Elektronika program Złącze p-n, diody półprzewodnikowe. Elementy optoelektroniczne. Prostowniki. Zasada działania BJT, charakterystyki statyczne, modele, parametry. Układy polaryzacji i stabilizacja punktu pracy. Parametry robocze wzmacniacza. Przełączanie tranzystora bipolarnego, inwerter. Zasada działania tranzystora JFET i MOSFET, charakterystyki statyczne, modele, parametry, zastosowania. Parametry wzmacniacza. Układy polaryzacji i stabilizacja punktu pracy. Tranzystor bipolarny i unipolarny jako sterowane źródła prądowe. Przełączanie, inwerter CMOS. Półprzewodnikowe przyrządy mocy. Charakterystyki statyczne i dynamiczne. Wzmacniacz różnicowy. Źródła prądowe i napięciowe, obciążenia aktywne, lustro prądowe. Wzmacniacze operacyjne, parametry, sprzężenie zwrotne i układy pracy. Wzmacniacz pomiarowy. Układy z nieliniowym sprzężeniem zwrotnym. Komparatory. Stopnie wyjściowe i wzmacniacze mocy. Stabilizatory ciągłe i impulsowe. Podstawowe rodzaje układów logicznych i ich charakterystyki elektryczne. Współpraca układów cyfrowych i analogowych. Przetworniki A/C i C/A. Specyfika układów scalonych. Tendencje rozwoju mikroelektroniki.
Cel wykładu Poznanie zjawisk fizycznych, zasad działania i parametrów elementów elektronicznych, sposobów wykorzystania ich przy realizacji układów analogowych i wybranych układów impulsowych w zastosowaniach cyfrowych. Analiza i projektowanie prostych układów metodami elementarnymi (przykłady na wykładzie i na projekcie) z wykorzystaniem symulacji komputerowej (praca w domu). Elektronika Jakub Dawidziuk
Literatura podstawowa i pomocnicza 1.Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa, 2006. 2. Nosal Z., Baranowski J.: Układy elektroniczne, cz.i - Układy analogowe liniowe. WNT, Warszawa, 2003. 3. Baranowski J., Czajkowski G.: Układy elektroniczne, cz.ii - Układy analogowe nieliniowe i impulsowe. WNT, Warszawa, 2004. 4. Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszwa, 2009. 5. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki. Cz. I i II. WKiŁ, Warszawa, 2006. 1.Górecki P.: Wzmacniacze operacyjne. Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2002. 2.Rusek M., Pasierbinski J.: Elementy i układy elektroniczne. WNT, Warszawa, 2006. 3.Sedra A.S.., Smith K.C.: Microelectronic Circuits. Oxford University Press New York ; Oxford, 2004. 4. Praca zbiorowa: Elementy i układy elektroniczne, projekt i laboratorium, WPW, 2007.
JEDNOSTKI MIAR - PRZEDROSTKI T 10 12 G - 10 9 M - 10 6 k - 10 3 m - 10-3 tera giga mega 3 kilo mili µ - 10-6 mikro n - 10-9 p - 10-12 f - 10-15 nano piko femto Przy skracaniu jednostki z przedrostkiem, symbol jednostki następuje po przedrostku, bez odstępu. Nazwy jednostki nie pisze się dużą literą, jeśli jest ona podawana w pełnym brzmieniu, zarówno z przedrostkiem, jak i bez niego; duże litery stosuje się tylko w skrótach. Piszemy: herc i kiloherc, ale Hz i khz; wat, miliwat i megawat, ale, W, mw i MW.
Symbole, duże i małe litery Symbole Duże litery Q, I, V, U, R, G, C, L i inne oznaczją wartości statyczne tzn. niezależne od czasu (lub bardzo wolno zmienne tzn. quasi-statyczne). Małe litery q, i, v, u, r, g i inne oznaczają funkcje czasu odpowiednich wielkości czyli naprawdę: q(t), i(t), v(t), u(t) lub wielkości dynamiczne tzn. definiowane w oparciu o przyrosty lokalne. Wyjątki: t czas, T temperatur w skali bezwzględnej, f częstotliowść, ω- częstość.
POCZĄTEK ERY PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 1943-1959 1948 wynalezienie tranzystora ostrzowego Bardeen, Brattain, Shockley Nagroda Nobla w 1956 1950 opracowano diody mocy 100 A USA 1951 tranzystor złączowy Shockley 1957 tyrystor (SCR) (Bell Lab, USA) 1959 pierwszy układ scalony Kilby Nagroda Nobla w 2000 Pierwszy ostrzowy tranzystor germanowy na stole laboratoryjnym w Bell Laboratories - rok 1947
Elementy półprzewodnikowe i układy scalone 1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza 5. Charakterystyki prądowo-napięciowe 6. Parametry techniczne diod ELEKTRONIKA 1 Jakub Dawidziuk
Rodzaje przyrządów półprzewodnikowych Rozwój elektroniki był i jest ściśle związany z rozwojem przyrządów półprzewodnikowych (PP), osiąganiem przez nie większych prądów przewodzenia, wyższych napięć blokujących i korzystniejszych parametrów dynamicznych. Przyrządy półprzewodnikowe to: diody półprzewodnikowe, tranzystory bipolarne i unipolarne, tyrystory konwencjonalne, wyłączalne i sterowane napięciowo, układy scalone analogowe i cyfrowe.
