Elektronika IZa studij PolitehnikeFilozofski fakultet u Rijeci

Prof. dr.sc. Ivo Orli

1. UvodSistematizacijaKarakteristike elektronikih elementaParametri statistikih karakteristikaStrujni krug s nelinearnim elementimaGranine i tipine vrijednostiDinamiko ponaanjeTemperaturna ovisnost parametaraOdvod topline s elektronikih komponentiGraa elektronikih komponentietveropoli **Elektronika 1 I. Orli

2. Osnovni elektroniki elementiOsnove poluvodike elektronikePoluvodika diodaBipolarni tranzistorUnipolarni tranzistor (FET)TiristoriPoluvodiki senzori

Otpornici, kondenzatori, zavojnice ...

2.1 Osnove poluvodike elektronikeOsnovna svojstva poluvodikih materijalaSvojstva dopiranog poluvodiaSpoj p-n Spoj p-n u strujnom krugu

2.1.1. Osnovna svojstva poluvodikih materijalaElektroniki elementi sastavni dijelovi elektronikih sklopovaVakumska elektronika zamjenjena elektronikom vrstog stanjaVodii i PoluvodiiOsnovno svojstvo materijala: vodljivostRaspon vodljivosti: Dobri vodii: 0.5 x 108 S/m do Izolatori: 1x10-10 S/mPoluvodii: naziv rezerviran za materijale ija vodljivost ovisi o istoi/sastavu materijala ili o vanjskim uvjetima (temperatura, svijetlost,,)Vodljivost je funkcija koncentracije slobodnih nabojaTakva svojstva imaju:Sulfidi, arsenidi, fosfidiElementi kao germanij, silicij

2.1.1. Osnovna svojstva poluvodikih materijalaObjanjenje ponaanja poluvodia:Kvantni efekti za potrebe ovog predmeta pojednostavljena slikaPrimjer Silicija:etverovalentan materijalKovalentna veza primjer, metanSpin: +1, -1 ili up/downPrimjer H2 molekule

Kovalentna veza je veza kojom se veu dva ista ili razliita nemetala.Ona se formira udruivanjem elektrona u zajednike elektronske parove. U kovalentnoj vezi uestvuju samo nespareni elektroni zadnje ljuske pri emu nastaje molekulska orbitala u kojoj elektroni imaju manju energiju, a time i veu stabilnost.

Primjer molekule vodika

Metan

Najjednostavniji nain za predstavljanje kovalentne veze u molekuli je tzv. "Lewisova" struktura ili struktura elektronskih toaka u kojoj su valentni elektroni atoma predstavljeni kao take.Tako na primjer, vodik svoj 1s elektron predstavlja jednom takom, ugljik ima etiri take (2s2 2p2), kisik ima est taaka (2s2 2p4) itd. Stabilna molekula se postie samo onda kada svi atomi u molekuli postignu konfiguraciju plemenitog plina: oktet (osam elektrona) za veinu atoma odnosno dva za vodik.

Kovalentna veza se formira udruzivanjem elektronskih parova a moze biti:Jednostruka kovalentna veza - nastaje stvaranjem jednog zajednikog elektroskog para ( sigma veza )Dvostruka kovalentna veza - nastaje stvaranjem dva zajednika elektonska para ( sigma veza i 1 veza )Trostruka kovalentna veza - nastaje stvaranjem tri zajednika elektronska para ( sigma, 1 i 2 veza)

Izolatori

VODII

Neistoe

SEMICONDUCTOR

P- & N- tip poluvodia

Electron tube

Vodljivi pojashttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/27/Bndermodell-Potentialtpfe-Mg.svg

Princip rada p-n spojaDobra prezentacija na linku:

p-n spoj u strujnom kruguPonaa se kao sklopka ovisno o smjeru prikljuenog napona imati emo ili:Zapornu ili reverznu polarizaciju, iliPropusnu polarizaciju

p-n spoj vaan u svim suvremenim elektronikim primjenama i za razumijevanje svih ostalih poluvodikih elemenatateorija p-n spoja je temelj fizike poluvodikih elemenataosnovnu teoriju I-U karakteristike p-n spoja je postavio Shockleyosnovne poluvodike jednadbe koriste za razvoj idealnih statikih i dinamikih karakteristika pn spojageneracijsko-rekombinacijske brzine u osiromaenom podruju, injekcija nositelja i serijski otpor odreuju I-U karakterisitke p-n spojaefekti - proboj spoja, lavinska multiplikacija, prijelazna pojavap-n spoj je dvokontaktni element ovisno o profilu primjesa, geometriji elementa, uvjetima napajanja moe izvravati razne funkcije

pn spoj u termikoj ravnotei i bez prikljuenog naponaigure A. A pn junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Electrons and holes concentration are reported respectively with blue and red lines. Gray regions are charge neutral. Light red zone is positively charged. Light blue zone is negatively charged. The electric field is shown on the bottom, the electrostatic force on electrons and holes and the direction in which the diffusion tends to move electrons and holes.

Figure B. A pn junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Under the junction, plots for the charge density, the electric field and the voltage are reported.

