obwodu zastępczego składającego się ze źródła napięciowego i szeregowej rezystancji wewnętrznej Zasada Nortona: Każdą sieć elektryczną można przedstawić w postaci obwodu zastępczego składającego się ze źródła prądowego zbocznikowanego rezystancją wewnętrzną E=we E wy R R wy R wy we R R R wy R R RR Znajomość rezystancji (impedancji) wewnętrznych układów elektrycznych oraz parametrów ich źródeł jest podstawą świadomego posługiwania się urządzeniami elektrycznymi Złącze p-n: dioda Półprzewodniki Przewodnictwo półprzewodników Dioda Dioda: element nieliniowy 7

8 06-0- Przewodnictwo kryształów Atomy dyskretne poziomy energetyczne (stany energetyczne); określone energie elektronów ATOM KRYSZTAŁ ATOM atom zjonizowany KRYSZTAŁ pasmo przewodnictwa energia poziomy wzbudzone poziom podstawowy przerwa energetyczna pasmo walencyjne E pasma energii wzbronionych pasmo elektronowe Kryształy: pasma energii dozwolonej dla elektronów oddzielone pasmami energii zabronionej E Pasmo walencyjne - najwyższe pasmo energetyczne elektronów związanych z jonami sieci krystalicznej Pasmo przewodnictwa - elektron staje się wspólny dla całego kryształu i może się w nim przemieszczać pod wpływem pola elektrycznego - nośnik prądu Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa decyduje o przewodnictwie kryształu 8

9 06-0- przewodniki półprzewodniki izolatory pasmo przewodnictwa Podział materiałów: E E< 5eV E~5-0eV pasmo walencyjne Przewodniki (metale) - pasma przewodnictwa i walencyjne częściowo przekrywają się Półprzewodniki (samoistne): pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa są rozdzielone małą przerwą energetyczną; elektrony mogą przechodzić z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa po otrzymaniu porcji energii >E (E szerokość pasma zabronionego) Źródło energii: promieniowanie elektromagnetyczne (fotony), drgania sieci krystalicznej Koncentracja nośników zależy od temperatury, natężenia promieniowania zolatory - przerwa energetyczna jest na tyle duża, że w normalnych warunkach liczba elektronów zdolnych znaleźć się w paśmie przewodnictwa jest bardzo mała. Mechanizm przewodnictwa przewodniki (metale) Prąd elektryczny - ruch ładunków pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego W próżni: ruch jednostajnie przyspieszony Ruch elektronów w jednorodnym polu elektrycznym: W materiałach spowalnianie elektronów w wyniku zderzeń fononami dryf chmury elektronów wzdłuż pola elektrycznego z prędkością v (~cm/s) znacznie mniejszą niż średnia prędkość pojedynczych elektronów w chmurze. Fonony centra rozpraszania; np. zanieczyszczenia lub oscylacje sieci przewodnictwo materiału: n e e m e Ze wzrostem temperatury rośnie koncentracja fononów (zwiększają się drgania sieci krystalicznej) W metalach: - zwiększenie rozpraszania i zmniejszenie e - koncentracja elektronów zmienia się bardzo słabo (n e const) SKTEK: opór metali zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury e 9

10 06-0- Rozwój materiałów półprzewodnikowych: German Era Krzemu 96 GaAs 970 Wide band gap semiconductors 990 Polimery (półprzewodniki organiczne), materiały amorficzne,... Półprzewodniki elementarne (samoistne): przerwa energetyczna Si. ev Ge 0.66 ev C (diament) 5.46 ev amorficzny Si.7 ev Popularne związki półprzewodnikowe: przerwa energetyczna GaAs.4 ev GaP.6 ev GaSb 0.66 ev nas ev np.344 ev nsb 0.7 ev Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej: GaN nn AlN SiC przerwa energetyczna 3.4 ev.89 ev 6. ev. 3. ev Mechanizm przewodnictwa - półprzewodniki samoistne energia elektronu elektron dziura E E e kt T=300 K kt=0.05 ev elektron w paśmie walencyjnym absorbuje porcję (kwant) energii > E, zerwanie wiązania w krysztale: uwolnienie elektronu do pasma przewodnictwa, dziura w paśmie walencyjnym quasi-ładunek dodatni - może się przemieszczać Swobodne elektrony i dziury są nośnikami prądu w półprzewodnikach 0

