Pracownia fizyczna i elektroniczna S. Prąd elektryczny w obwodach; przypomnienie podstawowych pojęć i praw. dq I = dt

Podobne dokumenty
Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Pracownia Fizyczna i Elektroniczna Struktura układu doświadczalnego. Wojciech DOMINIK. Zjawisko przyrodnicze

Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2010/2011

Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2016

Pracownia Fizyczna i Elektroniczna 2014

u(t)=u R (t)+u L (t)+u C (t)

WYKŁAD 2 Pojęcia podstawowe obwodów prądu zmiennego

Pracownia Technik Pomiarowych dla Astronomów 2014

Pracownia Fizyczna i Elektroniczna 2012

Pracownia fizyczna i elektroniczna S. Prąd elektryczny w obwodach; przypomnienie podstawowych pojęć i praw

Pracownia Fizyczna i Elektroniczna 2017

Pojęcia podstawowe obwodów prądu zmiennego

Szeregowy obwód RLC. u(t)=u R (t)+u L (t)+u C (t) U L = R U U L C U C DOBROĆ OBWODU. Obwód rezonansowy szeregowy - częstość rezonansowa = 1.

Pracownia fizyczna i elektroniczna. Wykład lutego Krzysztof Korona

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Pracownia fizyczna i elektroniczna. Wykład 1. 9 marca Krzysztof Korona

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Badanie charakterystyki diody

Czym jest prąd elektryczny

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Prawo Ohma. qnv. E ρ U I R U>0V. v u E +

Pracownia fizyczna i elektroniczna. Wykład marca Krzysztof Korona

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Obwody prądu zmiennego

Elektryczne własności ciał stałych

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

TRANZYSTORY BIPOLARNE ZŁĄCZOWE

średnia droga swobodna L

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Układy nieliniowe. Stabilizator - dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) Logiczna bramka NAND. w.7, p.1

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

Rozszczepienie poziomów atomowych

Siła elektromotoryczna

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Przerwa energetyczna w germanie

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Wykład V Złącze P-N 1

Rys.1. Struktura fizyczna diody epiplanarnej (a) oraz wycinek złącza p-n (b)

Wstęp do ćwiczeń na pracowni elektronicznej

Instrukcja do ćwiczenia: Badanie diod półprzewodnikowych i LED (wersja robocza)

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

W5. Rozkład Boltzmanna

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki Politechnika Łódzka

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

Układy nieliniowe. Stabilizator dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) w.9, p.1

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

RÓWNANIE RÓśNICZKOWE LINIOWE

Wykład Drgania elektromagnetyczne Wstęp Przypomnienie: masa M na sprężynie, bez oporów. Równanie ruchu

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

PRĄD STAŁY. Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków wewnątrz przewodnika pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Układy nieliniowe. Stabilizator dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) w.9, p.1

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

TRANZYSTORY BIPOLARNE ZŁĄCZOWE

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Natężenie prądu elektrycznego

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

TRANZYSTORY BIPOLARNE ZŁĄCZOWE

Ćwiczenie 241. Wyznaczanie ładunku elektronu na podstawie charakterystyki złącza p-n (diody półprzewodnikowej) .. Ω.

Przyrządy półprzewodnikowe

Złącza p-n, zastosowania. Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

Warunek zaliczenia wykładu: wykonanie sześciu ćwiczeń w Pracowni Elektronicznej

Elementy elektroniczne Wykłady 3: Półprzewodniki. Teoria złącza PN

Teoria pasmowa ciał stałych

Skończona studnia potencjału

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Podstawy krystalografii

BADANIE DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

A6: Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Prąd elektryczny - przepływ ładunku

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Podstawy działania elementów półprzewodnikowych - diody

Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2012

Elektryczne własności ciał stałych

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Wykład FIZYKA II. 2. Prąd elektryczny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Transkrypt:

03 Pracownia fizyczna i elektroniczna S http://pe.fuw.edu.pl/ Wojciech DOMNK 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