Struktura krystaliczna monokryształu krzemu (Si) koncentracja atomów 5 10 22 cm -3 a=2-3 Å, (1 Å = 10-10 m) Krzem na ostatniej powłoce ma cztery elektrony walencyjne. Aby zapełnić tę powłokę, atomy zajmują miejsce w siatce krystalicznej w taki sposób, że każdy z nich jest związany swoimi elektronami walencyjnymi z czterema sąsiednimi atomami, tworząc wiązanie kowalentne.
Model planarny pojedynczego atomu i periodycznej struktury półprzewodnika Dopóki temperatura (i energia) kryształu jest niewielka, elektrony walencyjne są związane w sieci kryształu. Brak wolnych elektronów uniemożliwia zatem przepływ ładunku elektrycznego. Krzem na ostatniej powłoce ma cztery elektrony walencyjne (wartośćiowość 4). Decydują one o właściwościach chemicznych i elektrycznych. Sieć krystaliczna ma przy tym taką budowę, że atomy są wzajemnie związane ze sobą poprzez uwspólnienie tych elektronów - jest to tzw. wiązanie kowalencyjne (kowalentne).
Generacja pary elektron-dziura w pp samoistnym R = ρ = l ρ S RS l Ωm m 2 = Ωm Dopóki temperatura (i energia) kryształu jest niewielka, elektrony walencyjne są związane w sieci kryształu. Brak wolnych elektronów uniemożliwia zatem przepływ ładunku elektrycznego. Gdy temperatura jest wysoka przyrost energii powoduje rozerwanie wiązań kowalencyjnych, a elektrony zaczynają przewodzić prąd. Gdy półprzewodnik znajduje się w polu elektrycznym, zaczyna działać na niego przyłożone napięcie, co objawia się przeciwbieżnym ruchem elektronów i dziur. Ładunki w pp poruszają się także pod wpływem drgań sieci krystalicznej związanych z energią cieplną, gromadząc się w jednym obszarze tworząc tzw. prąd dyfuzyjny (swobodny przepływ ładunków większościowych.)
Półprzewodniki domieszkowane Własności pp samoistnych mogą być znacznie zmienione jeżeli do siatki krystalicznej zostaną wprowadzone domieszki. Domieszkowanie powoduje zmniejszenia rezystancji materiału samoistnego. Każdy atom domieszki może wziąć udział w przewodzeniu prądu w postaci jednego swobodnego elektronu lub dziury. Materiał samoistny zawiera w 1 cm 3 około 10 10 elektronów i dziur. Koncentracja domieszki wznosi około 10 15 cm -3 wolnych elektronów lub dziur. Liczba nośników prądu zwiększa się około 10 5 razy. Tyle razy zmniejszona zostaje rezystancja półprzewodnika.
Półprzewodniki domieszkowane donorami - pp typu n akceptorami - pp typu p jon=rdzeń
Półprzewodnik typu n Ruchome elektrony (nośniki większościowe), nieruchome jony dodatnie
Półprzewodnik typu p Ruchome dziury (nośniki większościowe), nieruchome jony ujemne
Złącze pn niespolaryzowane stan równowagi Złącze pn jest podstawową strukturą mikroelektroniki i optoelektroniki: diody (prostownicze, pojemnościowe itd.), emitery promieniowania (LED, lasery), detektory promieniowania, ogniwa słoneczne, inne wielowarstwowe pp.
Złącze p-n Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Schemat złącza p-n i jego niektóre właściwości przedstawiono na rysunku. Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n jest znacznie większa niż w obszarze p, w którym stanowią one nośniki mniejszościowe. Podobnie koncentracja dziur w obszarze p jest znacznie większa niż w obszarze n. Wskutek różnicy koncentracji następuje dyfuzja nośników większościowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n. Nośniki te po przejściu warstwy granicznej ulegają rekombinacji. W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej (obszarze przejściowym) po stronie obszaru n zanikają elektrony swobodne, a pozostają niezrównoważone elektrycznie dodatnie jony donorów, tworząc dodatni ładunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje ujemny ładunek przestrzenny w granicznej warstwie przejściowej po stronie obszaru p. Na złączu powstaje pole elektryczne i bariera potencjału. Pole elektryczne przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych, natomiast sprzyja przepływowi generowanych termicznie nośników mniejszościowych: elektronów swobodnych z obszaru p do n i dziur w kierunku przeciwnym. Opisany powyżej przepływ nośników większościowych nazywa się prądem dyfuzyjnym, a przepływ nośników mniejszościowych - prądem termicznym.
Polaryzacja złącza
Polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym oraz prądy w złączu
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody
Parametry pracy diody złączowej U RWM szczytowe wsteczne napięcie pracy, U RRM powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne, U RSM niepowtarzalnie szczytowe napięcie wsteczne.
Model eksponencjalny diody V=U napięcie ang. voltage pa 25 mv; 1/V T = 40 V -1 k = 1,38 10-23 J/K Potencjał elektrokinety czny q = 1,6 10-19 C Model może być używany w znanych z elektrotechniki metodach analizy.
Modele diody odcinkowo-liniowe Spadek napięcia na diodzie przyjmuje się stały równy 0,6-0,7 V.
Odcinkowo-liniowa metoda analizy Zastąp nieliniowe charakterystyki odcinkami (segmentami) liniowymi. Wykonaj liniową analizę w ramach każdego odcinka (segmentu). Przykład: zbudujmy przekształtnik prąd zmienny AC (Alternating Current) prąd stały DC (Direct Current ).
Przykład: przekształtnik AC DC
Testowanie diod (złącz pn)
Parametry katalogowe diody prostowniczej
Obudowy diod i mostków