ATR0110 ANALOOG- JA

DIGITAALTEHNIKA

Kevad 2019

Pooljuhid

Martin Jaanus NRG-308

martin.jaanus@ttu.ee 56 91 31 93

Õppetöö : http://isc.ttu.ee

Õppematerjalid : http://isc.ttu.ee/martin

Teemad

Pooljuhtseadised

Dioodid

• p-n siire, diood, stabilitron, valgusdiood, fotodiood,optron

Transistorid

• bipolaartransistor, väljatransistor

Türistorid

• dinistor, trinistor, sümistor

Pooljuhid

• Madal elektrijuhtivus toatemperatuuril

• Elektrijuhtivus kasvab temperatuuri tõustes.

• Poolmetallid (metalloidid) Ge, Si ,Se

• Mõned oksiidid ja sulamid

• Juhtivust saab muuta lisanditega (doping)

Räniaatomid 45,000,000

x.suurendatult -wikipedia

N ja P tüüpi pooljuhid

• Puhtas pooljuhis on vabade elektronide arv võrdne aukude arvuga, sest kovalentsideme katkemisel moodustuvad paarikaupa üks vaba elektron ja auk.

• Erineva lisandiga saadakse erinevat tüüpi juhtivus.

• Laengukandjateks muutuvad N tüüpi pooljuhis elektronid

• P tüüpi pooljuhis augud.

N tüüpi (lisatud fosfor) P tüüpi (lisatud alumiinium)

p-n siire

• Põhiline kaasaegse elektroonikaseadme ehituskivi.

• Tekib erinevate lisanditega pooljuhtmaterjalide kokkupuutel.

• Toimub üleminek aukjuhtivuselt P elektronjuhtivusele N.

• Ruumilaengu mõjul tekib tõkkekiht

P N

P doping N doping

Vabad augud Vabad elektronid

Pingestamata p-n siire

• P kihil on elektronide vähesuse tõttu positiivne laeng.

• N kihil on elektronide rohkuse tõttu negatiivne laeng.

• Siirde läheduses olevad elektronid täidavad lähemad augud.

• Positiivsed ja negatiivsed laengud seetõttu kaugenevad,

tekib nendevaheline pinge (räni puhul 0,6...0,7 V )

Vabad augud Vabad elektronid

+

++

+

++

+++

+

++

--

-- -

-- -

- --

-

--

--

P N

Vastupingestatud p-n siire

• Vastaslaengud tõmbuvad kihtide otstele.

• Tõkkekiht (laenguta ala) suureneb.

• Elektrivoolu ei teki.

Vabad augud Vabad elektronid

+

++

+

++

+

++

+

++

-

-

--

- -

-

-

-

-

-

--

- +P N

Augud

Elektronid

Päripingestatud p-n siire

• Tõkkekiht väheneb, kuna laengud tõugatakse siirde poole.

• Alates avanemispingest (räni puhul 0,6...0,7 V) tekib vool.

Vabad augud Vabad elektronid

+

+ +

+

+

+

++

+ +

+

+

-

--

- ---

- --

-

-

-

--

+ -P N

Augud

Elektronid

Elektroonikakomponent - diood

• Mittelineaarne kaksklemm

• Idee pärineb aastast 1874, kus saksa teadlane Ferdinand

Braun avastas pooljuhtefekti kristallides.

Alaliigid:

• Mahtuvusdiood, tunneldiood, valgusdiood, stabliitron........

• Hüdraulika analoog –

tagasilöögiklapp

Anood Katood

• Juhtivus sõltub pingest

• Põhieesmärk – vahelduvsignaali alaldamine

Elektroonikakomponent - diood

• I –dioodi vool

• IS – vastupingestatud dioodi

küllastusvool

• VD – dioodi pinge

• VT - termopinge

• k – Boltzmanni konstant

• T – absoluutne temperatuur

• q – elektroni laeng

Päripingestatud ränidioodi aseskeem

Elektroonikakomponent - diood

Valgusdiood (LED)

• Valgusdiood on pn-siirdega diood, mis muundab elektrienergiat nähtavaks valguseks, samuti optiliseks kiirguseks spektri infrapunases või ultravioletses osas.

• LED= Light Emitting Diode, 1961 , 200 USD tüki hind

• Pooljuhtmaterjal GaAs ,InP

• 1968 – masstootmine- punane, infrapunane , 5 senti tk.

• 1995 – Sinine valgusdiood InGaN (Shuji Nakamura), sai aastal 2006 milleeniumi tehnoloogia auhinna . Mitmevärviline LED ühes kestas (punane, roheline, sinine). Ehk suvaline värvus

• 2009 – Valgusdioodide masskasutus olmes (valgustid)

• Tööpõhimõte – elektoluminessents, mis tekib elektronide

ja aukude rekombinatsioonil. P-N siire tehakse serva peal.

Pilt - wikipedia

Valgusdiood (LED)

Eeltakisti arvutus

Kasutame

• Kirchhoffi pingeseadust (arvutame takistile jääva pinge VR=Vs-VL

• Ohmi seadust R=VR/I

+

–Vs Infrapuna - 1.1 V

Punane – 2 V

Kollane – 2.2 V

Roheline – 2.3V

Sinine - 3.3 V

Valge - 3.3 V

Sõltub tehnoloogiast

VL

Valgusdioodi läbiv vool normaalolekus 10-20 mA

10 mA voolu korral

Fotodiood

• Fotodiood on pooljuhtdiood, mille elektrilised omadused

sõltuvad tema pn-siirdele langevast valgusest

• Sisefotoefekti toimel tekitab valgus siirdes elektromotoorjõu.