Prawo Ohma: * Współczynnik proporcjonalności między napięciem i natężeniem: opór lub rezystancja Siła elektromotoryczna E : napięcie na odcinku obwodu zawierającego źródło prądu, a nie zawierającego rezystancji Drugie prawo Kichhoffa: dla obwodu zamkniętego i i E E 3 33 5 Pierwsze prawo Kirchhoffa: dla dowolnego węzła sieci elektrycznej i i 0 3 4 3 4 5 dzielnik napięcia - podstawowy obwód elektryczny E we wy w y w e Działanie większości obwodów elektrycznych można opisać jako układ jednego lub kilku dzielników napięcia

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 wy wy E wy max E/ wy wy 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 Ewe E wy w y w e wy wy Znajomość rezystancji (impedancji) wewnętrznych układów elektrycznych oraz parametrów ich źródeł jest podstawą świadomego posługiwania się urządzeniami elektrycznymi 3

Natężenie prądu (prąd): i( dq dt E~ u( i( 3 33 i( W każdym punkcie obwodu elektrycznego natężenie prądu ma jednakową wartość harakterystyki prądowo napięciowe elementów i ich konfiguracja decydują o charakterystyce obwodu Prawa Kirchhoffa podstawą analizy obwodu!!! kłady złożone z elementów biernych Bierne elementy elektroniczne to: opór () indukcyjność () pojemność () ogólnienie prawa Ohma dla prądów zmiennych: i : f napięcie u( jest liniowym funkcjonałem prądu i( opór : u i( di( indukcyjność : u dt q( pojemność : u i( dt Prawa Kirchhoffa obowiązują!!! ezystancja mpedancja Z 4

Obwód szeregowy zasilany ze źródła napięciowego o zmiennej sile elektromotorycznej: u( 0 j e jωt 0 zespolona amplituda napięcia ωπν natężenie prądu: jωt i( 0 e 0 zespolona amplituda natężenia Z drugiego prawa Kirchhoffa: E i i równanie ruchu ładunku elektrycznego - częstość kołowa di( i t dt u t i t ( ) ( ) ( ) dt Podstawiając wyrażenia na i( i u( otrzymujemy: Składowe impedancji Z: opór: indukcyjność: pojemność: Z Z Z jω jω 0 Z jω o ~ u( E(e [u(] i( i( jω Z jest impedancją obwodu i( mpedancja jest wielkością zespoloną Postać algebraiczna impedancji zastępczej obwodu złożonego zależy od kształtu obwodu!!! ezystancja: część rzeczywista impedancji e(z) Z eaktancja: część urojona impedancji m(z) m(z) eprezentacja impedancji na płaszczyźnie zespolonej: m(z) e(z) tg(φ) φ e(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 z 3 n n Z... n... z n Szeregowe połączenie impedancji: ównoległe połączenie impedancji: Z Z Z... Z Z n Z... Z Z Z Z n 5

Szeregowy obwód Źródło napięciowe u( o zmiennej sile elektromotorycznej u(u (u ( ównanie ruchu ładunku elektrycznego: Prąd w obwodzie: u i Po podstawieniu do równania ruchu: Napięcie na oporze : i t dt u t i t ( ) ( ) ( ) u t dt u t u t ( ) ( ) ( ) u d [ u( u dt ] Napięcie na oporze jest zróżniczkowanym napięciem na kondensatorze! Napięcie na pojemności : u ( u(- u ( u [ u( u ] dt Napięcie na pojemności jest scałkowanym napięciem na oporniku! Obwód całkujący (filtr dolnoprzepustowy) Napięcie wyjściowe: u u wy u wy i( dt (0) (0) - początkowe napięcie na kondensatorze uwe uwy prąd płynący w obwodzie i( po podstawieniu: ( u u ) dt (0) u wy we wy ( gdy u wy <<u we : u wy uwe( dt (0) 6

