Indywidualna Pracownia Elektroniczna 200/20 http://pe.fuw.edu.pl/ Wojciech DOMINIK
Indywidualna Pracownia Elektroniczna 200 Wykłady czwartek sala 7, wtorek sala 09 na Pasteura Badanie diod 5-X-200 0-3 półprzewodnikowych Tranzystor bipolarny. Wzmacniacz tranzystorowy Cyfrowe układy scalone Wzmacniacze operacyjne. Stabilizator napiecia Elektroniczna aparatura pomiarowa 2-X-200 0-3 9-X-200 2-X-200 4-XI-200 9-XI-200 0-3 4-7 4-7 0-3 30-XI-200 0-3 Badanie diod półprzewodnikowych Tranzystor bipolarny. Wzmacniacz tranzystorowy Cyfrowe układy scalone Wzmacniacze operacyjne. Stabilizator Ćwiczenia IV piętro Pasteura 7-X-200 4-7 4-X-200 4-7 26-X-200 0-3 28-X-200 4-7 2-XI-200 0-3 6-XI-200 8-XI-200 23-XI-200 25-XI-200 0-3 4-7 0-3 4-7 Konsultacje 2-XII-200 4-7 Zaliczenie-egzamin 7-XII-200 0-3
INDYWIDUALNA PRACOWNIA ELEKTRONICZNA. Plan zajęć Pracowni przewiduje 7 wykładów i 5 ćwiczeń. Wykład stanowi integralną część Pracowni. 2. 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 trakciećwiczeń. 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 może spowodować obniżenie oceny, odmowę przyjęcia go lub 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 tego kolokwium dopuszczone będą tylko osoby, które otrzymały oceny pozytywne wszystkich ćwiczeń..kolokwium końcowe ma charakter egzaminu ustnego i obejmuje cały materiał programu Pracowni. 2.Materiały Pracowni i informacje bieżące znaleźć można na stronach: pe.fuw.edu.pl PPS - Pracownia Przyjazna Studentowi
Prąd elektryczny w obwodach; przypomnienie podstawowych pojęć i praw Prąd: uporządkowany ruch ładunków elektrycznych I Natężenie prądu (prąd - I): I = dq dt ilość ładunku dq przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt Napięcie elektryczne (U): spadek potencjału na części obwodu elektrycznego nie zawierającej źródeł prądu
Prawo Ohma: U = I * 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 U =IR Drugie prawo Kichhoffa: dla obwodu zamkniętego i IR i = E R R E I 2 U 2 =IR 2 R 3 U 3 =IR 3 I 5 Pierwsze prawo Kirchhoffa: dla dowolnego węzła sieci elektrycznej i I i = 0 I 2 I I 3 I 4 I + I 2 + I 3 = I 4 + I5
Układy złożone z elementów biernych Bierne elementy elektroniczne to: opór (R) indukcyjność (L) pojemność (C) Uogólnienie prawa Ohma dla prądów zmiennych: i = : f ( t) napięcie u(t) jest liniowym funkcjonałem prądu i(t) opór R: u ( t) = Ri( t) indukcyjność L: u( t) = di( t) L dt pojemność C: q( t) u ( t) = = i( t) dt C C Prawa Kirchhoffa obowiązują!!! Rezystancja R Impedancja Z
Obwód szeregowy RLC zasilany ze źródła napięciowego o zmiennej sile elektromotorycznej: u( t) = U 0 j = e jωt U 0 zespolona amplituda napięcia ω=2πν natężenie prądu: jωt I i( t) = I 0 e 0 zespolona amplituda natężenia E = Z drugiego prawa Kirchhoffa: U i równanie ruchu ładunku elektrycznego u( t) - częstość kołowa = Ri( t) + opór: Składowe impedancji Z: indukcyjność: pojemność: i Z L Z C di( t) L dt Z R = R = jωl = jωc i( t) dt + C Podstawiając wyrażenia na i(t) i u(t) otrzymujemy: E(t)=Re [u(t)] i(t) R ~ u(t) L C i(t) U0 = Z = R + jωl + I o jωc i(t) Wielkość Z jest impedancją obwodu Impedancja jest wielkością zespoloną Postać algebraiczna impedancji zastępczej obwodu złożonego zależy od kształtu obwodu!!!