11 06-0- Mechanizm przewodnictwa - półprzewodniki samoistne Swobodne elektrony i dziury są nośnikami prądu w półprzewodnikach Równowaga dynamiczna gęstości nośników obu rodzajów. Para nośników elektron-dziura rekombinuje średnio po czasie s Rozkład energii E nośników rozkład Boltzmanna: k =8.6*0-5 ev K - :stała Boltzmanna, T : temperatura [K] n e ( E) exp E kt Ze wzrostem temperatury rośnie koncentracja nośników prądu przewodność półprzewodników zwiększa się F Półprzewodniki domieszkowane Nośniki większościowe donor TYP N P, As, Sb poziom donorowy E Wtrącenie do sieci krystalicznej zbudowanej z atomów czterowartościowych domieszki pięciowartościowej (donora) powoduje wytworzenie elektronu słabo związanego z siecią Wtrącenie do sieci krystalicznej zbudowanej z atomów czterowartościowych domieszki trójwartościowej (akceptora) powoduje wytworzenie dziury słabo związanej z siecią. akceptor TYP P Al, Ga, n, B W temperaturze pokojowej prawie wszystkie domieszki są zjonizowane Poprzez odpowiednie domieszkowanie można wytwarzać półprzewodniki o kontrolowanej, nadmiarowej koncentracji elektronów lub dziur

12 06-0- Złącze p-n Doświadczenie myślowe : dokonujemy zetknięcia kryształu typu p z kryształem typu n początkowo każdy z kryształów jest elektrycznie obojętny p h e - n Różnica stężeń nośników powoduje dyfuzję: dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n, elektrony obszaru n dyfundują do obszaru typu p, kryształ typu p naładował się ujemnie kryształ typu n naładował się dodatnio Złącze p-n c.d. Na styku obu materiałów powstaje próg potencjału o wysokości F ładunek przestrzenny Próg potencjału ogranicza dyfuzję nośników i prowadzi do stabilizacji sytuacji w złączu. p akceptory n donory potencjał równowaga dynamiczna! F x

13 06-0- półprzewodnik p energia dziur dziurowy prąd rekombinacji potencjał półprzewodnik n rozkład energii dziur e E / kt liczba dziur liczba elektronów F e E / kt e elektronowy prąd rekombinacji rozkład energii elektronów wypadkowy prąd rekombinacji R energia elektronów Prąd rekombinacji jest proporcjonalny do liczby nośników zdolnych pokonać próg potencjału F: R prąd generacji G Ruch nośników jest odpowiedzialny za dziurowy i elektronowy prąd rekombinacji, składające się na wypadkowy prąd rekombinacji R A exp eφ kt R e Φexp E kt de W złączu niespolaryzowanym całkowity prąd płynący przez złącze jest równy zeru, gdyż prąd R jest równoważony przez prąd generacji G R = G para elektron - dziura potencjał p n prąd generacji G Stąd prąd generacji: G A eφ exp kt 3

14 06-0- SPOLARYZOWANE złącze p-n - + p n F F +. Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym - Wysokość progu potencjału wzrasta do wartości F + - Zmniejsza się liczba nośników zdolnych pokonać wyższy próg potencjału - Prąd rekombinacji maleje SPOLARYZOWANE złącze p-n + - c.d. energia dziur p n prąd dziurowy rekombinacji F F - prąd elektronowy rekombinacji energia elektronów. Napięcie zewnętrzne przyłożone w kierunku przewodzenia - Zmniejszenie wysokości progu potencjału F o wartość - Rośnie liczba nośników, zdolnych pokonać próg potencjału F - - Prąd płynący przez złącze wzrasta 4

