ELEKTRONIKA SS-I, AiR, III sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h (H22/B3) SS-I, AiR, IV sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h ( ) Wykład (IIIsem): Elementy i układy elektroniczne dr inż. Jan Deskur, pok. 626, tel. 665-2735, 8776135 (dom) Jan.Deskur@put.poznan.pl www.put.poznan.pl\~jan.deskur Zakład Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Instytut Automatyki i Inżynierii Informatycznej Laboratorium (III sem.): mgr inż. Adam Maciejuk, mgr inż. Dariusz Janiszewski, mgr inż. Bogdan Fabiański
Program wykładów w semestrze III 0. Wprowadzenie 1h 1. Elementy elektroniczne 7h 2. Wzmacniacze operacyjne i komparatory 6h 3. Filtry aktywne i generatory sygnałów 4h 4. Szumy i zakłócenia w układach elektronicznych 4h 5. Przetworniki A/C i C/A 6. Wybrane zagadnienia współczesnej elektroniki 4h 4h 2
Literatura przedmiotu (IIIsem.) - książki i skrypty 1. Marian P. Kaźmierkowski, Jerzy T. Matysik WPROWADZENIE DO ELEKTRONIKI I ENERGOELEKTRONIKI, Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, W-wa, 2005, s.432 2. Waldemar Nawrocki, Krzysztof Arnold, Krzysztof Lange, UKŁADY ELEKTRONICZNE, Wyd. PP, Poznań, 2002, str.193. 3. Piotr Górecki, WZMACNIACZE OPERACYJNE; podstawy, aplikacje, zastosowania. Wyd. BTC, 2002, str.252. 4. John Watson, ELEKTRONIKA, WKiŁ, 2002, s.446 5. Mirosław Rusek, Jerzy Pasierbiński. ELEMENTY I UKŁADY ELEKTRONICZNE w pytaniach i odpowiedziach. WNT, 2003. 6. Zbigniew Nosal, Jerzy Baranowski, UKŁADY ELEKTRONICZNE. Część I - Układy analogowe liniowe. (cz.ii...nieliniowe) WNT, 2003 Seria Podręczniki akademickie. Elektronika. Informatyka. Telekomunikacja 7. Andrzej Filipkowski, UKŁADY ELEKTRONICZNE ANALOGOWE I CYFROWE, WNT, 2003, Seria Podręczniki akademickie. EIT 8. Ulrich Tietze, Christoph Schenk, UKŁADY PÓŁPRZEWODNIKOWE. WNT, 1996 9. Paul Horowitz, Winfield Hill, SZTUKA ELEKTRONIKI. ti,ii, WKiŁ, 1997. 3
Wprowadzenie do elektroniki 1. 2. 3. 4. 5. Czym zajmuje się elektronika?... sterowanym ruchem elektronów w próżni i gazach (el. próżniowa) oraz ciałach stałych (el. półprzewodnikowa) Podział ze względu na rodzaj zjawisk i obszar zastosowań: elektronika kwantowa, plazmowa, przemysłowa, medyczna, energoelektronika, piezoelektronika, optoelektronika,... Elementy, podzespoły, układy, systemy elektroniczne - element (= prosta, nierozdzielna konstrukcyjnie część) - element bierny (rezystor, kondensator,..) - element czynny (ogniwo, tranzystor, tyrystor itp.) - podzespół (np. potencjometr, przełącznik, przekaźnik) - układ (=zbiór połączonych elementów spełniający określoną funkcję, np. wzmacniacz, filtr itp.) Rewolucja mikroelektroniczna (układy scalone) Klasyfikacje układów scalonych - analogowe, cyfrowe, mieszane (analogowo - cyfrowe) - półprzewodnikowe (bipolarne, unipolarne), hybrydowe (warstwowe) - SSI(<100), MSI(<1000), LSI(<100000), VLSI, ULSI(>106) - standardowe ( o stałej strukturze), programowalne 4
Elektronika próżniowa - dioda 5
Elektronika próżniowa - trioda 6
Elektronika próżniowa - lampa elektronopromieniowa 7
Elektronika próżniowa - lampa elektronopromieniowa 8
Budowa atomu poziomy energetyczne elektronów 9
Budowa krystaliczna krzemu a) obraz przestrzenny, b) model dwuwymiarowy dla T = 0 K 10
Drgania cieplne siatki krystalicznej T > 0 K. Powstawanie par: elektron swobodny - dziura 11
Model pasmowy atomu 4 q m W= 2 2 2 8 n h 0 W b) a) W - energia elektronu [ev] q - ładunek elektronu (1.6 10-19 C) m - masa elektronu ( 1.78 10-31 kg) n - liczba naturalna h - stała Plancka (6.625 10-34 J s) ε0 stała elektryczna próżni (8.854 10-34 F/m) a) odosobniony atom, b) atom w siatce krystalicznej 12
Powstawanie elektronów swobodnych i dziur Szerokość pasma zabronionego dla różnych półprzewodników Półprzewodnik InSb Pb Ge Si GaAs Se CdS W g[ev] 0.18 0.37 0.67 1,12 1,43 1,7 1,9 13
Pasma energetyczne w ciałach stałych a)izolatory, b) półprzewodniki, c) metale 14