Rezystancja: część rzeczywista impedancji Re(Z) Z Reaktancja: część urojona impedancji Im(Z) Im(Z) Reprezentacja impedancji na płaszczyźnie zespolonej: φ Im(Z) Re(Z) = tg(φ) Re(Z) tangens kąta przesunięcia fazowego φ 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 R2 R3 Rn R R2 Rn R Z = R + R 2 +... + R n = + +... + R R R R z 2 n Szeregowe połączenie impedancji: Równoległe połączenie impedancji: Z = Z + Z +... + Z Z 2 Z n = Z + Z +... + Z 2 Z n
dzielnik napięcia - podstawowy obwód elektryczny R E=U we R 2 U = U U wy w y w e R R + 2 R 2 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 jωt we( t) = U wee Z Stosunek : napięć Transmitancja: U U u u u wy wy wy we we ( t) = ( t) ( t) = u we ( t) Z jωc = R + jωc 2 ω R 2 C 2 + C dzielnik napięcia!!! U wy /U we = 0.7... 2 0, pasmo transmisji RC obszar dobrego całkowania Przesunięcie fazowe między napięciem wyjściowym a wejściowym: ϕ = arctan( ωrc) Pasmo transmisji filtru dolnoprzepustowego w skali częstości: od 0 doν g U Dla częstości granicznej: U 2 πν g = ω g = = τ wy we = Z Im tgϕ = Z Z Re Z 2 C C RC π ϕ = 4 0,0 0 00 000 0000 00000 ν g ϕ [rad] 0,0-0,5 -π/4 -,0 -,5 Częstość [Hz] 0 00 000 0000 00000 ν g Częstość [Hz]
Teoria obwodów rozważa dwa rodzaje idealnych źródeł energii elektrycznej: E I Źródło napięciowe: Napięcie E na jego zaciskach (siła elektromotoryczna) nie zależy od natężenia prądu wyjściowego Źródło prądowe: Prąd wyjściowy I 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 U wy E I R wy I max =E/R wy U wy =IR wy
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=U we R E = U wy U w y = R 2 U w e U wy R R + 2 R 2 R R wy = R + R2 R 2 Znajomość rezystancji (impedancji) wewnętrznych układów elektrycznych oraz parametrów ich źródeł jest podstawą świadomego posługiwania się urządzeniami elektrycznymi
Analogicznym układem elektrycznym jest dzielnik prądowy I R 2 I I 2 R Prądy w poszczególnych gałęziach wynoszą: I = G G 2 I I = G + G G G I 2 + 2 2 gdzie: G = R G = 2 R 2 oznaczają przewodności gałęzi obwodu
Złącze p-n: dioda Półprzewodniki Przewodnictwo półprzewodników Dioda Dioda: element nieliniowy
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
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 w zależy od temperatury, natężenia promieniowania Izolatory - 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 Ruch elektronów w jednorodnym polu elektrycznym: W próżni: ruch jednostajnie przyspieszony W materiałach spowalnianie elektronów w wyniku zderzeń fononami dryf chmury elektronów wzdłuż pola elektrycznego z prędkością V (rzędu cm/s) znacznie mniejszą niż średnia prędkość pojedynczych elektronów w chmurze. Gęstość prądu: Fonony centra rozpraszania; np. zanieczyszczenia lub oscylacje sieci krystalicznej J Z prawa Ohma: I S = = enev I - całkowite natężenie prądu, S - pole powierzchni przekroju przewodnika, n e - koncentracja elektronów, e - ładunek elektronu Średnią prędkość V elektronu określa czas upływający między zderzeniami τ e : Σ = U l I * R = = l Σ J * S l l σ * S J = σ l - długość przewodnika, σ - przewodnictwo materiału V eστ e = 2m - natężenie pola elektrycznego, m e - masa elektronu e przewodnictwo materiału: σ = n e e 2m 2 τ e e