15 06-0- Złącze p-n niespolaryzowane Złącze p-n spolaryzowane zaporowo (-V) Poszerzenie obszaru zubożonego Wzrost progu potencjału Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodnictwa 5

16 06-0- SPOLARYZOWANE złącze p-n c.d. W ogólności prąd rekombinacji w złączu p-n: Ponieważ prąd płynący przez złącze jest sumą prądu rekombinacji i generacji, to: czyli: R R G R A e Φ exp kt G e exp kt e exp kt G równanie opisujące pracę złącza p-n, (równanie Shockley a) złącze p-n DODA 00 0 G Dioda półprzewodnikowa (prostownicza) Dla większych prądów równanie Shockley a modyfikuje się do postaci: MkT ln r e G gdzie: r - rezystancja materiału diody (pasożytnicza), M - współczynnik związany z typem półprzewodnika M~- p - napięcie przewodzenia złącza to napięcie w kierunku przewodzenia, dla którego prąd diody osiąga umownie dużą wartość Ge Si GaAs [V] p=0.35 p=0.65 p=.3 6

17 06-0- Podstawowe zastosowanie nieliniowych własności złącza p-n prostowanie prądów elektrycznych Prostownik jednopołówkowy WE + WY t WE WY t Dioda Zenera Zastosowanie: stabilizacja napięć D > WE Z WY Z Z Dzielnik napięcia z diodą Zenera = stabilizator napięcia p D Miejsce pierwotnej generacji pary elektron - dziura Lawinowe powielanie nośników prądu w złączu w silnym polu elektrycznym Miejsca wtórnej generacji par elektron - dziura Zachodzi dla napięć zaporowych większych od Z Dopuszczalne napięcie wsteczne (zaporowe) diody jest ograniczone przez napięcie przebicia, zwane napięciem Zenera ( Z ) 7

18 06-0- Dioda świecąca (elektroluminescencyjna - LED) ruch elektronów p rekombinacje n ruch dziur złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia w złączu następują intensywne spontaniczne procesy rekombinacyjne Rekombinacja dziury i elektronu jest związana z emisją kwantu promieniowania o energii równej w przybliżeniu szerokości przerwy energetycznej 00 Charakterystyka prądowo-napięciowa podobna do charakterystyki diody prostowniczej Ćwiczenie: Badanie diod półprzewodnikowych. Cel ćwiczenia. Zapoznanie się z różnymi rodzajami diod półprzewodnikowych: dioda prostownicza krzemowa, dioda świecąca (LED) oraz dioda Zenera generator KŁADPOMAROWY A oscyloskop obwód wyzwalanie B ext. Zbudować układ pomiarowy Wejście: przebieg trójkątny o napięciach szczytowych od -.5V do +.5 V i częstości 000 Hz Dioda prostownicza 8

19 06-0- Dokonać pomiaru charakterystyki diody D =f( D ) Dzielnik napięcia: WE = D + WY, D =wy/r Wykreślić wyniki dla dodatnich napięć, stosując na osi prądów skalę logarytmiczną Dopasować charakterystykę diody używając zmodyfikowanego równania Shockley a D MkT D ln e G - pomijamy człon D r (niewielki prąd) - pomijamy składnik (ponieważ D >> G ) - dopasowywanie charakterystyki będzie równoważne dopasowywaniu prostej: D MkT (ln e D D r ln G ) Zastąpić diody prostownicze diodami świecącymi LED i wyznaczyć tą samą metodą napięcie przewodzenia. Czy przekroczenie napięcia przewodzenia powoduje świecenie diody? W tym samym obwodzie wykonać pomiar charakterystyki dla diody Zenera (BZX55, niebieska). Wyznaczyć napięcie Zenera i napięcie p 9