Ważniejsze półprzewodniki stosowane w elektronice Grupa IV Półprzewodnik Si, Ge, SiC III V II - VI GaP, GaAs, GaAsP, InSb, InAs CdS, CdSe, MgO IV - VI PbS, PbSe, PbTe Zastosowanie Diody, tranzystory, fotoogniwa, fotodiody, fototranzystory, warystory Diody LED, hallotrony, gausotrony Fotorezystory, termistory (NTC) Fotorezystory 15
Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 16
Półprzewodnik samoistny g=r n i= pi 2 ni pi =ni T =const ni = A exp W g / 2kT g - szybkość generacji termicznej nośników (par elektron-dziura) r - szybkość rekombinacji nośników n - koncentracja elektronów (liczba elektronów w jednostce objętości) p - koncentracja dziur i - samoistny (intrinsic) A - stała materiałowa k - stała Boltzmana T - temperatura bezwzględna 17
Półprzewodnik domieszkowany, typu n N n = N d n N d n12 10 32 P n = p= = 18 =1014 m 3 N d 10 N n P n Nd - koncentracja atomów donorowych Nn - koncentracja atomów w materiale typu n Pn - koncentracja dziur w paśmie walencyjnym n,p koncentracja elektronów i dziur generowanych termicznie 18
Półprzewodnik typu p 19
Siatka krystaliczna w półprzewodnikach 20
Siatka krystaliczna w półprzewodnikach (2) 21
Generacja, rekombinacja ; czas życia nośników 2 L =D L - droga dyfuzji D - stała dyfuzji t - czas życia nośników 22
Rekombinacja za pomocą centrów pułapkowych 23
Oddziaływanie pola elektrycznego na nośniki; konduktywność półprzewodników i x=n q v x S J x =n q v x J x = E x vx =n q =n q Ex ix - natężenie prądu (składowa w kierunku x) n - koncentracja nośników ładunku vx - prędkość ruchu (unoszenia) ładunków w kierunku pola Ex natężenie pola elektrycznego w kierunku x σ - konduktywność półprzewodnika µ - ruchliwość nośników 24
Prąd elektryczny w metalach i roztworach 25
Prąd elektryczny w półprzewodnikach 26
Technologia uzyskiwania i oczyszczania monokryształu 27
Podstawowe parametry materiałów półprzewodnikowych 28
Rezystory stałe 29
Ciągi E6, E12, E24 znamionowych rezystancji 30
Elementy bierne strukturowe (do montażu powierzchniowego) 31
Rozmiary elementów strukturowych 32
Charakterystyki termistorów 33
Pytania (wstęp, elementy bierne i elektronika próżniowa) 1. Czym zajmuje się elektronika? 2. Wyjaśnij różnice między elektroniką analogową i cyfrową 3. Czym różnią się czynne elementy elektroniczne od biernych? 4. Narysuj i objaśnij symbole biernych elementów elektronicznych. 5. Wymień rodzaje rezystorów, ich parametry i charakterystyki 6. Jak dzielą się mikroelektroniczne układy scalone? 7. Naszkicuj diodę z żarzoną katodą i wyjaśnij jej działanie 8. Po co w triodzie stosuje się siatkę? 9. Dlaczego w lampach elektronopromieniowych stosuje się wysokie napięcie? 10. Objaśnij dlaczego w kineskopach stosuje się magnetyczne odchylanie wiązki, a w oscyloskopach - elektrostatyczne. 11. Jak nazywa się materiał pokrywający przednią część lampy elektronopromieniowej? 34
Oddziaływanie pola elektrycznego na nośniki; konduktywność półprzewodników i x=n q v x S J x=n q v x J x = E x vx =n q =n q Ex ix - natężenie prądu (składowa w kierunku x) n - koncentracja nośników ładunku vx - prędkość ruchu (unoszenia) ładunków w kierunku pola Ex natężenie pola elektrycznego w kierunku x σ - konduktywność półprzewodnika µ - ruchliwość nośników 35
Rezystory warstwowe Rezystywność półprzewodnika: = 1 1 = q n n p p Rezystancja rezystora warstwowego: R= R L =ρ/h - L R a rezystywność powierzchniowa warstwy długość, a szerokość h grubość warstwy 36
Rezystory liniowe a) charakterystyka b) symbole 37
Parametry rezystorów Rezystancja R ( charakterystyka dla nieliniowych) Moc znamionowa PN = UN IN (0.01W.. 500W) Napięcie graniczne (250V.. 2kV) Współczynnik temperaturowy rezystywności [%/K] = 0.02..0.2 38
Rezystory nieliniowe a) charakterystyka b) symbol R = U/I = tg(α0) : rezystancja statyczna r = du/di = tg(αd) : rezystancja dynamiczna (przyrostowa) 39
Warystor U = c I =0.1 0.6 U = c I 1 I du 1 r= = c I = R di R= 40
Tyrektor 41
Termistory typów NTC, PTC, CTR T T 0 RT = RT0 exp B T 0T 1 drt d T [%/ K ] = RT dt 42
Fotorezystor 43
Przykładowe charakterystyki fotorezystorów 44
Magnetorezystory (gaussotrony) 45
Efekt Halla w półprzewodniku 46
Hallotron UH KH B I 47
Rezonatory piezoelektryczne f / f 0 = 10 6 10 11 48