przewodnictwo materiału: σ = n e e 2m 2 τ e e Ze wzrostem temperatury rośnie koncentracja fononów (zwiększają się drgania sieci krystalicznej) W metalach: - zwiększenie rozpraszania i zmniejszenie τ e - koncentracja elektronów zmienia się bardzo słabo (n e const) SKUTEK: opór metali zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury
Rozwój materiałów półprzewodnikowych: German 947 958 Era Krzemu 962 GaAs 970 Wide band gap semiconductors 990 Polimery (półprzewodniki organiczne), materiały amorficzne,... Półprzewodniki elementarne (samoistne): przerwa energetyczna Si.2 ev Ge 0.66 ev C (diament) 5.46 ev amorficzny Si.7 ev Popularne związki półprzewodnikowe: przerwa energetyczna GaAs.4 ev GaP 2.26 ev GaSb 0.66 ev InAs 0.354 ev InP.344 ev InSb 0.7 ev Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej: GaN InN AlN SiC przerwa energetyczna 3.4 ev.89 ev 6.2 ev 2.2 3.2 ev
Mechanizm przewodnictwa - półprzewodniki samoistne energia elektronu elektron dziura E E e kt T=300 K kt=0.025 ev elektron w paśmie walencyjnym absorbuje porcję (kwant) energii > E, zerwanie wiązania w krysztale: uwolnienie elektronu do pasma przewodnictwa, dziura w paśmie walencyjnym - quasiładunek dodatni - może się przemieszczać Swobodne elektrony i dziury są nośnikami prądu w półprzewodnikach Równowaga dynamiczna gęstości nośników obu rodzajów. Rozkład energii E nośników w przybliżeniu rozkład Boltzmanna: ( ) n e exp E k=8.62*0-5 ev K - :stała Boltzmanna, T : temperatura [K] Para nośników elektron-dziura rekombinuje średnio po czasie 0-5 - 0-7 s Ze wzrostem temperatury rośnie ilość nośników prądu przewodność półprzewodników zwiększa się kt
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 Al, Ga, In, B TYP P W temperaturze pokojowej prawie wszystkie domieszki są zjonizowane Poprzez odpowiednie domieszkowanie można wytwarzać półprzewodniki o kontrolowanej, nadmiarowej koncentracji elektronów lub dziur
Złącze p-n Doświadczenie myślowe : dokonujemy zetknięcia kryształu typu n z kryształem typu p początkowo każdy z kryształów jest elektrycznie obojętny n + + + + e - h + - - - - p Różnica stężeń nośników powoduje dyfuzję: dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n, elektrony obszaru n dyfundują do obszaru typu p, kryształ typu n naładował się dodatnio kryształ typu p naładował się ujemnie
Złącze p-n c.d. Na styku obu materiałów powstaje bariera potencjału o wartości Φ ładunek przestrzenny Bariera potencjału ogranicza dyfuzję nośników i prowadzi do stabilizacji sytuacji w złączu. p akceptory n donory równowaga dynamiczna Φ potencjał x
energia dziur półprzewodnik p dziurowy prąd rekombinacji potencjał półprzewodnik n e E/ kt liczba dziur liczba elektronów Φ e E / kt e rozkład energii elektronów rozkład energii dziur elektronowy prąd rekombinacji wypadkowy prąd rekombinacji I R prąd generacji I G energia elektronów Ruch nośników jest odpowiedzialny za dziurowy i elektronowy prąd rekombinacji, składające się na wypadkowy prąd rekombinacji I R Prąd rekombinacji jest proporcjonalny do liczby I ( ) nośników zdolnych pokonać barierę potencjału Φ: R I = I exp e R A ( Φ ) kt exp eφ E kt de