Dioda

FORWARD BIASREVERSE BIAS

Oblikovanje P-N spoja, raspodjela gustoe nabojaraspodjela gustoe naboja

Raspodjela elektrinog polja

Pitanja i zadaci:

Objasnite razliku izmedu vodia, poluvodia i izolatora! Kakav utjecaj imaju neistoe na vodljivost poluvodia? to su to donori, a to akceptori? to su to poluvodii P-tipa, a to su poluvodii N-tipa?

Poluvodika dioda: svojstvaDirektna grana karakteristike IF=f(UF) odgovara propusno polariziranom ventilu, Invertirana grana IR=f(UR) zaporno polariziranom ventilu. Pri odredenim vrijednostima zapornog napona zaporna struja naglo raste pa nastaje proboj PN-prijelaza.Velicina zapornog napona pri kojem nastaje proboj nazvana je probojnim naponom UPROB.Strujno-naponske karakteristike dioda izrazito ovise o temperaturi PN-prijelaza, Porastom temperature znatno poraste zaporna struja uz neznatno povecanje probojnog napona, dok se pad napona na propusno polariziranoj diodi smanji.**Elektronika 1 I. Orli

Poluvodika dioda: Osnovni naziviNazivna propusna struja IF - je maksimalna doputena trajna struja diode pri kojoj se ne prekorai doputeno zagrijavanje pri nazivnim uvjetima hladenja. Silicijske slojne diode izrauju se za propusne struje do 1000 A, dok su nazivne struje germanijskih slojnih dioda znatno manje.

Nazivni propusni napon UF jest pad napona na propusno polariziranoj diodi pri nazivnoj propusnoj struji. Kod silicijskih slojnih dioda iznosi 0,7-:-1 V, a kod germanijskih slojnih diodi je manji, (0,3 -:- 0,6) V.**Elektronika 1 I. Orli

Nazivni nepropusni ili zaporni napon UR Naz je maksimalna vrijednost napona koji nepropusno polarizirana dioda moe podnijeti trajno bez opasnosti da e nastupiti proboj. Doputeni zaporni naponi kod silicijskih slojnih dioda mogu biti i nekoliko kV, dok su kod germanijskih slojnih dioda znatno nii.Nazivna nepropusna iii zaporna struja IR NAZ jest struja koja tee kroz diodu pri nazivnom zapornom naponu UR NAZ**Elektronika 1 I. Orli

Vrste poluvodikih diodaPrema materijalu: silicijske i germanijske

Prema obliku: tokaste i slojne**Elektronika 1 I. Orli

Vrste poluvodikih diodaTokaste Germanijske diode:

Kontakt je otri metalni vrh koji se naslanja na N tip germanijaPri formiranja P-N spoja prouta se strujni impuls kroz kontakt metala i kristal, time se grije kontakt i formira P-N barijeraKoriste se za detektore i diskriminatore, za male struje i visoke frekvencije do 150 MHz

**Elektronika 1 I. Orli

Vrste poluvodikih diodaSlojne germanijske diode:

Sastoji se od kristala germanija s dodatkom antimona ili arsena i na kristal zataljene kapljice metala. Na germanije se zatali Indij koji pri zagrijavanju difundira u kristal i formira dopirano podruje.Kristal se lemi na olovnu ploicu koja je smjetena na kuite.Koriste se u energetici, podnose visoke struje.

**Elektronika 1 I. Orli

Karakteristika diode

Karakteristika idealne diode

Karakteristika idealne diode

Dioda s izvorom napona i serijskim otporom:Karakteristika realne diode

Snimanje karakteristika dioda

Snimanje strujno naponske karakteristike diode

Propusni smjer: napon okidanja ili napon koljena, tresholdO.6 do 0.7 V za Si0.2 do 03V za Ge

Zaporni smjer: ako napon predje Ubr dolazi do proboja, tzv. probojni napon.Mogue je da e u tom sluaju dioda pregorjetiProbojni napon za si diode je od nekoliko desetaka V do nekoliko kV

Karakteristike diode:Doputeni napon zaporne polarizacijeDoputena jakost struje IF u propusnoj polarizaciji; od mA do kADoputeni utroak snageTemperaturno podruje

Tehnika svojstva i podaciKataloki podaci navode karakteristike kao to su granine vrijednosti:Trajno/Kratkotrajno podnolljivi zaporni naponpodnoljivi zaporni naponTrajno/Kratkotrajno podnoljivu propusnu strujuStatika i dinamika svojstvaPropusni napon pri nekoj propusnoj strujiZaporna struja pri zapornom naponu i temperaturiVrijeme oporavkaToplinski otpori

Tehnika svojstva i podaciPodnoljivi zaporni naponi:Preko 1.5 kVpropusnua struja: i do 2 A/mm2Vrijeme oporavka: vrijeme potrebno da pri trenutnoj promjeni polariteta propusn struja poprimi vrijednost zaporne struje bitno dinamiko svojstvo diode (ispod 1 ns)Dinamika svojstvaZbog zagrijavanja esto daleko od idealne diode

DiodaProputaju struju u jednom smjeru

Primjena-ispravlja

*