Obwód całkujący (filtr dolnoprzepustowy) uwe( Z Dla sygnału harmonicznego: uwy Z jωt uwe wee uwy jω Stosunek : napięć uwe jω Transmitancja: wy we ω dzielnik napięcia!!! wy/we 0.7... 0, pasmo transmisji obszar dobrego całkowania Przesunięcie fazowe między napięciem wyjściowym a wejściowym: ϕ arctan( ω) Pasmo transmisji filtra dolnoprzepustowego w skali częstości: od 0 doν g Dla częstości granicznej: πν g ω g τ wy we Z m tgϕ Z Z e Z π ϕ 4 0,0 0 00 000 0000 00000 νg zęstość [Hz] ϕ [rad] 0,0-0,5 -π/4 -,0 -,5 0 00 000 0000 00000 νg zęstość [Hz] Obwód różniczkujący (filtr górno-przepustowy) Napięcie wyjściowe: u u wy u wy ( i( ( u u ( )) dq d i we wy t dt dt u wy po podstawieniu: ( u u ( )) d we wy t dt prąd płynący w obwodzie d gdy u wy << u we uwy uwe dt 7

Obwód różniczkujący (filtr górno-przepustowy) c.d. Dla sygnału harmonicznego: u we jωt wee Stosunek napięć: Transmitancja: u u wy we u wy we wy u we jω ω ( ω) Z dzielnik napięcia!!! wy/we 0, obszar dobrego różniczkowania przesunięcie fazowe między napięciem wyjściowym i wejściowym: [( ω ) ] ϕ arctan Pasmo transmisji filtra górnoprzepustowego w skali częstości od ν g do πν g ω g τ Dla częstości granicznej: wy we m tgϕ Z e Z π ϕ 4 wy<<we pasmo transmisji 0,0 0 00 000 0000 00000 ϕ [rad] νg zęstość [Hz],5,0 0,5 0,0 0 000 0000 00000 00 π 4 zęstość [Hz] νg Szeregowy obwód Źródło napięciowe u( o zmiennej sile elektromotorycznej E(e [u(] Z drugiego prawa Kirchhoffa: u(u (u (u ( ównanie ruchu ładunku elektrycznego: Prąd płynący w obwodzie: di( i t dt u t i t ( ) ( ) ( ) dt u i du( u t dt u t u t ( ) ( ) ( ) dt czyli: jeśli u( 0 e jωt impedancja o Z jω 0 jω 8

Obwód rezonansowy szeregowy - częstość rezonansowa Szeregowy układ : napięciowe źródło sygnału przemiennego częstość ω amplituda o u we 0 sinωt Z zasady dzielnika napięcia: uwe jω jω uwe u u( u jω jω jω jω ω Dla częstości rezonansowej 0 amplituda napięcia wyjściowego osiąga wartość największą WY uwe u jω jω rezonans m(z) 0 amplitudy napięć na elementach obwodu mają wartości: 0 0 0 znika łączna impedancja elementów reaktancyjnych > impedancja obwodu napięcia na kondensatorze i indukcyjności osiągają wartości maksymalne W rezonansie amplitudy napięcia na indukcyjności lub na pojemności mogą przekroczyć amplitudę napięcia wejściowego!!! Filtr rezonansowy szeregowy Sygnał wejściowy harmoniczny, częstość ω jωt uwe( wee Transmitancja obwodu: Stosunek amplitud napięcia wyjściowego do wejściowego: WY/WE, 0,8 0,6 0,4 0, 0,0 u u wy we ω 0 wy we mh, nf 50 Ω 300 Ω 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 ν 8 g ν g częstość [Hz] Z ω ω napięcie wyjściowe : napięcie na oporniku uwe uwy u jω jω Przesunięcie fazowe między napięciem wyjściowym i wejściowym: m tgϕ Z e Z π/ π/4 faza [rad] 0.0 -π/4 -π/ Dzielnik napięcia!!! ω ϕ arctan ω ω 0 0 3 0 4 0 5 0 6 0 ν 7 g ν g częstość [Hz] mh, nf 50 Ω 300 Ω 9