W złączu niespolaryzowanym całkowity prąd płynący przez złącze jest równy zeru, gdyż prąd I R jest równoważony przez prąd generacji I G I R =I G ( ) Stąd prąd generacji: I I e G = A exp Φ kt para elektron - dziura potencjał p n prąd generacji I G
SPOLARYZOWANE złącze p-n c.d. - + U p n Φ Φ+U. Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym - Bariera potencjału wzrasta do wartości Φ+U - Zmniejsza się liczba nośników zdolnych pokonać podwyższoną barierę - Prąd rekombinacji maleje
SPOLARYZOWANE złącze p-n + - U energia dziur p n prąd dziurowy rekombinacji Φ Φ-U prąd elektronowy rekombinacji energia elektronów 2. Napięcie zewnętrzne U przyłożone w kierunku przewodzenia - Zmniejszenie bariery potencjału Φ o wartość U - Rośnie liczba nośników, zdolnych pokonać barierę potencjału Φ - U - Prąd płynący przez złącze wzrasta
Złącze p-n niespolaryzowane Złącze p-n spolaryzowane zaporowo (-V) Poszerzenie obszaru zubożonego Wzrost bariery potencjału Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodnictwa
SPOLARYZOWANE złącze p-n c.d. W ogólności prąd rekombinacji w złączu p-n: I R = I A ( Φ U ) e exp kt czyli: [ ] I I eu R = G exp kt Ponieważ prąd płynący przez złącze jest sumą prądu rekombinacji i generacji, to: I = I G + I R [ ( ) ] I = I eu G exp równanie opisujące pracę złącza p-n, kt 2 złącze p-n I (równanie Shockley a) 00 I DIODA 80 0 60 40 I G - -2 U -4-2 0 2 4 20 0 U -4-2 0 2 4 6
Dioda półprzewodnikowa (prostownicza) Dla większych prądów równanie Shockley a modyfikuje się do postaci: U MkT I = ln e + I + G gdzie: r - rezystancja materiału diody (pasożytnicza), M - współczynnik związany z typem półprzewodnika M~-2 U p - napięcie przewodzenia złącza to napięcie w kierunku p przewodzenia, dla którego prąd diody osiąga umownie dużą wartość Ir I Ge Si GaAs U[V] Up=0.35 Up=0.65 Up=2.3
Podstawowe zastosowanie nieliniowych własności złącza p-n prostowanie prądów elektrycznych Prostownik jednopołówkowy U WE + U WY t WE WY t 00 I 80 60 40 20 0 U -4-2 0 2 4 6
Dioda Zenera Zastosowanie: stabilizacja napięć I D U WE >U Z U WY U Z U Z Dzielnik napięcia z diodą Zenera = stabilizator napięcia U p U 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 Uz Dopuszczalne napięcie wsteczne (zaporowe) diody jest ograniczone przez napięcie przebicia, zwane napięciem Zenera (U Z )
Dioda świecąca (elektroluminescencyjna) 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 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 UKŁAD POMIAROWY A oscyloskop obwód wyzwalanie B ext. Zbudować układ pomiarowy Wejście: przebieg trójkątny o napięciach szczytowych od -2.5V do +2.5 V i częstości 000 Hz Dioda prostownicza
Dokonać pomiaru charakterystyki diody I D =f(u D ) Dzielnik napięcia: U WE =U D +U WY, I D =Uwy/R Wykreślić wyniki dla dodatnich napięć, stosując na osi prądów skalę logarytmiczną Dopasować charakterystykę diody używając zmodyfikowanego równania Shockley a U MkT ID = ln + e IG D + I D r - pomijamy człon I D r (niewielki prąd) - pomijamy składnik (ponieważ I D >>I G ) - dopasowywanie charakterystyki będzie równoważne dopasowywaniu prostej: U D = MkT e (ln I D ln I 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 U p