Elektronika i elektryka

Elektronika – dziedzina techniki i nauki zajmującą się wytwarzaniem i przetwarzaniem sygnałów w postaci prądów i napięć elektrycznych lub pól elektromagnetycznych.

Do realizacji tych celów służą różnorodne przyrządy:

• elementy aktywne: półprzewodnikowe (tranzystory, tyrystory, układy scalone itp.), lampy próżniowe (diody, triody, pentody itd.)

• elementy bierne: (rezystory, kondensatory, cewki, diody półprzewodnikowe itp.

Dzisiaj elektronika, ze względu na zapotrzebowania z różnych dziedzin życie, zawiera w sobie jeszcze więcej kierunków. Do najważniejszych, oprócz radiotechniki należy też optoelektronika, teletechnika, elektronik cyfrowa, mikroelektronika, lasery. Swój rozwój elektronika zawdzięcza badaniom w różnych dziedzinach nauki, głównie dzięki fizyce (półprzewodniki, optyka, magnetyzm), chemii i matematyce (symulowanie układów, analiza zachowania, przetwarzanie sygnałów, analiza stabilności i inne)

Etapy Rozwoju Elektroniki

Lampa Elektronowa

W roku 1879 legendarny amerykański wynalazca

Thomas Alva Edison publicznie przedstawił po raz pierwszy swoją jasno świecącą żarówkęelektryczną.

Dioda próżniowaNajprostszy rodzaj lampy elektronowej. Posiada tylko dwie elektrody - anodę i katodę. Katoda jest źródłem elektronów, a anoda ich odbiorcą. Emisja z katody zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury (emisja termoelektronowa)- katoda jest żarzona najczęściej za pomocą prądu elektrycznego. Cechą charakterystyczną diody jest jednokierunkowy przepływ prądu elektrycznego: w kierunku od anody do katody (elektrony poruszają się w kierunku odwrotnym), w sytuacji gdy anoda ma potencjał dodatni względem katody. W sytuacji przeciwnej lampa prądu nie przewodzi. Jednokierunkowe przewodzenie prądu zachodzi na skutek tego, że rozgrzana katoda emituje elektrony a zimna anoda nie emituje elektronów. Po wyemitowaniu przez katodę zostaną one przyciągnięte przez anodę, gdy ta ma potencjał dodatni; gdy anoda ma potencjał ujemny elektrony zostaną przez nią odepchnięte i wrócą do katody - przepływ prądu nie nastąpi.

Trioda Trioda jest najprostszą i najstarsza lampą wzmacniającą. Składa się z trzech elektrod – anody, katody i siatki. Trioda umożliwia sterowanie przepływem elektronów z katody do anody przez zmianę napięcia na siatce – a zatem umożliwia budowanie wzmacniaczy sygnałów elektrycznych.

Podstawowymi parametrami triody jest wzmocnienie (wyrażane w V/V) – parametr mówiący ile razy więcej musi się zmienić napięcia na anodzie w stosunku do napięcia na siatce aby utrzymać ten sam prąd anodowy, nachylenie charakterystyki (wyrażone w mA/V) – parametr mówiący o ile miliamperów zmieni się prąd anody przy zmianie napięcia na sitace o 1V przy niezmiennym napięciu na anodzie, oraz napięcia maksymalne, prąd maksymalny i moc maksymalna jaka może wydzielić się na anodzie.Podstawowym podziałem triod jest podział na triody sygnałowe służące do jak najsilniejszego wzmocnienia amplitudy sygnału, oraz triody głośnikowe – służące do dostarczenia dużej mocy do obciązenia.

Etapy Rozwoju Elektroniki

Tranzystor

Pierwszy ostrzowy tranzystor germanowy na stole w Bell Laboratories – rok 1947

Tranzystor i później wynaleziony układ scalony muszą być z pewnością zakwalifikowane jako dwa największe wynalazki XX wieku.

Pod koniec lat 1950-tych zaczęto produkcję tranzystorów bipolarnych z krzemu zamiast z germanu

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora.Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

• emiter (ozn. E), • baza (ozn. B), • kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża.Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło. Jeśli rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu megaomów) wówczas mówi się, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło praktycznie nie płynie. Natomiast jeśli rezystancja jest niewielka (kilkadziesiąt, kilkaset omów), mówi się, że kanał jest otwarty, prąd osiąga wówczas maksymalną wartość dla danego napięcia dren-źródło.

Tyrystor

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej – bramką (G, od ang. gate – bramka).Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda ma dodatnie napięcie względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe – gazotrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem zjonizowanego gazu.

Etapy Rozwoju Elektroniki

Układy scalone – Mikroelektronika

W lecie roku 1958 Jackowi Kilby'emu, pracującemu dla Texas Instruments, udało się wytworzyć kilka elementów elektronicznych na pojedynczym kawałku półprzewodnika.

W roku 1961 firmy Fairchild i Texas Instruments ogłosiły dostępność pierwszych komercyjnych, planarnych układów scalonych zawierających proste funkcje logiczne

W roku 1963 firma Fairchild wyprodukowała układ scalony pod nazwą 907, który zawierał dwie bramki logiczne złożone każda z czterech tranzystorów bipolarnych i czterech oporników.

W roku 1967 firma Fairchild wprowadziła na rynek układ zwany Micromosaic, który zawierał kilkaset tranzystorów.

Układ scalony – (ang. intergrated circuit, chip) (potocznie kość), zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory.Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie - szklanej, metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego. Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzieli się na główne grupy:

• monolityczne, w których wszystkie elementy, zarówno elementy czynne jak i bierne, wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika

• hybrydowe - na płytki wykonane z izolatora nanoszone są warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych oraz rezystory. Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne). Ze względu na grubość warstw rozróżnia się układy:

• cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów) • grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów)

W procesie produkcji monolitycznego układu scalonego można wyróżnić ok. 350 operacji technologicznych

Następny wykład:

Pole elektrycznePotencjał elektryczny, napięcieŁadunek i Prąd elektrycznyPrawo OhmaPrawo KirchoffaMoc prądu elektrycznegoPojemność elektrycznaOpór i pojemność zastępczePrąd zmienny