Obwód drgań elektrycznych (obwód ) kondensator naładowany do napięcia 0 ównanie ruchu ładunku w obwodzie: różniczkujemy: i di dt d i di i 0 dt dt podstawiamy do równania różniczkowego pierwiastki równania kwadratowego: A, α idt 0 równanie algebraiczne: 4 Amplitudy A i A wyznaczamy z warunków początkowych: di i( 0) 0 A A A zakładamy postać rozwiązania: ozwiązanie równania kombinacją liniową rozwiązań z α i α : c0 i( Ae α α 0 α [ i A ( α α ) 4 αt αt α t i( A e A e 0 ] A dt t 0 ( α α ) 0 Przypadki: 4 jest liczbą rzeczywistą, rozwiązania mają charakter dwuwykładniczy: po wzbudzeniu prąd w obwodzie zanika 4 jest liczbą urojoną rozwiązania mają charakter oscylacyjny: częstość oscylacji: ω x 4 i A ( e e ) α t < 4 0 i e ω 4 jx x jx Przypadek szczególny, gdy 0 : drgania niegasnące i 0 sin( ω0.. t α t sin( ω x natężenie [ma] 0.5 0 0 - kład antyoscylacyjny mh, nf, 5kΩ 05 V 0 4 6 8 0 czas [µs] natężenie[ma] kład drgający : mh, nf, 300 Ω 05 V 0 0 0 30 czas [µs] jx jx e e e e cos x sin x e jx cos x j sin x j częstość oscylacji: ω 0 0

Opór, indukcyjność i pojemność to pojęcia teoretyczne zeczywiste konstrukcje - opornik, cewka czy kondensator zawierają wielkości pasożytnicze (z indeksem p) Przy pewnych częstościach sygnału wielkości pasożytnicze mogą istotnie zniekształcić własności elementu Każdy rzeczywisty bierny element elektroniczny jest złożonym układem impedancji Złącze p-n: dioda Półprzewodniki Przewodnictwo półprzewodników Dioda Dioda: element nieliniowy

Przewodnictwo kryształów Atomy dyskretne poziomy energetyczne (stany energetyczne); określone energie elektronów ATOM KYSZTAŁ ATOM atom zjonizowany KYSZTAŁ 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 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 uch 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: nee σ m τ e Ze wzrostem temperatury rośnie koncentracja fononów (zwiększają się drgania sieci krystalicznej) W metalach ze wzrostem temperatury: - zwiększenie rozpraszania i zmniejszenie τ e - koncentracja elektronów zmienia się bardzo słabo (n e cons SKTEK: opór metali zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury e 3

ozwój materiałów półprzewodnikowych: German 947 958 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 (diamen 5.46 ev amorficzny Si.7 ev Popularne związki półprzewodnikowe: przerwa energetyczna GaAs.4 ev GaP.6 ev GaSb 0.66 ev nas 0.354 ev np.344 ev nsb 0.7 ev Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej: GaN nn AlN Si przerwa energetyczna 3.4 ev.89 ev 6. ev. 3. ev Mechanizm przewodnictwa - półprzewodniki samoistne energia elektronu elektron dziura E E e kt T300 K kt0.05 ev elektron w paśmie walencyjnym absorbuje porcję (kwan 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 ównowaga dynamiczna gęstości nośników obu rodzajów. ozkład energii E nośników: w przybliżeniu rozkład Boltzmanna: ( ) n e exp E kt k8.6*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 4