• Fotogalvaaniline – diood muudab valgusenergia

elektrienergiaks (päikeseelemendid 1954)

• Vastupingerežiim -fototakistid, pildisensorid (CCD).

Optron

• Samas kestas paiknev kiirguselement ja kiirgustundlik

element (valgusdiood, fotodiood). Patent 1963, USA

• Kasutatakse, kui on vajalik signaali (andmete ülekanne)

aga elektrilist sidestust tuleb vältida.

• Kiirgur - tavaliselt infrapuna valgusdiood

• Vastuvõtja – fotodiood, -takisti,- transistor, -türistor

• Suletud või avatud kanaliga

https://www.electronics-tutorials.ws/blog/optocoupler.html

• Alandatud läbilöögipingega diood

• Kasutatakse põhiliselt tugipingeallikana

Stabilitron

Stablilitroni (zeneri) V-A karakteristik (digikey.com)

• Kolmklemm

• Olemuselt tüüritav takisti (transformer of resistor)

• Hüdraulika analoog – kraan

• Väikese energiakuluga tüürime suuremat energiavoogu

• Bipolaartransistor

• Väljatransistor

Elektroonikakomponent - transistor

Transistor (mõned kuupäevad)

• Transistori sünniaastaks loetakse aastat 1947 , mil John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain demonstreerisid bipolaartransistorit.

• Väljatransistor patenteeriti 1925 aastal aga ideest kaugemale ei jõutud.

• 1951 - sai transistore poest osta.

• 1953 - esimene transistorarvuti.

• 1954 – ränitransistor

• 1958 – esimene integraallülitus (mikroskeem)

...............................

• 2016 - 25 miljonit transistori

ruutsentimeetrile

Pilt- wikipedia (Transistor)

Bipolaartransistor

• Kaks juhtivust PNP ja NPN

• Võib võrrelda dioodidega

• Olemuselt vooluga tüüritav takisti

• Enamlevinud analoogelektroonikas

Bipolaartransistor

• Võimendustoime põhineb siirete vastastikusel mõjul.

• Baas on väga õhuke, võrreldes emitteri ning kollektoriga.

• Sisendignaal rakendatakse emittersiirdele.

Elektronid

Augud Rekombinatsioon

Emittersiire Kollektorsiire

Bipolaartransistor

Kui β on „suur“ , siis lihtsuse mõttes loeme baasivoolu nulliks !

Lihtsustab tunduvalt ligikaudseid arvutusi.

Bipolaartransistor võimendina• Võimalik ühendada kolmel viisil.

• Transistor töötab aktiivrežiimis.

• Valdavalt kasutusel digitaalelektroonikas.

• Kaks olekut – avatud ning suletud.

Bipolaartransistor lülitina

Võimalikud koormused

Väljatransistor• Elektriväli mõjutab laengute liikumist

• Olemuselt pingega tüüritav takisti

• Põhiline komponent mikroelektroonikas (IT)

• 100 miljonit tükki aastas inimese kohta (USA 2016)

• Kaks juhtivust N ja P , tüübid MOSFET ja J-FET

Pais (gate)

Läte (source) Neel (drain)

Ümberkujundatud Ohmi seaduse pilt internetist

P-N väljatransistor (J-FET)

• Elektriväli muudab kanali tegevristlõiget

• Olemuselt pingega tüüritav takisti, N ja P kanaliga

• Saab võrrelda elektronlambiga

• Kasutatakse harva, põhiliselt analoogelektroonikas.

P kanaliga väljatransistor J-FET

S – source, läte

G – gate, pais

D – drain, neel

N tüüpi pooljuht

P-N siire

P tüüpi pooljuht (kanal)

Isoleeritud paisuga väljatransistor

• Elektriväli muudab laengukandjate kontsentratsiooni kanalis.

• MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor)

• Tänapäeva digielektroonika põhiline komponent

• Kaks juhtivust - N ja P kanaliga

• Formeeritud kanaliga

(voolukanal sisse moodustatud)

• Indutseeritava kanaliga

(kanal tekib pingestamisel),

Inditseeritava kanaliga väljatransistor

N- tüüpi kanal

P tüüpi alus

Väljatransistori kasutamine

Võimendina Lülitina

Transistorite võrdlus

Bipolaartransistor

• Väike sisendtakistus

• Vajab tüürimiseks voolu

• Temperatuuritundlik

• Väiksem tundlikkus

staatilise elektri suhtes

Väljatransistor

• Suur sisendtakistus

• Omamüra madalam

• Temperatuuri mõju

väiksem, neeluvool

temperatuuri tõustes

nõrgeneb.

• Pais on tundlik staatilise

elektri suhtes

Elektroonikakomponent - türistor

• Olemuselt tüüritav takisti (kreeka keeles thyra ‘üks' ja

inglise keeles resistor 'takisti‘)

• Kolme siidega pooljuhteadeldis

• Dinistor (dioodtüristor), Trinistor (trioodtüristor)

• Enamlevinud jõuelektroonikas

http://www.ene.ttu.ee/elektriajamid/oppeinfo/AAV3361/22.html

Sümistor (TRIAC) olemuselt kaks vastassuunas ühendatud

türistori. Vahelduvpingeahelate tüürimiseks

Sümmeetriline dinistor (DIAC) , Kasutusel põhiliselt

kaitselülitustes

Elektroonikakomponent - türistor

Türistoride ühendamine

• Lihtsamad kasutusviisid

Pildid: https://www.electronics-tutorials.ws/power/thyristor-circuit.html