Półprzewodniki domieszkowane TYP N donor P, As, Sb poziom donorowy E Nośniki większościowe 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 Złącze p-n e - Doświadczenie myślowe : dokonujemy zetknięcia kryształu typu p z kryształem typu n początkowo każdy z kryształów jest elektrycznie obojętny p h - - - - n óżnica stężeń nośników powoduje dyfuzję: kryształ typu p naładował się ujemnie elektrony obszaru n dyfundują do obszaru typu p, dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n, kryształ typu n naładował się dodatnio Bariera potencjału Φ ogranicza dyfuzję nośników i prowadzi do stabilizacji sytuacji w złączu. równowaga dynamiczna 5

energia dziur półprzewodnik p dziurowy prąd rekombinacji potencjał półprzewodnik n rozkład energii dziur e E/ kt liczba dziur liczba elektronów Φ e E / kt e elektronowy prąd rekombinacji rozkład energii elektronów wypadkowy prąd rekombinacji prąd generacji G energia elektronów uch nośników jest odpowiedzialny za dziurowy i elektronowy prąd rekombinacji, składające się na wypadkowy prąd rekombinacji Prąd rekombinacji jest proporcjonalny do liczby nośników zdolnych pokonać barierę potencjału Φ: ( ) exp e A ( Φ ) kt exp eφ E kt de W złączu niespolaryzowanym całkowity prąd płynący przez złącze jest równy zeru, gdyż prąd jest równoważony przez prąd generacji G G Stąd prąd generacji: ( e G A exp Φ ) kt para elektron - dziura potencjał p n prąd generacji G 6

SPOAYZOWANE złącze p-n c.d. - p n Φ Φ. Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym - Bariera potencjału wzrasta do wartości Φ - Zmniejsza się liczba nośników zdolnych pokonać podwyższoną barierę - Prąd rekombinacji maleje SPOAYZOWANE złącze p-n - energia dziur p n prąd dziurowy rekombinacji Φ Φ- prąd elektronowy rekombinacji energia elektronów. Napięcie zewnętrzne przyłożone w kierunku przewodzenia - Zmniejszenie bariery potencjału Φ o wartość - ośnie liczba nośników, zdolnych pokonać barierę potencjału Φ - - Prąd płynący przez złącze wzrasta 7

SPOAYZOWANE 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: A ( Φ ) e exp kt [ ] e G exp kt e G exp kt równanie opisujące pracę złącza p-n, złącze p-n r r r G (równanie Shockley a) 00 DODA 0 G - - -4-0 4 80 60 40 0 0-4 - 0 4 6 8

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 p0.35 p0.65 p.3 [V] Podstawowe zastosowanie nieliniowych własności złącza p-n prostowanie prądów elektrycznych Prostownik jednopołówkowy WE WY t WE WY t 00 80 60 40 0 0-4 - 0 4 6 9

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 awinowe 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 ) Dioda świecąca (elektroluminescencyjna) ruch elektronów p rekombinacje n ruch dziur złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia w złączu następują intensywne spontaniczne procesy rekombinacyjne ekombinacja dziury i elektronu jest związana z emisją kwantu promieniowania o energii równej w przybliżeniu szerokości przerwy energetycznej harakterystyka prądowo-napięciowa podobna do charakterystyki diody prostowniczej 0

Ćwiczenie: Badanie diod półprzewodnikowych. el ćwiczenia. Zapoznanie się z różnymi rodzajami diod półprzewodnikowych: dioda prostownicza krzemowa, dioda świecąca (ED) oraz dioda Zenera generator KŁAD POMAOWY 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 Dokonać pomiaru charakterystyki diody D f( D ) Dzielnik napięcia: WE D WY, D wy/ Wykreślić wyniki dla dodatnich napięć, stosując na osi prądów skalę logarytmiczną Dopasować charakterystykę diody używając zmodyfikowanego równania Shockley a MkT D ln e G D - 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 ED i wyznaczyć tą samą metodą napięcie przewodzenia. zy przekroczenie napięcia przewodzenia powoduje świecenie diody? W tym samym obwodzie wykonać pomiar charakterystyki dla diody Zenera (BZX55, niebieska). Wyznaczyć napięcie Zenera i napięcie p